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JAVA并发理论总结
内容导读
互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了JAVA并发理论总结，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含11536字，纯文字阅读大概需要17分钟。
内容图文
一、并发编程bug的源头（可见性、原子性、有序性）
CPU、内存、I/O设备的访问速度差异大，为提高计算机性能的利用，计算机做了以下三点：
1．CPU增加了缓存，平衡与内存差异。
2．操作系统增加了进程、线程、分时复用CPU，进而均衡CPU与I/O设备的速度差异。
3．编译程序优化指令执行顺序，使得缓存能够更加合理的利用同样的，这也为并发程序带来了三个问题：可见性、原子性、有序性。
可见性：一个线程对共享变量的修改，对另一个线程可见
现在的计算机处于多核时代，每颗CPU都有自己的缓存，这样与内存就带有数据不一致的问题，当线程A在CPU1将变量带入缓存进行+1，同时，线程B在CPU2也将变量读入缓存进行+1，我们的预期是变量+2，但最终的结果是变量+1。这就是没有考虑可见性带来的bug。
原子性：一个或者多个操作在CPU内不被中断的特性。
操作系统有了多线程，同时支持分时复用，一个进程在CPU执行一个时间片，时间片到点，记录数据，切换线程。这就带来了原子性的问题。线程A读取变量到缓存中，但这时CPU切换内存，线程A被阻塞，线程B读取变量，并修改了变量的值，然后唤醒了线程A，线程A并不知道变量已经被修改，仍旧继续执行修改变量操作，出现bug。
有序性：程序代码按照代码的先后顺序执行
编译器为了增加性能，有时优化代码的同时会改变代码的执行顺序，在单一线程这或许没有什么问题，但在并发的条件下这就有可能带来问题。比如线程A创建一个对象，对象的new操作在我们的理解是：1分配一个内存M，2在M中初始化对象，3将M的地址赋予变量，但编译器优化后顺序会变成：1分配一个内存M，2将M的地址赋予变量，3在M中初始化对象。倘若线程A运行完第二步，切换到线程B，线程B看到对象已经被创建（实际上只是分配地址），对对象进行运算，出现BUG。（这里有可能对有序性和原子性产生疑惑，若编译器没有优化，线程A执行完第二步，变量还是没有分配地址，那即使切换到线程B也不会对变量进行操作）
二、Java内存模型（解决可见性、有序性）
可见性是缓存带来的问题，有序性是编译优化带来的问题，解决它们的方法是禁用它们，但这会让性能下降，失去了并发的意义。这就需要内存模型
Java内存模型是一些很复杂的规范。简单说，规范了JVM如何按需禁用缓存和编译优化的方法。这些方法有violatile，synchronized和final，以及六项Happens-Before规范。
synchronized可以修饰代码块，方法。（理论篇）
final修饰的变量为常量，可以让编译器尽情优化，在1.5之后只要我们提供正确的构造函数不造成“逸出”，final常量就不会出什么问题。
（逸出：构造函数初始化还没完成就将对象赋予别人）
被violate修饰的变量值，是禁用缓存的，即变量的修改只能从内存层面上进行。但同样会带来一个问题，我不能什么变量都使用violate修饰，这样就会失去缓存的意义。
同时violate修饰的变量也会带来一个问题那就是可见性问题。（不是指被修饰的变量有可见性问题）。
对于程序员来说，内存模型重要的一部分就是Happens-Before规范，这个规范都是关于可见性的。
Happens-Before
程序的顺序性
在一个线程中某个变量的修改对后面的代码是可见的。v可以“看见”x=3了。
2. volatile变量规则
volatile的读操作可以看到前面对这个变量的写操作。
3. 传递性
