Java进阶之并发编程——《我的Java打怪日记》

2021-08-26 22:20:48

1. 概述

  • 三种性质
    • 可见性：一个线程对共享变量的修改，另一个线程能立刻看到。缓存可导致可见性问题。
    • 原子性：一个或多个CPU执行操作不被中断。线程切换可导致原子性问题。
    • 有序性：编译器优化可能导致指令顺序发生改变。编译器优化可能导致有序性问题。
  • 三个问题
    • 安全性问题：线程安全
    • 活跃性问题：死锁、活锁、饥饿
    • 性能问题：
      • 使用无锁结构：TLS，Copy-On-Write，乐观锁；Java的原子类，Disruptor无锁队列
      • 减少锁的持有时间：让锁细粒度。如ConcurrentHashmap；再如读写锁，读无锁写有锁

2. Java内存模型

  • volatile
    • C语言中的原意：禁用CPU缓存，从内存中读出和写入。
    • Java语言的引申义：
      • Java会将变量立刻写入内存，其他线程读取时直接从内存读（普通变量改变后，什么时候写入内存是不一定的）
      • 禁止指令重排序
    • 解决问题：
      • 保证可见性
      • 保证有序性
      • 不能保证原子性
  • Happens-Before规则（H-B）
    • 程序顺序性规则：前面执行的语句对后面语句可见
    • volatile变量规则：volatile变量的写操作对后续的读操作可见
    • 传递性规则：A H-B B，B H-B C，那么A H-B C
    • 管程中锁的规则：对一个锁的解锁 H-B于 后续对这个锁的加锁

3. 互斥锁sychronized

  • 锁对象：非静态this，静态Class，括号Object参数
  • 预防死锁：
    • 互斥：不能破坏
    • 占有且等待：同时申请所有资源
    • 不可抢占：sychronized解决不了，Lock可以解决
    • 循环等待：给资源设置id字段，每次都是按顺序申请锁
  • 等待通知机制：
    • wait、notify、notifyAll
class Allocator {
  private List<Object> als;
  // 一次性申请所有资源
  synchronized void apply(
    Object from, Object to){
    // 经典写法
    while(als.contains(from) ||
         als.contains(to)){
      try{
        wait();
      }catch(Exception e){
      }   
    } 
    als.add(from);
    als.add(to);  
  }
  // 归还资源
  synchronized void free(
    Object from, Object to){
    als.remove(from);
    als.remove(to);
    notifyAll();
  }
}


4. 线程的生命周期

  • 通用线程的生命周期：
  • Java进阶之并发编程——《我的Java打怪日记》
  • Java线程的生命周期：
  • Java进阶之并发编程——《我的Java打怪日记》
  • 状态流转：
    • RUNNABLE -- BLOCKED：线程获取和等待sychronized隐式锁
      • ps：调用阻塞式API时，不会进入BLOCKED状态，但对于操作系统而言，线程实际上进入了休眠态，只不过JVM不关心。
    • RUNNABLE -- WAITING：
      • Object.wait()
      • Thread.join()
      • LockSupport.park()
    • RUNNABLE -- TIMED-WAITING：调用各种带超时参数的线程方法
    • NEW -- RUNNABLE：Thread.start()
    • RUNNABLE -- TERMINATED：线程运行完毕，有异常抛出，或手动调用线程stop()

6. 线程的性能指标

  • 延迟：发出请求到收到响应
  • 吞吐量：单位时间内处理的请求数量
  • 最佳线程数：
    • CPU密集型：线程数 = CPU核数 + 1
    • IO密集型：线程数 = （IO耗时/CPU耗时 + 1）* CPU核数
    • Java进阶之并发编程——《我的Java打怪日记》

