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  • 【死磕Java并发】----- 死磕 Java 并发精品合集

    万次阅读 多人点赞 2018-07-22 15:12:29
    【死磕 Java 并发】系列是 LZ 在 2017 年写的第一个死磕系列... 【死磕Java并发】—–深入分析synchronized 的实现原理 synchronized 可以保证方法或者代码块在运行时,同一时刻只有一个方法可以进入到临界区,同...

    原文出处:https://www.cmsblogs.com/category/1391296887813967872chenssy


    【死磕 Java 并发】系列是 LZ 在 2017 年写的第一个死磕系列,一直没有做一个合集,这篇博客则是将整个系列做一个概览。

    先来一个总览图:

    chenssy_juc_201712

    【高清图,请关注“Java技术驿站”公众号,回复:脑图JUC】

    【死磕Java并发】—–深入分析synchronized 的实现原理

    synchronized 可以保证方法或者代码块在运行时,同一时刻只有一个方法可以进入到临界区,同时它还可以保证共享变量的内存可见性。深入分析 synchronized 的内在实现机制,锁优化、锁升级过程。

    【死磕Java并发】—–深入分析volatile的实现原理

    volatile 可以保证线程可见性且提供了一定的有序性,但是无法保证原子性。在 JVM 底层 volatile 是采用“内存屏障”来实现的。这篇博文将带你分析 volatile 的本质

    【死磕Java并发】—–Java内存模型之happens-before

    happens-before 原则是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据,保证了多线程环境下的可见性。

    定义如下:

    1. 如果一个操作happens-before另一个操作,那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见,而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。
    2. 两个操作之间存在happens-before关系,并不意味着一定要按照happens-before原则制定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果与按照happens-before关系来执行的结果一致,那么这种重排序并不非法。

    【死磕Java并发】—–Java内存模型之重排序

    在执行程序时,为了提供性能,处理器和编译器常常会对指令进行重排序,但是不能随意重排序,不是你想怎么排序就怎么排序,它需要满足以下两个条件:

    • 在单线程环境下不能改变程序运行的结果;
    • 存在数据依赖关系的不允许重排序

    as-if-serial 语义保证在单线程环境下重排序后的执行结果不会改变。

    【死磕Java并发】—–Java内存模型之分析volatile

    volatile的内存语义是:

    • 当写一个 volatile 变量时,JMM 会把该线程对应的本地内存中的共享变量值立即刷新到主内存中。
    • 当读一个 volatile 变量时,JMM 会把该线程对应的本地内存设置为无效,直接从主内存中读取共享变量

    总是说 volatile 保证可见性,happens-before 是 JMM 实现可见性的基础理论,两者会碰撞怎样的火花?这篇博文给你答案。

    【死磕Java并发】—–Java内存模型之从JMM角度分析DCL

    DCL,即Double Check Lock,双重检查锁定。是实现单例模式比较好的方式,这篇博客告诉你 DCL 中为何要加 volatile 这个关键字。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:AQS简介

    AQS,AbstractQueuedSynchronizer,即队列同步器。它是构建锁或者其他同步组件的基础框架(如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore等),为 JUC 并发包中的核心基础组件。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:CLH同步队列

    前线程已经等待状态等信息构造成一个节点(Node)并将其加入到CLH同步队列,同时会阻塞当前线程,当同步状态释放时,会把首节点唤醒(公平锁),使其再次尝试获取同步状态。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:同步状态的获取与释放

    AQS的设计模式采用的模板方法模式,子类通过继承的方式,实现它的抽象方法来管理同步状态,对于子类而言它并没有太多的活要做,AQS提供了大量的模板方法来实现同步,主要是分为三类:独占式获取和释放同步状态、共享式获取和释放同步状态、查询同步队列中的等待线程情况。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:阻塞和唤醒线程

    当需要阻塞或者唤醒一个线程的时候,AQS 都是使用 LockSupport 这个工具类来完成。

    LockSupport是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之重入锁:ReentrantLock

    一个可重入的互斥锁定 Lock,它具有与使用 synchronized 方法和语句所访问的隐式监视器锁定相同的一些基本行为和语义,但功能更强大。ReentrantLock 将由最近成功获得锁定,并且还没有释放该锁定的线程所拥有。当锁定没有被另一个线程所拥有时,调用 lock 的线程将成功获取该锁定并返回。如果当前线程已经拥有该锁定,此方法将立即返回。可以使用 isHeldByCurrentThread()getHoldCount() 方法来检查此情况是否发生。

    这篇博客带你理解 重入锁:ReentrantLock 内在本质。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之读写锁:ReentrantReadWriteLock