若 A 被 B 可见 B被C可见 那么A被C可见
上面的代码，x对v可见，write()中对v的写操作对reader()中v的读操作可见，那么reader()中对v的读操作是可以看到x 的值，也就是说读到vtrue时，我们能看到x3，不管它是不是在缓存。这对于vioatile是加强的。
4.管程中锁的规则
对 一个锁的解锁操作 被对 同一个锁的加锁操作 可见
锁作为一个对象，我们在线程A中对锁的值做一个修改，那么当线程B也去获得这个锁时，它是可以看到这个锁的值被修改了。
5.线程start（）规则
线程A启动线程B使用B.start()那么运行到B启动后，B是可以看见线程A启动B之前的操作。
6.线程join（）规则
线程A等待线程B运行结束使用B.join()，当线程A被唤醒是可以看到线程B的操作。
Happens-Before规范解决的是可见性问题。
synchronized，final，violatile解决的是有序性。
三、互斥锁（解决原子性）
原则性是因为CPU切换线程，如果我们保证一个线程不被中断，是否就解决了原子性问题？显然没有，现在是多核时代，保证原子性我们需要保证一段代码同一时刻只有一个线程执行，这就是互斥。如果我们可以对保证对共享变量的修改操作是互斥的，那么就能保证原子性。
需要互斥执行的代码块成为临界区，线程进入临界区需要占有临界区对应的互斥锁，我们选择的锁最好与临界区有着对应关系。同时一个临界区对一个锁，就好球赛座位票一样，一个座位一个锁，若不然就变成了黑心资本家了（当然嵌套上锁是可以的）。一个锁可以锁住多个资源，但性能会下降，以为会导致分布代码执行变成串行，用不同的锁管理不同的资源实现精细化管理，这种锁叫细粒度锁。
当被锁资源多，且有关联性，那么我们就可能需要选择锁粒度更高的锁。
（原子性的本质就是操作的中间状态对外不可见）
锁最好是不变的，以为锁的值改变了，也意味着锁变了。
（加锁的本质就是在锁对象的对象头写上当前线程id，所以锁对象不能改变）
Java提供synchronized支持锁技术。synchronized支持锁方法和代码块
方法被synchronized修饰后，会变成互斥访问的，即同一时刻只有一个线程可以使用这个方法，那么这个方法的锁是什么呢?
若为静态方法，锁是当前类的Class对象。
若为非静态方法，锁是当前实例对象this。
（同一类的不同对象可以同时调动互斥方法，因为不同对象也意味着锁不同）
四、死锁问题
介绍了锁机制，那么就一定会出现死锁问题。
前面我们有提到锁粒度更高的锁性能差，但是又必须保证原子性。那么我们就对临界区不同资源加不同锁，嵌套加锁，但这同时也可能带来死锁问题，如加锁顺序为AB，但其他部分的代码加锁顺序为BA，那么倘若这两个部分代码同时执行，就会死锁。
死锁：一组互相竞争资源的线程互相等待，导致“永久阻塞”的现象。
死锁发生条件：（同时具备）
互斥：共享资源 X 和 Y 只能被一个线程占用。
占有且等待：线程 T1 已经取得共享资源 X，在等待共享资源 Y 的时候，不释放共享资源 X。
不可抢占：其他线程不能强行抢占线程 T1 占有的资源。
循环等待：线程 T1 等待线程 T2 占有的资源，线程 T2 等待线程T1 占有的资源，就是 循环等待。
破坏其中一个条件就可以破坏死锁。
- 对于“占用且等待”这个条件，我们可以一次性申请所有的资源，这样就不存在等待 。
- 对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。
（Java的java.util.concurrent包中提供的lock） - 对于“循环等待”这个条件，可以靠按序申请资源来预防。所谓按序申请，是指资源是有线性顺序的，申请的时候可以先申请资源序号小的，再申请资源序号大的，这样线性 化后自然就不存在循环了
前面我们举了例子AB,BA顺序加锁问题，按照破坏第三条，只要我们选择一个标准，让加锁的顺序是固定的即可。即申请A，B两部分资源必须按照A->B的顺序执行，就不存在循环等待。