7. JDK并发包

  • Lock：lock、unlock
    • 互斥锁，和sychronized一样的功能，里面能保证可见性
  • Condition：await、signal
    • 条件，相比于sychronized的Object.wait，Condition可以实现多条件唤醒等待机制
  • Semaphore：acquire、release
    • 信号量，可以用来实现多个线程访问一个临界区，如实现对象池设计中的限流器
  • ReadWriteLock：readLock、writeLock
    • 写锁、读锁，允许多线程读，一个线程写，写锁持有时所有读锁和写锁的获取都阻塞（写锁的获取要等所有读写锁释放）
    • 适用于读多写少的场景
  • StampedLock：tryOptimisticRead、validate
    • 写锁、读锁（分悲观读锁、乐观读锁）：
  • 线程同步：
    • CountDownLatch：一个线程等待多个线程
      • 初始化 --> countDown（减1） --> await（等待为0）
    • CyclicBarrier：一组线程之间相互等待
      • 初始化 --> 设置回调函数（为0时执行，并返回原始值） -->  await（减1并等待为0）
  • 并发容器：
    • List：
      • CopyOnWriteArrayList：适用写少的场景，要容忍可能的读不一致
    • Map：
      • ConcurrentHashMap：分段锁
      • ConcurrentSkipListMap：跳表
    • Set：
      • CopyOnWriteArraySet：同上
      • ConcurrentSkipListSet：同上
    • Queue：
      • 分类：阻塞Blocking、单端Queue、双端Deque
      • 单端阻塞（BlockingQueue）：Array～、Linked～、Sychronized～、LinkedTransfer～、Priority～、Delay～
      • 双端阻塞（BlockingDeque）：Linked～
      • 单端非阻塞（Queue）：ConcurrentLinked～
      • 双端非阻塞（Deque）：ConcurrentLinked～
  • 原子类：
    • 无锁方案原理：增加了硬件支持，即CPU的CAS指令
    • ABA问题：有解决ABA问题的需求时，增加一个递增的版本号纬度化解
    • 分类：原子化基本数据类型，原子化引用类型、原子化数组、原子化对象属性更新器、原子化累加器
  • Future：
    • Future：cancel、isCanceled、isDone、get
    • FutureTask：实现了Runnable和Future接口
  • 强大工具类
    • CompletableFuture：一个强大的异步编程工具类（任务之间有聚合关系），暂时略
    • CompletionService：批量并行任务，暂时略

8. 线程池

  • 设计原理：
    • 用生产者消费者模型，线程池是消费者，调用者是生产者。
    • 线程池对象里维护一个阻塞队列，一个已经跑起来的工作线程组ThreadsList
    • ThreadList里面循环从队列中去Runnable任务，并调用run方法
// 简化的线程池，仅用来说明工作原理
class MyThreadPool{
  // 利用阻塞队列实现生产者 - 消费者模式
  BlockingQueue<Runnable> workQueue;
  // 保存内部工作线程
  List<WorkerThread> threads
    = new ArrayList<>();
  // 构造方法
  MyThreadPool(int poolSize,
    BlockingQueue<Runnable> workQueue){
    this.workQueue = workQueue;
    // 创建工作线程
    for(int idx=0; idx<poolSize; idx++){
      WorkerThread work = new WorkerThread();
      work.start();
      threads.add(work);
    }
  }
  // 提交任务
  void execute(Runnable command){
    workQueue.put(command);
  }
  // 工作线程负责消费任务，并执行任务
  class WorkerThread extends Thread{
    public void run() {
      // 循环取任务并执行
      while(true){ ①
        Runnable task = workQueue.take();
        task.run();
      }
    }
  }
}

/** 下面是使用示例 **/
// 创建有界阻塞队列
BlockingQueue<Runnable> workQueue =
  new LinkedBlockingQueue<>(2);
// 创建线程池
MyThreadPool pool = new MyThreadPool(
  10, workQueue);
// 提交任务
pool.execute(()->{
    System.out.println("hello");
});


  • ThreadPoolExcutor
    • 参数
      • corePoolSize：线程池保有的最小线程数
      • maximumPoolSize：线程池创建的最大线程数
      • keepAliveTime：工作线程多久没收到任务，被认为是闲的
      • workQueue：工作队列
      • threadFactory：通过这个参数自定义如何创建线程
      • handler：任务拒绝策略
        • 默认为AbortPolicy，会抛出RejectedExecutionException，这是个运行时异常，要注意
    • 方法
      • void execute()
      • Future submit(Runnable task | Callable task)

