并发 编程

一、并发编程

1. 线程、进程
   线程：是进程的一个执行单元，是CPU执行的最小单位；
   进程：运行中的程序是计算机分配内存资源的最小单位。

2. 创建线程方式

   • 类 继承 Thread 重写run()
   • 实现Runnable接口 重写run() ，再创建Thread对象，去执行任务
   • 实现Callable接口，重写call()（可以有返回值，可以抛异常），再创建Thread对象，去执行任务
   • 线程池

3. 线程常用方法
   run() yield() wait()
   start() sleep() notify()
   join()

4. 线程的状态
   新建、就绪、运行、阻塞、死亡

5. 多线程的安全问题
   多线程不一定有问题，共享操作是有问题的

6. 解决方案
   加锁；排队；并发执行；一个一个执行

7. 加锁方式
   synchronized关键字+同步对象（对多个线程来说是同一个对象）：
   可以添加在代码上

   	synchronized(同步锁/同步对象){
   	}
   

   还可以加在方法上， 同步不需要我们提供了，静态方法，锁是类的Class对象，非静态方法，锁是this。

   ReentrantLock实现了Lock接口,所以可以称为lock锁，
   实现原理不同：
   ReentrantLock是一种java代码层面的控制实现 ,而synchronized是关键字,依靠的是底层编译后的指令实现
   加锁范围不同：
   ReentrantLock只能对某一段代码块加锁,而synchronized可以对代码块和方法加锁
   加锁释放锁方式不同：
   ReentrantLock需要手动的加锁释放锁,而synchronized是隐式的自动的加锁,自动释放锁(代码执行完了,出现异常了)

8. 线程死锁
   指俩个或多个线程，分别持有对方需要的资源，相互僵持等待。
   死锁条件：

   • 互斥：在一段时间内某一资源仅为一个进程占用
   • 请求和保持：当进程因请求另一资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放
   • 不可抢占:进程已获得的资源在未使用完之前，不可被抢占，只能在使用完时由自己释放
   • 循环等待:存在一个进程请求资源的循环链
     措施：
   • 预防死锁:设置某些限制条件破坏死锁的几个必要条件
   • 避免死锁:在资源的动态分配中，用某种方法防止系统进入不安全状态
   • 检测死锁: 允许程序出现死锁,出现后及时检测然后采取措施,将进程从死锁中解脱出来
   • 解除死锁: 当检测到死锁发生时,可以撤销一些进程,回收它们的资源.

9. 线程通信
   同步情况下 、notify()、wait()

二、线程进阶

围绕着线程安全问题，用户在手机上买票，抢购，秒杀

a.多线程

优点：提高程序的响应速度，可以多个线程完成自己的工作，提高硬件设备的利用率
缺点：可能会出现资源争夺问题
并发执行：在一段时间内，多个线程依次执行
并行执行：真正意义上的同时执行，俩个线程在同一个时间点上一起执行
高并发指的是很多用户一起访问

b.并发编程核心问题

不可见性：一个线程对共享变量的修改，另外一个线程不能够立刻看到
由于想让程序响应处理速度更快， java内存模型设计有主内存和工作内存(线程使用的内存)。线程中不能直接对主内存中的数据进行操作，必须将主内存数据加载到工作内存(本地内存)， 这样在多核cpu下就会产生不可见性。

乱序性：指令在执行过程中，为了优化性能，可能将一些语句的顺序改变。
volatile
可以解决不可见性, volatile修饰的变量在一个线程修改后,对其他线程立即可见，还可以解决乱序性， volatile修饰的变量在执行时禁止指令重排序，但是不能解决非原子性问题。

非原子性：线程切换带来的非原子性问题，A先执行被B插了一脚。
原子性：一个或多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性
措施：