    读写锁维护着一对锁,一个读锁和一个写锁。通过分离读锁和写锁,使得并发性比一般的排他锁有了较大的提升:在同一时间可以允许多个读线程同时访问,但是在写线程访问时,所有读线程和写线程都会被阻塞。

    读写锁的主要特性:

    • 公平性:支持公平性和非公平性。
    • 重入性:支持重入。读写锁最多支持65535个递归写入锁和65535个递归读取锁。
    • 锁降级:遵循获取写锁、获取读锁在释放写锁的次序,写锁能够降级成为读锁

    【死磕Java并发】—–J.U.C之Condition

    在没有Lock之前,我们使用synchronized来控制同步,配合Object的wait()、notify()系列方法可以实现等待/通知模式。在Java SE5后,Java提供了Lock接口,相对于Synchronized而言,Lock提供了条件Condition,对线程的等待、唤醒操作更加详细和灵活

    【死磕Java并发】—-深入分析CAS

    CAS,Compare And Swap,即比较并交换。Doug lea大神在同步组件中大量使用 CAS 技术鬼斧神工地实现了Java 多线程的并发操作。整个 AQS 同步组件、Atomic 原子类操作等等都是以 CAS 实现的。可以说CAS是整个JUC的基石。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之并发工具类:CyclicBarrier

    CyclicBarrier,一个同步辅助类。它允许一组线程互相等待,直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。在涉及一组固定大小的线程的程序中,这些线程必须不时地互相等待,此时 CyclicBarrier 很有用。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用,所以称它为循环 的 barrier。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之并发工具类:CountDownLatch

    CountDownLatch 所描述的是”在完成一组正在其他线程中执行的操作之前,它允许一个或多个线程一直等待“。

    用给定的计数 初始化 CountDownLatch。由于调用了 countDown() 方法,所以在当前计数到达零之前,await 方法会一直受阻塞。之后,会释放所有等待的线程,await 的所有后续调用都将立即返回。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之并发工具类:Semaphore

    Semaphore,信号量,是一个控制访问多个共享资源的计数器。从概念上讲,信号量维护了一个许可集。如有必要,在许可可用前会阻塞每一个 acquire(),然后再获取该许可。每个 release() 添加一个许可,从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是,不使用实际的许可对象,Semaphore 只对可用许可的号码进行计数,并采取相应的行动。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之并发工具类:Exchanger

    可以在对中对元素进行配对和交换的线程的同步点。每个线程将条目上的某个方法呈现给 exchange 方法,与伙伴线程进行匹配,并且在返回时接收其伙伴的对象。Exchanger 可能被视为 SynchronousQueue 的双向形式。Exchanger 可能在应用程序(比如遗传算法和管道设计)中很有用。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之Java并发容器:ConcurrentHashMap

    ConcurrentHashMap 作为 Concurrent 一族,其有着高效地并发操作。在1.8 版本以前,ConcurrentHashMap 采用分段锁的概念,使锁更加细化,但是 1.8 已经改变了这种思路,而是利用 CAS + Synchronized 来保证并发更新的安全,当然底层采用数组+链表+红黑树的存储结构。这篇博客带你彻底理解 ConcurrentHashMap。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之ConcurrentHashMap红黑树转换分析

    在 1.8 ConcurrentHashMap 的put操作中,如果发现链表结构中的元素超过了TREEIFY_THRESHOLD(默认为8),则会把链表转换为红黑树,已便于提高查询效率。那么具体的转换过程是怎么样的?这篇博客给你答案。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之Java并发容器:ConcurrentLinkedQueue

    ConcurrentLinkedQueue是一个基于链接节点的无边界的线程安全队列,它采用FIFO原则对元素进行排序。采用“wait-free”算法(即CAS算法)来实现的。

    CoucurrentLinkedQueue规定了如下几个不变性:

    1. 在入队的最后一个元素的next为null
    2. 队列中所有未删除的节点的item都不能为null且都能从head节点遍历到
    3. 对于要删除的节点,不是直接将其设置为null,而是先将其item域设置为null(迭代器会跳过item为null的节点)
    4. 允许head和tail更新滞后。这是什么意思呢?意思就说是head、tail不总是指向第一个元素和最后一个元素(后面阐述)。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之Java并发容器:ConcurrentSkipListMap

    我们在Java世界里看到了两种实现key-value的数据结构:Hash、TreeMap,这两种数据结构各自都有着优缺点。

    • Hash表:插入、查找最快,为O(1);如使用链表实现则可实现无锁;数据有序化需要显式的排序操作。
    • 红黑树:插入、查找为O(logn),但常数项较小;无锁实现的复杂性很高,一般需要加锁;数据天然有序。