五、线程协作：等待-通知
在破坏死锁条件的1中，申请所有资源，可能很多人认为使用循环直到获取所有资源，但这种方式消耗的CPU资源太多了，其实可以使用我们熟悉的生产者-消费者模型去思考得到，等待-通知。
等待-通知：线程A首先获取互斥锁，当条件不满足时，释放互斥锁，进入等待队列；其他线程获得互斥锁，当线程A所需条件满足时，其他线程唤醒线程A，线程A重新等待互斥锁。
等待-通知的实现，Java提供的synchronized，wait，notify，notifyall可以实现这一机制（具体实现不做介绍）
尽量使用notifyall，避免部分线程永远不被通知。
有资源A，B，C，D，线程1占有AB，线程2占有CD，线程3申请AB，进入等待，线程4申请CD，进入等待，线程1执行结束唤醒线程，若使用notify，随机抽取一个线程执行，如果选到线程4，线程4不需要AB，继续等待，那么线程3就不会再有唤醒的可能了。
（wait会释放锁，sleep不会）
我们遇到的线程问题很多，总共分为三种：安全性，活跃性，性能问题。
安全性：前面我们以及提到的代码可见性，原子性，有序性。并不是所有代码都要考虑是否符合这三点，要不然工作量会飞涨。只有存在共享数据，并且数据会改变的时候需要考虑，即多个线程对同一数据读取并修改，需要考虑这三点。
多个线程同时访问同一数据会发生两个问题，数据竞争，竞态执行。
数据竞争我们可以采取加锁的方法，但不能避免所有问题，还有竞态执行，指的是程序的执行结果依赖线程的执行顺序（比拼运气）。两个线程完全同时执行（避开了简单加锁），那么两者的结果就只能指望它们最后的执行顺序，这明显不具有稳定性。因此，我们需要更加安全的加锁模式。
活跃性：指的是部分操作无法执行，不“活跃”，比如之前提到的死锁，还有活锁和饥饿。
如果死锁可以看作两个贪婪的人不断争抢，不愿放手，那么活锁就是两个谦虚的人互相谦让，两个线程不断“谦让”那最后谁都没有占有资源。
解决活锁的方法也很简单，就是设置一个随机时间，线程谦让随机时间，然后再去尝试占有资源。
饥饿指的是，线程因无法访问所需资源一直无法进行。1，保证资源充足，2公平分配资源，3，避免持有锁的线程长时间运行。可以使用公平锁，即先来后到锁。
性能问题：锁的概念好像一直贯穿并发编程，但是也会带来性能的问题。锁的过度使用是会导致川航化，带来性能问题。JavaSDK并发包，就是在解决部分并发区域的性能问题。一、使用无锁的算法和数据结构（线程本地存储，写入时复制，乐观锁），二、减少锁持有时间（Java并发包中的ConcurrentHashMap，读写锁）
性能的衡量标准：吞吐量、延迟、并发量。
六、并发万能钥匙——管程
操作系统解决并发问题的方法是信号量，而Java选择更易于面对对象实现的管程。
管程和信号量是等价的，信号量既可以实现管程，管程也可以实现信号量。
管程指管理共享变量的操作过程。（管程在操作系统中处于用户态）
管程模型MESA。
MESA模型解决互斥问题：将共享变量及其对共享变量的操作统一封装起来，只提供几个方法，并且在这些方法上面加锁，线程通过这些方法互斥的访问共享变量里的内容，是否和面对对象的封装相似，这或许就是Java选择管程的原因。
MESA模型解决同步问题：线程从入口获得锁进入管程，当在线程A需求条件不满足，线程A进入条件变量的等待队列并释放入口锁，线程B进入管程若线程A的条件变量满足，则唤醒该变量等待队列中的线程，线程A离开管程，重新等待入口锁。线程A重回管程里，这段时间内线程A所需条件不一定仍是满足的，并且线程A会在wait（）的地方开始执行，并不是cong管程的第一行代码开始执行，所以wait（）操作要用while循环框起来。
Java内部的管程方案只能放一个条件变量，而Java SDK包中的支持多个。
并发编程的核心问题互斥和同步都可以用管程解决，所以管程是Java并发编程的万能钥匙。
