Java并发编程-基本概念

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参考资料：《Java高并发程序设计》

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1.几个概念

1.同步和异步

• 同步和异步一般用来形容 一次方法调用。
• 同步：同步方法调用一旦开始，调用者必须等到方法调用返回后，才能继续后续的行为。
• 异步：异步方法调用更像一个 消息传递，一旦开始，方法调用就会 立即返回，调用者就可以继续后续的操作。而异步方法通常会在 另一个线程 中去执行。如果异步调用需要返回结果，那么当这个异步调用真实完成后，则会 通知 调用者。

2.并发和并行

• 并发和并行都可以表示两个或多个任务 一起执行，但偏重点有所不同。
• 并发：偏重于多个任务 交替执行，而多个任务之间有可能还是 串行 的。
• 并行：是真正意义上的 同时执行。
• 如果系统只有一个CPU，那么只可能是并发不可能是并行。真实的并行只会出现在拥有多个CPU的系统中。

3.临界区

• 临界区 用来表示一种 公共资源 或者说是 共享数据，可以被多个线程使用。但是每一次，只能有一个线程使用它。

4.阻塞和非阻塞

• 阻塞和非阻塞通常用来形容多线程间的 相互影响。
• 阻塞：比如一个线程占用了 临界区 资源，那么其他所有需要这个资源的线程就必须在这个临界区中进行 等待。等待会导致 线程挂起，这种情况就是阻塞。
• 非阻塞：它强调没有一个线程可以妨碍其他线程执行，所有的线程都会 尝试 不断向前执行。

5.死锁、饥饿和活锁

• 死锁、饥饿和活锁都属于多线程的 活跃性问题。
• 死锁：两个或多个线程间互相持有着对方所需要的资源，如果所有线程都不会释放自己占用的资源，那么这个状态将永远维持下去，谁都不可能通过。
• 饥饿：一个或多个线程因为种种原因无法获得所需的资源，导致一直无法执行。比如程序 优先级 可能太低，或者另一个线程一直占着关键 资源 不放。
• 活锁：如果线程不够智能，且都秉承着 谦让 的原则，主动将资源释放给他人使用，那么就会出现资源不断在两个线程中 跳动，而没有一个资源可以同时拿到所有资源去正常执行。

2.并发级别

• 由于 临界区 的存在，多线程之间的并发必须受到 控制，根据控制并发的 策略，可以把并发的 级别 进行分类：

并发级别.png-100.8kB

1.阻塞

• 如果一个线程是阻塞的，那么在其他线程释放资源之前，当前线程无法继续执行。
• 当使用 synchronized 关键字，或者 重入锁 时，我们得到的就是 阻塞 的线程。

2.无饥饿

• 如果线程之间是有 优先级 的，那么 线程调度 的时候总是会倾向于满足高优先级的线程。即对于同一个资源的分配，是 不公平 的。
• 如果锁是公平的，满足 先来后到，那么饥饿就不会产生，所有线程都有机会执行。

3.无障碍

• 无障碍 是一种 最弱 的 非阻塞调度。
• 阻塞 的控制方式是 悲观策略，即系统认为两个线程之间很有可能发生不幸的 冲突，因此，以保护共享数据为第一优先级。
• 非阻塞 的调度是一种 乐观策略，它认为多个线程之间很有可能 不会发生冲突，或者说 概率不大，因此大家都应该 无障碍 的执行。但如果一旦检测到冲突，就应该进行 回滚。
• 如果当临界区存在 严重冲突 时使用此策略，有可能会导致所有线程都 不断回滚 自己的操作，而没有一个线程可以走出临界区。
• 一种可行的无障碍 实现 可以依赖一个 一致性标记 来实现。线程在操作之前，先 读取并保存 这个标记，在操作完成后，再次读取，检查这个标记是否被 更改 过，如果先后两次读取到的 数据一致，说明资源访问 没有冲突。如果不一致，则说明资源可能在操作过程中与其他 写线程 冲突，需要 重试 操作。而任何对资源有 修改操作 的线程，在修改数据前，都需要 更新 这个一致性标记，表示数据已不安全。