    这里介绍第三种实现 key-value 的数据结构:SkipList。SkipList 有着不低于红黑树的效率,但是其原理和实现的复杂度要比红黑树简单多了。

    ConcurrentSkipListMap 其内部采用 SkipLis 数据结构实现。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之阻塞队列:ArrayBlockingQueue

    ArrayBlockingQueue,一个由数组实现的有界阻塞队列。该队列采用FIFO的原则对元素进行排序添加的。

    ArrayBlockingQueue 为有界且固定,其大小在构造时由构造函数来决定,确认之后就不能再改变了。ArrayBlockingQueue 支持对等待的生产者线程和使用者线程进行排序的可选公平策略,但是在默认情况下不保证线程公平的访问,在构造时可以选择公平策略(fair = true)。公平性通常会降低吞吐量,但是减少了可变性和避免了“不平衡性”。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之阻塞队列:PriorityBlockingQueue

    PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列。默认情况下元素采用自然顺序升序排序,当然我们也可以通过构造函数来指定Comparator来对元素进行排序。需要注意的是PriorityBlockingQueue不能保证同优先级元素的顺序。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之阻塞队列:DelayQueue

    DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。里面的元素全部都是“可延期”的元素,列头的元素是最先“到期”的元素,如果队列里面没有元素到期,是不能从列头获取元素的,哪怕有元素也不行。也就是说只有在延迟期到时才能够从队列中取元素。

    DelayQueue主要用于两个方面:

    • 缓存:清掉缓存中超时的缓存数据
    • 任务超时处理

    【死磕Java并发】—–J.U.C之阻塞队列:SynchronousQueue

    SynchronousQueue与其他BlockingQueue有着不同特性:

    1. SynchronousQueue没有容量。与其他BlockingQueue不同,SynchronousQueue是一个不存储元素的BlockingQueue。每一个put操作必须要等待一个take操作,否则不能继续添加元素,反之亦然。
    2. 因为没有容量,所以对应 peek, contains, clear, isEmpty … 等方法其实是无效的。例如clear是不执行任何操作的,contains始终返回false,peek始终返回null。
    3. SynchronousQueue分为公平和非公平,默认情况下采用非公平性访问策略,当然也可以通过构造函数来设置为公平性访问策略(为true即可)。
    4. 若使用 TransferQueue, 则队列中永远会存在一个 dummy node(这点后面详细阐述)。

    SynchronousQueue非常适合做交换工作,生产者的线程和消费者的线程同步以传递某些信息、事件或者任务。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之阻塞队列:LinkedTransferQueue

    LinkedTransferQueue 是基于链表的 FIFO 无界阻塞队列,它出现在 JDK7 中。Doug Lea 大神说 LinkedTransferQueue 是一个聪明的队列。它是 ConcurrentLinkedQueue、SynchronousQueue (公平模式下)、无界的LinkedBlockingQueues 等的超集。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之阻塞队列:LinkedBlockingDeque

    LinkedBlockingDeque 是一个由链表组成的双向阻塞队列,双向队列就意味着可以从对头、对尾两端插入和移除元素,同样意味着 LinkedBlockingDeque 支持 FIFO、FILO 两种操作方式。

    LinkedBlockingDeque 是可选容量的,在初始化时可以设置容量防止其过度膨胀,如果不设置,默认容量大小为 Integer.MAX_VALUE。

    【死磕Java并发】—–深入分析ThreadLocal

    ThreadLocal 提供了线程局部 (thread-local) 变量。这些变量不同于它们的普通对应物,因为访问某个变量(通过其get 或 set 方法)的每个线程都有自己的局部变量,它独立于变量的初始化副本。ThreadLocal实例通常是类中的 private static 字段,它们希望将状态与某一个线程(例如,用户 ID 或事务 ID)相关联。

    所以ThreadLocal与线程同步机制不同,线程同步机制是多个线程共享同一个变量,而ThreadLocal是为每一个线程创建一个单独的变量副本,故而每个线程都可以独立地改变自己所拥有的变量副本,而不会影响其他线程所对应的副本。可以说ThreadLocal为多线程环境下变量问题提供了另外一种解决思路。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之线程池:ThreadPoolExecutor

    鼎鼎大名的线程池。不需要多说!!!