1. 加锁：互斥的，A线程执行时加锁，此时其他线程就不能执行了。
2. 原子变量（解决++之类的问题）
   在java.util.concurrent包下面提供一些类，可以在不加锁的情况下，实现++操作的原子性，这些类称为原子类AtomicInteger，原子类内部实现是 volatile+CAS机制
   CAS机制：比较与交换，乐观锁（不加锁）实现，采用自旋思想（一个循环中不断地尝试更新操作，直到成功或者放弃）
   包含三个操作数：内存值、预估值、更新值，判断预估值和主内存中的值是否一致，如果一致说明没有其他线程修改过， 如果不一致说明其他线程修改过。重新获取主内存的共享变量，重复操作。
   CAS缺点：原子类内部实现使用了不加锁的CAS机制，线程不会被阻塞，所有的线程都会不断的重试进行操作，在访问量大的情况下，会导致cpu消耗过高，原子类适合在低并发情况下使用。
   ABA问题：一个线程读取一个共享变量的值为A，然后另一个线程将该值修改为B，再改回A。此时，线程再次尝试进行CAS操作时，会发现该变量的值仍然是A，因此它会认为该值没有被修改过。
   解决ABA问题：使用有版本号的原子类

c.Java中的锁分类

1. 乐观锁/悲观锁
   乐观锁：不加锁，乐观锁认为不加锁的并发操作是没有问题的，并发修改时进行比较，满足条件进行更新，否则再次进行比较，例如：原子类
   悲观锁：悲观锁认为不加锁的是肯定会出问题的，使用java中提供的各种锁实现加锁。
   悲观锁适合写操作比较多的情况，乐观锁则适合读多写少的情况。
2. 可重入锁
   当一个线程进入到一个同步方法中，然后在此方法中要调用另一个同步方法，而且两个方法共用同一把锁，此时线程是可以进入到另一个同步方法中的。
3. 读写锁（ReentrantReadWriteLock）
   读读不互斥(共享)，读写互斥，写写互斥
4. 分段锁
   用于将数据分段，并在每一个分段上单独加锁，提高并发效率。
   jdk8之后，去除了真正的分段锁，现在的分段锁不是锁,是一种实现的思想。将锁的粒度更小化。
   例如ConcurrentHashMap 没有给方法加锁，用hash表中的第一个节点当做锁的，这样就可以有多把锁,提高了并发操作效率
5. 自旋锁
   也不是锁，是获取锁的方式。
   如: 原子类,，需要改变内存中的变量，需要不断尝试，synchronized 加锁 其他线程不断尝试获取锁
6. 共享锁/独占锁
   共享锁: 多个线程共享一把锁, 读写锁中的读锁,都是读操作时,多个线程可以共用
   独占锁: synchronized ReentrantLock 互斥的 读写锁的写锁
7. 公平锁/非公平锁
   公平锁：按照请求锁的顺序分配 谁先来，先获得锁
   ReentrantLock底层可以设置为公平锁,也可以设置为非公平锁，默认非公平锁
   非公平锁：不按照请求锁的顺序分配,谁抢到 谁获得
   如：synchronized
8. 偏向锁/轻量级锁/重量级锁
   针对synchronized锁的状态，优化synchronized锁
   • 无锁 : 没有任何线程使用的锁对象
   • 偏向锁 : 就是当前只有一个线程访问，在对象头（Mark Word）中记录线程id，下次此线程访问时，可以直接获取锁，偏向于这把锁
   • 轻量级锁 : 当锁的状态为偏向锁时，此时继续有线程来访问，升级为轻量级锁，会让线程以自旋的方式获取锁，先程不会阻塞
   • 重量级锁 : 当锁的状态为轻量级锁时，线程自旋获取锁的次数到达一定数量时，锁的状态升级为重量级锁，会让自旋次数多的线程进入到阻塞状态，因为访问大时，线程都自旋获得锁，cpu消耗大。
     对象头:
     mark word
     记录对象的一些相关信息:
     hash值，分代年龄（4个bit记录），锁的状态，偏向锁，线程id…
     synchronized实现：
     通过底层指令控制实现
     synchronized修饰方法
     底层指令会添加ACC_SYNCHRONIZED
     进入方法时使用monitorenter检测，执行完毕使用monitorexit释放锁
     synchronized修饰代码块
     进入代码块时使用monitorenter检测，执行完毕使用monitorexit释放锁

d.ReentrantLock锁实现

AQS：抽象同步队列是一个底层具体的同步实现者。
AbstractQueuedSynchronizer类中有一个int类型state变量,记录锁的状态

volatile int  state; //标记有没有线程在访问共享资源
	 内部类
	 static final class Node{ 
	     volatile Node prev;
		 volatile Node next;
		 volatile Thread thread;
	 }
	 protected final int getState() {
        return state;
     }
     protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        // See below for intrinsics setup to support this
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
    }