4.无锁

• 无锁 的并行都是 无障碍 的。不同的是，无锁的并发 必然有一个线程 能够在 有限步内 完成操作 离开临界区。
• 在无锁的调用中，一个典型的特点是可能会包含一个 无穷循环。在这个循环中，线程会 不断尝试 修改共享变量。如果没有冲突，修改成功，那么程序退出，否则继续尝试修改。如果运气不好，总是尝试不成功，则会出现类似 饥饿 的现象，线程会停止不前。
• 一段无锁的示意代码：

while(!atomicVar.compareAndSet(localVar, localVar + 1)){
    localVar = atomicVar.get();
}

5.无等待

• 无锁 只要求有 一个线程 可以在有限步内完成操作，而 无等待 则要求 所有线程 都必须在有限步内完成，这样就不会引起饥饿问题。
• 如果限制 循环次数，还可以进一步分解为 有界无等待 和 线程数无关的无等待 几种，它们的区别只是对循环次数的限制不同。
• 一个典型的无等待结构就是 RCU（Read-Copy-Update）。它的基本思想是：对数据的读可以不加控制，因此所有的读线程都是无等待的，它们既不会被锁定等待也不会引起任何冲突。但在写数据的时候，先取得原始数据的 副本，接着只修改副本数据（这就是为什么读可以不加控制），修改完成后，在合适的时机 回写数据。

3.原子性、可见性、有序性

1.原子性

• 原子性 是指一个操作是 不可中断 的。即一个操作一旦开始，在结束之前不会被其他线程 干扰。
• 反例：32位系统 中 long型 数据的读和写都不是原子性的，多线程之间会相互干扰。

2.可见性

• 可见性 是指当一个线程修改了某一个 共享变量 的值，其他线程是否能够立即 感知 到这个修改。
• 反例：缓存优化、硬件优化、编译器优化（指令重排）

3.有序性

• 有序性 是指多线程间，代码 实际执行的顺序 和代码在 源文件中出现的顺序 语义一致的特性。
• 反例：指令重排。

4.指令重排

• 指令重排 是为了尽量减少 流水线 的 中断，从而提高 性能。
• 指令重排可以保证串行语义一致，但不能保证多线程间的语义也一致。
• 不能进行重排的指令：Happen-Before原则

1. 程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性
2. volatile规则：volatile变量的写，先发生于读，这保证了volatile变量的可见性
3. 锁规则：解锁必然发生在随后的加锁前
4. 传递性：A先于B，B先于C，那么A必然先于C
5. 线程的start()方法先于它的每一个动作
6. 线程的所有操作先于线程的终结
7. 线程的中断先于被中断线程的代码
8. 对象的构造函数执行、结束先于finalize()方法

4.线程的基础知识

1.进程和线程的关系

• 进程 是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。
• 线程 是轻量级进程，是程序执行的最小单位。使用多线程而不是多进程去进行并发程序的设计，是因为线程间的切换和调度的成本远小于进程。
• 进程是线程的 容器。

2.线程的状态图

• 线程的所有 状态 都在Thread的State枚举中定义：

public enum Statue{
    NEW,
    RUNNABLE,
    BLOCKED,
    WAITING,
    TIMED_WAITING,
    TERMINATED;
}

• 线程状态图：

  
  
  

  线程状态图.png-38.4kB

1. NEW：表示 刚刚创建 的线程，这种线程还 没有开始执行。
2. RUNNABLE：表示线程所需的一切 资源 都已经准备好了，线程 正在执行。
3. BLOCKED：表示线程 暂停执行，直到获得请求的 锁。
4. WAITING：进入一个 无时限 的 等待。
5. TIMED_WAITING：进入一个 有时限 的 等待。
6. TERMINATED：表示线程执行完毕，线程 结束。

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end