    这篇博客深入分析 Java 中线程池的实现。

    【死磕Java并发】—–J.U.C之线程池:ScheduledThreadPoolExecutor

    ScheduledThreadPoolExecutor 是实现线程的周期、延迟调度的。

    ScheduledThreadPoolExecutor,继承 ThreadPoolExecutor 且实现了 ScheduledExecutorService 接口,它就相当于提供了“延迟”和“周期执行”功能的 ThreadPoolExecutor。在JDK API中是这样定义它的:ThreadPoolExecutor,它可另行安排在给定的延迟后运行命令,或者定期执行命令。需要多个辅助线程时,或者要求 ThreadPoolExecutor 具有额外的灵活性或功能时,此类要优于 Timer。 一旦启用已延迟的任务就执行它,但是有关何时启用,启用后何时执行则没有任何实时保证。按照提交的先进先出 (FIFO) 顺序来启用那些被安排在同一执行时间的任务。


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  • 当然这些都是并发编程的基本知识,除了使用这些工具以外,Java并发编程中涉及到的技术原理十分丰富。为了更好地把并发知识形成一个体系,也鉴于本人没有能力写出这类文章,于是参考几位并发编程专家的博客和书籍,做...

     

    这里不仅仅是指使用简单的多线程编程,或者使用juc的某个类。当然这些都是并发编程的基本知识,除了使用这些工具以外,Java并发编程中涉及到的技术原理十分丰富。为了更好地把并发知识形成一个体系,也鉴于本人没有能力写出这类文章,于是参考几位并发编程专家的博客和书籍,做一个简单的整理。

     

    一:并发基础和多线程

    首先需要学习的就是并发的基础知识,什么是并发,为什么要并发,多线程的概念,线程安全的概念等。

    然后学会使用Java中的Thread或是其他线程实现方法,了解线程的状态转换,线程的方法,线程的通信方式等。

     

    二:JMM内存模型

    任何语言最终都是运行在处理器上,JVM虚拟机为了给开发者一个一致的编程内存模型,需要制定一套规则,这套规则可以在不同架构的机器上有不同实现,并且向上为程序员提供统一的JMM内存模型。

    所以了解JMM内存模型也是了解Java并发原理的一个重点,其中了解指令重排,内存屏障,以及可见性原理尤为重要。

    JMM只保证happens-before和as-if-serial规则,所以在多线程并发时,可能出现原子性,可见性以及有序性这三大问题。

    下面的内容则会讲述Java是如何解决这三大问题的。

     

    三:synchronized,volatile,final等关键字

    对于并发的三大问题,volatile可以保证原子性和可见性,synchronized三种特性都可以保证(允许指令重排)。

    synchronized是基于操作系统的mutex lock指令实现的,volatile和final则是根据JMM实现其内存语义。

    此处还要了解CAS操作,它不仅提供了类似volatile的内存语义,并且保证操作原子性,因为它是由硬件实现的。

    JUC中的Lock底层就是使用volatile加上CAS的方式实现的。synchronized也会尝试用cas操作来优化器重量级锁。

    了解这些关键字是很有必要的。

     

    四:JUC包

    在了解完上述内容以后,就可以看看JUC的内容了。

    JUC提供了包括Lock,原子操作类,线程池,同步容器,工具类等内容。

    这些类的基础都是AQS,所以了解AQS的原理是很重要的。

    除此之外,还可以了解一下Fork/Join,以及JUC的常用场景,比如生产者消费者,阻塞队列,以及读写容器等。

     

    五:实践

    上述这些内容,除了JMM部分的内容比较不好实现之外,像是多线程基本使用,JUC的使用都可以在代码实践中更好地理解其原理。多尝试一些场景,或者在网上找一些比较经典的并发场景,或者参考别人的例子,在实践中加深理解,还是很有必要的。

     

     

    六:补充

    由于很多Java新手可能对并发编程没什么概念,在这里放一篇不错的总结,简要地提几个并发编程中比要重要的点,也是比较基本的点吗,算是抛砖引玉,开个好头,在大致了解了这些基础内容以后,才能更好地开展后面详细内容的学习。

     

    1.并发编程三要素

    • 原子性
      原子,即一个不可再被分割的颗粒。在Java中原子性指的是一个或多个操作要么全部执行成功要么全部执行失败。
    • 有序性
      程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。(处理器可能会对指令进行重排序)
    • 可见性
      当多个线程访问同一个变量时,如果其中一个线程对其作了修改,其他线程能立即获取到最新的值。

    2. 线程的五大状态

    • 创建状态
      当用 new 操作符创建一个线程的时候
    • 就绪状态
      调用 start 方法,处于就绪状态的线程并不一定马上就会执行 run 方法,还需要等待CPU的调度
    • 运行状态
      CPU 开始调度线程,并开始执行 run 方法
    • 阻塞状态
      线程的执行过程中由于一些原因进入阻塞状态
      比如:调用 sleep 方法、尝试去得到一个锁等等​​
    • 死亡状态
      run 方法执行完 或者 执行过程中遇到了一个异常

