Java多线程并发之java.util.concurrent包实现机制

前言

  Java开发中我们往往会使用到syconchornize、volitaile等锁机制，然而，对于实际编程来说，应该尽可能远离底层结构。java1.5新引入的了java.util.concurrent包，提供了一系列专门处理并发的类，可以让开发者更方便、更安全地解决并发问题，今天来学习一下java.util.concurrent包的实现机理。

不同系统的并发机制

• UNIX：管道、消息、共享内存、信号量、信号
• Linux内核：原子操作、自旋锁、信号量、屏障（由于服务器一般都位于Linux服务器上，因此此是我们最重要要了解的）
• Solaris线程同步原语：互斥锁、信号量、多读者/单写者锁、条件变量
• Windows：等待函数、分派器对象、临界区、轻量级读写锁和条件变量

互斥的需求

• 强制互斥： 当临界区共享时，一次只允许一个线程进入临界区，即必须强制实施互斥
• 禁止干涉： 一个在非临界区停止的线程不能干涉其他线程，包括临界区和非临界区的线程
• 禁止无限延迟： 决不允许出现需要访问临界区的线程被无限延迟的情况，如产生死锁或饥饿
• 可用立入： 当没有线程在临界区中时，任何需要进入临界区的线程必须能够立即进入
• 核数无关： 对相关线程的执行速度和处理器的数目没有任何要求和限制
• 有限时间： 一个线程驻留在临界区的时间必须是有限的

互斥的方案

• 硬件支持：处理器原生支持的互斥指令，好处是可以减少开销，但很难成为一个通用的解决方案
• 系统或语言级别支持：即由操作系统或程序语言提供该级别的互斥支持，比如信号量、管程、消息传递等
• 软件方法支持：这些方法通常基于在访问内存时基本互斥的假设，尽管允许访问的顺序事先没有具体安排，但同时访问内存中的同一地址的操作被内存仲裁器串行化执行了，即可以理解用算法的方式解决互斥问题，比如Dekker算法、Peterson算法

消息传递

1. 消息传递的概述
   消息定义：消息传递指的是线程间通过发送消息的方式实现相互通信
   消息实现：通常会提供一对原语实现 send(destination,message) 、receive(source,message)
   发送消息：一个线程以消息massage的形式给另一个指定的目标destination线程发送消息
   接收消息：线程通过执行recieve原语接收来自源线程source的消息massage

2. 消息结构
   消息类型： 指定的消息类型，接收者往往会根据该类型进行消息监听和捕获
   目标ID/源ID： 发送方/源的标识符
   消息长度： 整个消息的总长度，注意要控制长度
   控制信息： 额外信息，比如创建消息链表的指针、记录源和目标之间传递消息数目、顺序和序号以及优先级
   消息内容： 消息正文，相当于Body
   补充： 读者可以参间ISO中各种协议的包格式，比如HTTP和TCP的包
   3.消息通信情况
   send：要么发送线程被阻塞直到该消息被目标线程接收，要么不阻塞
   receive :
   若消息在接收之前已经被发送，该消息被目标线程接受并继续执行
   若没有正在等待的消息，则该目标线程被阻塞直到所等待的消息到达，或者该线程继续执行，放弃接收

   
   
   消息通信情况

Couurent包结构

Couurent包结构

Concurrent 包整体类图

Concurrent 包整体类图

Concurrent包实现机制

• 综述： 在整个并发包设计上，Doug Lea大师采用了3.1 Concurrent包整体架构的三层结构

1. 底层-硬件指令支持

• 综述： 并发包最底层是依赖于硬件级别的Volatile和CAS的支持
• Volatile：借用 Volatile 的内存读写语义和阻止重排序保证数据可见性
• CAS： 借用CAS的高效机器级别原子指令保证内存执行的 读-改-写 操作的原子性
• 组合： 借用 Volatile 变量的读/写和CAS实现线程之间的有效通信，保证了原子性、可见性、有序性

2. 中间层-基础数据结构+算法支持

• 综述： 在数据结构和算法的设计使用上，Doug Lea大师专门设计了AQS框架作为所有并发类库的并发基础，同时引入非阻塞算法和原子变量类增强了并发特性
• AQS框架： AQS中提供了最基本、有效的并发API， Doug Lea大师期望其作为所有并发操作的基础解决方案，并发包中的绝大部分实现都是依赖于AQS（AbstractQueuedSynchronizer），同时 AQS的基础是 CAS 和 Volatile的底层支持
• 非阻塞数据结构: 非阻塞数据结构是非阻塞队列的设计基础，同时也是阻塞队列的参考对比的重要依据
• 原子变量类： Doug Lea大师专门为所有的原子变量设计了专门的类库，甚至在后期还对齐做了增强，比如 LongAdder、LongAccumulator 等，从侧面可以反映出数值操作对于编程的重要性

3. 高层-并发类库支持

• 综述： Doug Lea大师在并发包中已经提供了丰富的并发类库极大方便了快速、安全的使用并发操作
• Lock： Lock接口定义了一系列并发操作标准，详情参见 AQS框架之Lock
• 同步器： 每个并发类的同步器的实现依赖于AQS(继承)，比如 ReentrantLock 中的Sync；同时笔者也将 并发类 同属于同步器的范围内
• 阻塞队列: 顾名思义，支持阻塞的队列，主要是以Queue结尾的类
• 执行器： 所谓执行器，指的是任务的执行者，比如线程池和Fork-Join
• 并发容器： 即支持并发的容器，主要包含COW和以Concurrent开头的类，通常并发容器是非阻塞的

参考：

• https://www.cnblogs.com/romanjoy/p/8442858.html