七、Java并发的实现——线程
Java线程的生命状态：
NEW（初始化状态）
RUNNABLE（可运行 / 运行状态）
BLOCKED（阻塞状态）
WAITING（无时限等待）
TIMED_WAITING（有时限等待）
TERMINATED（终止状态）
它们的关系如下
Runnable->Blocked：线程等待synchronized
Runnable->Wating：1.获得锁后调用wait()方法。2，等待其他线程的结束（线程名.join()），3LockSupport.park（）方法
Runnable->Timed_Waiting：sleep（），wait（参数），join（参数），
LockSupport.parkNanos(Object blocker,long deadline)
LockSupport.parkUntil(longdeadline)。
New->Runnable：start（）
Runnable->Terminated：线程运行结束，stop()，interrupt()。（stop和interrupt的差别是stop方法无视线程的部分锁无释放，直接杀死，导致部分类型的锁无法释放。interrupt则是通知线程，线程有一定时间释放锁）
（可以使用线程dump来追踪并发bug，而线程的状态就是很好的依据。）
我们都知道并发是通过线程实现的，那么我们创建多少线程才算合适呢？
线程的本质就是提升效能，效能的提升有两种方法，一、算法优化 二、CPU与I/O利用率。
对于CPU密集型计算：线程的数量可以尝试设置成CPU核数+1
对于I/O密集型计算：线程数量CPU核数*[1+(I/O耗时 / CPU耗时)]
线程的数量并没有一个能直接计算出来的值，需要我们根据项目的类型进行尝试，公式只能作为一个计算的锚点，让我们离最优解相对近一些。
我们前面提到原子性的本质操作的中间状态对外不可见，因此方法中的局部变量也是线程安全的。
Java虚拟机会把方法放到Java方法栈中，一个线程就是一个栈，一个方法就是一个栈帧，当我们在方法A中调用方法B，在方法B中调用方法C（类似递归），那么每个方法就会作为一个栈帧，压入栈内，而方法里的局部变量就是栈帧中的值，局部变量和方法是同生共死，同时局部变量不会超出自身所在栈帧，因此局部变量不会共享，既然没有共享，就没并发bug。
我们创建的对象在堆上，局部变量在栈上，是因为堆上的对象可以越界访问栈帧上的局部变量。
这样的思路叫做线程封闭，变量只在所处线程上存在，不和其他变量共享，因此线程安全。在JDBC中也有这又的应用。数据库连接池保证，一个Connection对象被一个线程捕获后，不会再分配给其他线程，这样Connection就不会有并发问题。
八、面向对象的并发程序
利用封装，将共享变量封装作为对象属性封装在内部，对所有公共方法指定并发访问策略（互斥的访问公共方法）（管程MESA模型）。这就好比锁是座位票，位置是方法或代码块，但总要有些保安在门口检查座位票，要不然门票将变得没有意义。
共享变量间的条件设置，许多共享变量之间有条件限制，诸如，库存下限比上限小等。那么在代码设计的时候我们加上if条件，但又会因此出现竞态执行的问题。
因此我们在设计共享变量的时候，一定要注意它们之间的制约条件，同时避免竞态执行。
指定并发访问策略：1，避免共享 2，不变模式 3管程及其他并发工具
在使用其他并发工具时要注意：1，使用成熟的并发工具 2迫不得已才使用低级的同步原语 3避免过早优化。
注意事项：
锁应该是私有的，不可变的，不可重用的。
封装共享变量，控制并发访问路径，可以解决竞态执行
在触发 InterruptedException异常的同时，JVM 会同时把线程的中断标志位清除，因此在catch块重新设置，即重新调用interrupt方法。
内容总结
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