    3.悲观锁与乐观锁

    • 悲观锁:每次操作都会加锁,会造成线程阻塞。
    • 乐观锁:每次操作不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止,不会造成线程阻塞。​

    4.线程之间的协作

    4.1 wait/notify/notifyAll

    这一组是 Object 类的方法
    需要注意的是:这三个方法都必须在同步的范围内调用​

    • wait
      阻塞当前线程,直到 notify 或者 notifyAll 来唤醒​​​​

      
      wait有三种方式的调用
      wait()
      必要要由 notify 或者 notifyAll 来唤醒​​​​
      wait(long timeout)
      在指定时间内,如果没有notify或notifAll方法的唤醒,也会自动唤醒。
      wait(long timeout,long nanos)
      本质上还是调用一个参数的方法
      public final void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException {
            if (timeout < 0) {
                   throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
             }
            if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
                    throw new IllegalArgumentException(
                   "nanosecond timeout value out of range");
             }
             if (nanos > 0) {
                   timeout++;
             }
             wait(timeout);
      }
                    ​
      
      • notify
        只能唤醒一个处于 wait 的线程
      • notifyAll
        唤醒全部处于 wait 的线程

    4.2 sleep/yield/join

    这一组是 Thread 类的方法

    • sleep
      让当前线程暂停指定时间,只是让出CPU的使用权,并不释放锁

    • yield
      暂停当前线程的执行,也就是当前CPU的使用权,让其他线程有机会执行,不能指定时间。会让当前线程从运行状态转变为就绪状态,此方法在生产环境中很少会使用到,​​​官方在其注释中也有相关的说明

      
            /**
            * A hint to the scheduler that the current thread is willing to yield
            * its current use of a processor. The scheduler is free to ignore this
            * hint.
            *
            * <p> Yield is a heuristic attempt to improve relative progression
            * between threads that would otherwise over-utilise a CPU. Its use
            * should be combined with detailed profiling and benchmarking to
            * ensure that it actually has the desired effect.
            *
            * <p> It is rarely appropriate to use this method. It may be useful
            * for debugging or testing purposes, where it may help to reproduce
            * bugs due to race conditions. It may also be useful when designing
            * concurrency control constructs such as the ones in the
            * {@link java.util.concurrent.locks} package.
            */​​
            ​​​​
      
    • join
      等待调用 join 方法的线程执行结束,才执行后面的代码
      其调用一定要在 start 方法之后(看源码可知)​
      使用场景:当父线程需要等待子线程执行结束才执行后面内容或者需要某个子线程的执行结果会用到 join 方法​

    5.valitate 关键字

    5.1 定义

    java编程语言允许线程访问共享变量,为了确保共享变量能被准确和一致的更新,线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。Java语言提供了volatile,在某些情况下比锁更加方便。如果一个字段被声明成volatile,java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

    valitate是轻量级的synchronized,不会引起线程上下文的切换和调度,执行开销更小。

    5.2 原理

    1. 使用volitate修饰的变量在汇编阶段,会多出一条lock前缀指令
    2. 它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置,也不会把前面的指令排到内存屏障的后面;即在执行到内存屏障这句指令时,在它前面的操作已经全部完成
    3. 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存
    4. 如果是写操作,它会导致其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效

    5.3 作用

    内存可见性
    多线程操作的时候,一个线程修改了一个变量的值 ,其他线程能立即看到修改后的值
    防止重排序
    即程序的执行顺序按照代码的顺序执行(处理器为了提高代码的执行效率可能会对代码进行重排序)

    并不能保证操作的原子性(比如下面这段代码的执行结果一定不是100000)

    
        public class testValitate {
        public volatile int inc = 0;
        public void increase() {
            inc = inc + 1;
        }
        public static void main(String[] args) {
            final testValitate test = new testValitate();
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                new Thread() {
                    public void run() {
                        for (int j = 0; j < 1000; j++)
                            test.increase();
                    }
                }.start();
            }
            while (Thread.activeCount() > 2) {  //保证前面的线程都执行完
                Thread.yield();
            }
            System.out.println(test.inc);
         }
       }
    

    6. synchronized 关键字

    确保线程互斥的访问同步代码

    6.1 定义

    synchronized 是JVM实现的一种锁,其中锁的获取和释放分别是
    monitorenter 和 monitorexit 指令,该锁在实现上分为了偏向锁、轻量级锁和重量级锁,其中偏向锁在 java1.6 是默认开启的,轻量级锁在多线程竞争的情况下会膨胀成重量级锁,有关锁的数据都保存在对象头中