ReentrantLock源码:

	abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
	    lock();
		
		unlock();
	}
	
	
	static final class NonfairSync extends Sync {
	       实现加锁 
		   final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1)) //先尝试获取锁,修改锁的状态
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }
		    
	}
	
	static final class FairSync extends Sync {  
	   final void lock() {
            acquire(1); //走正常流程获取锁, 如果当前锁状态为0,获取锁,状态改为1
			                                如果当前锁状态为1,把线程放入到队列
        }
	}
	无参构造方法  
	 public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync(); //使用的是非公平锁
    }
	有参构造方法
	public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();//FairSync公平锁，NonfairSync非公平锁
    }

e.ConcurrentHashMap

• HashMap：键值对 双链集合 键是不重复的，值可以重复，多线程不安全，单线程安全
• HashTable:是线程安全的，因为底层方法加了synchronized
• ConcurrentHashMap：是线程安全的，采用css+synchronized保证安全， 底层方法没直接加synchronized， put时，先用key计算hash值，在计算位置，如果位置上没有元素(null)， 采用cas机制尝试去放入，如果此位置上已经有元素了，那么使用第一元素作为锁对象，使用synchronized加锁，这样就会降低锁的粒度，可以同时有多个方法进入到put中操作，提高并发的效率，如果有多个线程是对同一个位置操作，那么就必须一个一个操作。
  Hashtable和ConcurrentHashMap不支持存储为null的键和为null的值

f.CopyOnWriteArrayList

List

• ArrayList 单列集合 底层是数组实现 可以存储重复元素，是有序(添加顺序)，可以自动扩容 默认是10个长度 扩容为原来的1.5倍，是线程不安全的
• Vector 单列集合 底层是数组实现 可以存储重复元素, 是有序(添加顺序)，可以自动扩容 默认是10个长度 扩容是2倍，是线程安全的 锁是添加到方法上的,并发效率低，读取数据时也进行加锁，是一种资源的浪费，读是不改变数据的。
• CopyOnWriteArrayList：添加，修改方法会加锁，每次改变值时会复制一个新数组，在新数组上进行修改，如果此时有读操作，可以从原数组读取，修改完成后，将新复制的数组 重新赋给原数组；
  读的方法不用加锁，提高了读的效率，适合读操作多 写操作少的情况
  是线程安全的 不存储重复元素，底层使用CopyOnWriteArrayList，添加元素时判断元素是否存在

g.CountDownLatch

允许一个线程等待其他线程执行完毕后再执行，创建CountDown Latch对象时指定一个初始值是线程数量，执行完一个，AQS内部state-1，当state为0表示所有线程执行完毕，然后等待的线程就可以工作了

三、线程池

池（容器 集合 ArrayList）： 每次连接数据库都要创建一个连接对象,用完之后就销毁了，频繁创建和销毁占用一定的开销。 可以创建出一定数量的连接对象放到池子中， 有连接到来时，从池子中获得一个连接对象使用，用完之后不销毁，还回到池子中即可，减少创建销毁的开销。
数据库的连接池
线程池：频繁的创建线程，销毁线程也是需要开销的。
有两个类实现线程池：
ThreadPoolExecutor
Executors
其中阿里巴巴开发规约中规定使用ThreadPoolExecutor实现
ThreadPoolExecutor中可以准确的控制创建的数量，最大等待数量，拒绝策略等
ThreadPoolExecutor构造方法中的7个参数：

1. corePoolSize 核心池子的数量(大小)，默认是先不创建线程，有任务到达后，再创建，之后就不销毁了
2. maximumPoolSize 10 最大池子数量
3. keepAliveTime 非核心线程池中的线程，在一定时间内没有任务执行时，销毁非核心线程池中的线程
4. TimeUnit 时间单位
5. workQueue 等待队列 设置队列数量 20
6. threadFactory 创建线程工厂
7. handler 拒绝策略

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