    6.2 原理

    加了 synchronized 关键字的代码段,生成的字节码文件会多出 monitorenter 和 monitorexit 两条指令(利用javap -verbose 字节码文件可看到关,关于这两条指令的文档如下:

    • monitorenter
      Each object is associated with a monitor. A monitor is locked if and only if it has an owner. The thread that executes monitorenter attempts to gain ownership of the monitor associated with objectref, as follows:
      • If the entry count of the monitor associated with objectref is zero, the thread enters the monitor and sets its entry count to one. The thread is then the owner of the monitor.
      • If the thread already owns the monitor associated with objectref, it reenters the monitor, incrementing its entry count.
      • If another thread already owns the monitor associated with objectref, the thread blocks until the monitor's entry count is zero, then tries again to gain ownership.​

    • monitorexit
      The thread that executes monitorexit must be the owner of the monitor associated with the instance referenced by objectref.
      The thread decrements the entry count of the monitor associated with objectref. If as a result the value of the entry count is zero, the thread exits the monitor and is no longer its owner. Other threads that are blocking to enter the monitor are allowed to attempt to do so.​​

    加了 synchronized 关键字的方法,生成的字节码文件中会多一个 ACC_SYNCHRONIZED 标志位,当方法调用时,调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置,如果设置了,执行线程将先获取monitor,获取成功之后才能执行方法体,方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间,其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。 其实本质上没有区别,只是方法的同步是一种隐式的方式来实现,无需通过字节码来完成。

    6.3 关于使用

    • 修饰普通方法
      同步对象是实例对象
    • 修饰静态方法
      同步对象是类本身
    • 修饰代码块
      可以自己设置同步对象​

    6.4 缺点

    会让没有得到锁的资源进入Block状态,争夺到资源之后又转为Running状态,这个过程涉及到操作系统用户模式和内核模式的切换,代价比较高。Java1.6为 synchronized 做了优化,增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过度,但是在最终转变为重量级锁之后,性能仍然较低。

    7. CAS

    AtomicBoolean,AtomicInteger,AtomicLong以及 Lock 相关类等底层就是用 CAS实现的,在一定程度上性能比 synchronized 更高。

    7.1 什么是CAS

    CAS全称是Compare And Swap,即比较替换,是实现并发应用到的一种技术。操作包含三个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值 。否则,处理器不做任何操作。

    7.2 为什么会有CAS

    如果只是用 synchronized 来保证同步会存在以下问题
    synchronized 是一种悲观锁,在使用上会造成一定的性能问题。在多线程竞争下,加锁、释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时,引起性能问题。一个线程持有锁会导致其它所有需要此锁的线程挂起。

    7.3 实现原理

    Java不能直接的访问操作系统底层,是通过native方法(JNI)来访问。CAS底层通过Unsafe类实现原子性操作。

    7.4 存在的问题

    • ABA问题
      什么是ABA问题?比如有一个 int 类型的值 N 是 1
      此时有三个线程想要去改变它:
      线程A ​​:希望给 N 赋值为 2
      线程B: 希望给 N 赋值为 2
      线程C: 希望给 N 赋值为 1​​
      此时线程A和线程B同时获取到N的值1,线程A率先得到系统资源,将 N 赋值为 2,线程 B 由于某种原因被阻塞住,线程C在线程A执行完后得到 N 的当前值2
      此时的线程状态
      线程A成功给 N 赋值为2
      线程B获取到 N 的当前值 1 希望给他赋值为 2,处于阻塞状态
      线程C获取当好 N 的当前值 2 ​​​​​希望给他赋值为1
      ​​
      然后线程C成功给N赋值为1
      ​最后线程B得到了系统资源,又重新恢复了运行状态,​在阻塞之前线程B获取到的N的值是1,执行compare操作发现当前N的值与获取到的值相同(均为1),成功将N赋值为了2。

      在这个过程中线程B获取到N的值是一个旧值​​,虽然和当前N的值相等,但是实际上N的值已经经历了一次 1到2到1的改变
      上面这个例子就是典型的ABA问题​
      怎样去解决ABA问题
      给变量加一个版本号即可,在比较的时候不仅要比较当前变量的值 还需要比较当前变量的版本号。Java中AtomicStampedReference 就解决了这个问题
    • 循环时间长开销大
      在并发量比较高的情况下,如果许多线程反复尝试更新某一个变量,却又一直更新不成功,循环往复,会给CPU带来很大的压力。

    CAS只能保证一个共享变量的原子操作

    8. AbstractQueuedSynchronizer(AQS)

    AQS抽象的队列式同步器,是一种基于状态(state)的链表管理方式。state 是用CAS去修改的。它是 java.util.concurrent 包中最重要的基石,要学习想学习 java.util.concurrent 包里的内容这个类是关键。 ReentrantLock​、CountDownLatcher、Semaphore 实现的原理就是基于AQS。想知道他怎么实现以及实现原理 可以参看这篇文章https://www.cnblogs.com/waterystone/p/4920797.html

    9. Future

    在并发编程我们一般使用Runable去执行异步任务,然而这样做我们是不能拿到异步任务的返回值的,但是使用Future 就可以。使用Future很简单,只需把Runable换成FutureTask即可。使用上比较简单,这里不多做介绍。

    10. 线程池

    如果我们使用线程的时候就去创建一个线程,虽然简单,但是存在很大的问题。如果并发的线程数量很多,并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了,这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率,因为频繁创建线程和销毁线程需要时间。线程池通过复用可以大大减少线程频繁创建与销毁带来的性能上的损耗。

    Java中线程池的实现类 ThreadPoolExecutor,其构造函数的每一个参数的含义在注释上已经写得很清楚了,这里几个关键参数可以再简单说一下

    • corePoolSize :核心线程数即一直保留在线程池中的线程数量,即使处于闲置状态也不会被销毁。要设置 allowCoreThreadTimeOut 为 true,才会被销毁。
    • maximumPoolSize:线程池中允许存在的最大线程数
    • keepAliveTime :非核心线程允许的最大闲置时间,超过这个时间就会本地销毁。
    • workQueue:用来存放任务的队列。
      • SynchronousQueue:这个队列会让新添加的任务立即得到执行,如果线程池中所有的线程都在执行,那么就会去创建一个新的线程去执行这个任务。当使用这个队列的时候,maximumPoolSizes一般都会设置一个最大值 Integer.MAX_VALUE
      • LinkedBlockingQueue:这个队列是一个无界队列。怎么理解呢,就是有多少任务来我们就会执行多少任务,如果线程池中的线程小于corePoolSize ,我们就会创建一个新的线程去执行这个任务,如果线程池中的线程数等于corePoolSize,就会将任务放入队列中等待,由于队列大小没有限制所以也被称为无界队列。当使用这个队列的时候 maximumPoolSizes 不生效(线程池中线程的数量不会超过corePoolSize),所以一般都会设置为0。
      • ArrayBlockingQueue:这个队列是一个有界队列。可以设置队列的最大容量。当线程池中线程数大于或者等于 maximumPoolSizes 的时候,就会把任务放到这个队列中,当当前队列中的任务大于队列的最大容量就会丢弃掉该任务交由 RejectedExecutionHandler 处理。

    最后,本文主要对Java并发编程开发需要的知识点作了简单的讲解,这里每一个知识点都可以用一篇文章去讲解,由于篇幅原因不能对每一个知识点都详细介绍,我相信通过本文你会对Java的并发编程会有更近一步的了解。如果您发现还有缺漏或者有错误的地方,可以在评论区补充,谢谢。

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  • [超级链接:Java并发学习系列-绪论] 本章主要对Java并发(Concurrent)在不同jdk版本中的发展简史进行学习。 Java语言从第一版本至今,内置了对并发(Concurrent)的各种支持技术。 为了能够让我们在学习Java并发...

    [超级链接:Java并发学习系列-绪论]

    本章主要对Java并发(Concurrent)在不同jdk版本中的发展简史进行学习。

    Java语言从第一版本至今,内置了对并发(Concurrent)的各种支持技术。

    为了能够让我们在学习Java并发(Concurrent)时,不被各种各样的并发技术弄得晕头转向,本章先对Java个版本中的主要并发技术进行简述。

    注:由于时间有限,如果哪里有误,请指出,谢谢!

    1.JDK1.4及之前

    在JDK1.4及之前的版本,主要提供的并发技术有:

    • synchronized关键字
    • volatile关键字
    • 不变模式

    1.1.volatile关键字

    引用百度百科的解释:

    volatile是一个类型修饰符(type specifier),就像大家更熟悉的const一样,它是被设计用来修饰被不同线程访问和修改的变量。volatile的作用是作为指令关键字,确保本条指令不会因编译器的优化而省略,且要求每次直接读值。

    注:百度百科的解释并不是专门针对java语音中的volatile,而是C语音,不过其设计思想类型,可以拿来借鉴。

    更通俗易懂的说法,在Java语音中,使用volatile关键字的目的:

    • 标识这个变量是易变型变量
    • 保证这个变量的可见性
    • 保证一定的有序性

    volatile关键字还涉及到JMM(Java内存模型,Java Memory Model)以及并发的三个特性(原子性、有序性和可见性),关于volatile关键字的更多内容,计划在后续章节中进行更加详细的学习。

    1.2.synchronized关键字

    引用百度百科的一段解释:

    synchronized 关键字,代表这个方法(或代码块)加锁,相当于不管哪一个线程(例如线程A),运行到这个方法时,都要检查有没有其它线程B(或者C、 D等)正在用这个方法(或者该类的其他同步方法),有的话要等正在使用synchronized方法的线程B(或者C 、D)运行完这个方法后再运行此线程A,没有的话,锁定调用者,然后直接运行。它包括两种用法:synchronized 方法synchronized 代码块

    简单来说,synchronized关键字以同步方法和同步代码块的方式,方法和代码块上的对象加锁使得同一时刻,在这个对象上的多个线程,只能由持有这个对象锁的单个线程进行代码的调用执行。

    synchronized 关键字能够保证代码的原子性、可见性和有序性

    关于synchronized关键字的更多内容,计划在后续章节中进行更加详细的学习。

    1.3.不变模式

    所谓不变模式,就是指:在并发编程中,为确保数据的一致性和正确性,使用一种不可改变的对象。依靠其不可变的性质,来确保在没有同步的情况下依旧保持一致性和正确性。

    Java中不变模式相关技术有:

    • final关键字
    • String类型

    关于不变模式,就简单进行这些介绍。如果感兴趣,可以自行学习。

    2.JDK5

    众所周知,JDK5是Java发展的一个重要版本,提供了很多技术,如泛型 Generic枚举类型 Enumeration可变参数varargs注解 Annotations等等。

    在JDK1.5版本中,也提供了对并发编程极为重要的一个包:java.util.concurrent(并发包)

    java.util.concurrent(并发包)提供了一些列较为给力的并发技术,主要有:

    • 原子(Atomic)类型:如AtomicInteger、AtomicReference等,保证变量的原子性和可见性
    • 显式锁(Lock)接口:对之前版本锁机制的重构,相较于synchronized 关键字,能够提供更加灵活的特性,如:能够指定锁定公平性、可以实现分组唤醒(Condition)、性能更好的锁。主要包括:Lock接口、ReadWriteLock接口和Condition接口
    • 计数器(CountDownLatch):利用它可以实现类似计数器的功能。比如有一个任务A,它要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行。
    • 回环栅栏(CyclicBarrier):通过它可以实现让一组线程等待至某个状态之后再全部同时执行。叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后,CyclicBarrier可以被重用。
    • 信号量(Semaphore):Semaphore可以控同时访问的线程个数,通过 acquire() 获取一个许可,如果没有就等待,而 release() 释放一个许可。
    • 并发集合:即集合类在并发环境下的版本。主要有:BlockingQueue(Queue)、ConcurrentMap(Map)、ConcurrentHashMap(HashMap)、CopyOnWriteArrayList(ArrayList)。
    • Callable和Future接口:为了解决继承Thread类实现Runnable接口存在的弊端(不允许声明检查型异常,不能定义返回值),而引入的线程的新的定义方式。
    • 执行器(Executor接口):Executors相关类隐藏了如何处理Runnable的细节,提供了一组方法,能够创建拥有完善配置的线程池和executor。

    关于原子(Atomic)类型、显式锁(Lock)接口、并发集合、Callable和Future接口、执行器(Executor接口)的更多内容,计划在后续章节中进行更加详细的学习。

    3.JDK7

    在JDK1.7版本中,主要提供的并发编程技术有:

    • TransferQueue:比BlockingQueue性能更好的并发集合实现。
    • 分支合并(Fork/Join)框架:运用分治法(divide-and-conquer)的思想,实现线程池中任务的自动调度,并且这种调度对用户来说是透明的,典型应用ForkJoinPool。

    关于分支合并(Fork/Join)框架的更多内容,计划在后续章节中进行更加详细的学习。

    4.JDK8

    在JDK.18版本中,主要提供的并发编程技术有:

    • 加法器(Adder)和累加器(Accumulator):原子类型的扩充与优化,主要有:LongAdder、LongAccumulator、DoubleAdder和DoubleAccumulator,比AtomicLong和AtomicDouble性能更优。
    • CompletableFuture:JDK5中Future的增强版。
    • StampedLock:JDK5中ReadWriteLock的改进版。

    参考文献

    [1] 关于Java并发编程的总结和思考
    [2] Java并发编程:CountDownLatch、CyclicBarrier和 Semaphore
    [3] Callable接口、Runable接口、Future接口
    [4] Java并发编程:CountDownLatch、CyclicBarrier和 Semaphore
    [5] 高并发Java(10):JDK8对并发的新支持

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