9. 鸟瞰并行任务分类

Java进阶之并发编程——《我的Java打怪日记》

最后呢，来一些题外话哈：

学习Java，书籍是必不可少的学习工具之一，尤其是对于自学者而言。废话不多说，下边就给大家推荐一些Java进阶的好书。

第一部分：Java语言篇

1.《Java编程规范》 适合对象：初级、中级

    介绍：这本书的作者是被誉为Java之父的James Gosling，入门者推荐阅读，对基础的讲解很不错。

2.《Java编程思想》 适合对象：初级、中级

    介绍：豆瓣给出了9.1的评分，全球程序员广泛赞誉。有人说这本书不适合初学者，不过小编认为作者并没有对读者已有的知识经验有过多要求，只是要求读者需要知道基本的程序语言。作者以通俗易懂及小而直接的示例解释了一个个晦涩抽象的概念，需要花时间细细研读。

3.《Java核心技术：卷I基础知识》 适合对象：初级、中级

    介绍：官方机构图书，备一本总是没错的。这本书比较全面也通俗易懂。可以当字典的功能来用，学习入门必备。

4.《Java数据结构和算法》 适合对象：初级、中级、高级

    介绍：这本书目前基本断货，足以说明抢手程度。作者主要使用Java语言描述了我们常用的数据结构，值得一看。

5.《Java与模式》 适合对象：中级、高级

    介绍：难得一见的国人写的Java好书。主要讲解设计原则以及最为常见的设计模式的实用教材。这本书出现的比较早，是初级到中高级必读的图书之一。

6.《SCJP学习指南》 适合对象：初级、中级

    介绍：官方考试的必备图书，对检验自己的Java学习情况很有帮助。这本书特别适合学生阅读，这本书理解透了，找工作面试Java题目不会有任何问题。一些工作多年的工程师都会在里边遇到一些不会做的题目。

第二部分：中级进阶篇

1.《重构：改善既有代码的设计》 适合对象：中级、高级

    介绍：清晰揭示了重构的过程，解释了重构的原理和最佳实践方式，并给出了何时以及何地应该开始挖掘代码以及改善。大师的杰作，让你明白软件是一步步改进的，不是一蹴而就的。

2.《XML入门经典》 适合对象：初级、中级、高级

    介绍：很多人觉得没必要买XML书籍，不过我还是觉得推荐一本给你作为工具书，而且看本书可以使得你对XML方方面面有个了解。里面不少东西还是用到的。

3.《jQuery基础教程》 适合对象：初级、中级、高级

    介绍：从这个开始学习jQuery才是根本，不然以后遇到的很多奇怪问题不知所以然。jQuery个人感觉已经成为目前的javascript标准库了，插件无数，大大简化了前端工作。

4.《JavaScript权威指南》 适合对象：初级、中级、高级

    介绍：一本从全新视角和层次来介绍JavaScript的参考书，填补了市场的空白。是学习js的必备参考工具书之一。

5.《代码整洁之道》 适合对象：中级、高级

    介绍：讲述了一系列行之有效的整洁代码操作实践。软件工程的理想编码是无数人编出来的代码像一个人写的，这本书当作规范就不错。

第三部分：高级篇

1.《Enterprise JavaBeans 3.0中文版》适合对象：中级，高级

    介绍：EJB技术在大型系统中使用，主要有银行等金融机构。是开发分布式程序的选项之一，不过我不喜欢，其实银行使用的也不怎么的。结合JavaEE容器使用，开源的有JBoss，商用的有IBM和Oracle支持。

2.《Java并发编程实践》 适合对象：中级、高级

    介绍：这本书名为《Java并发编程实践》有些抹杀了它的价值，其中并非只讲述了Java的多线程设施，对一般的并发编程的rationale也有相当透彻的阐述。市面上并发编程的书比较少，这一本推荐阅读。

3.《Hadoop权威指南》 适合对象：中级、高级

    介绍：云计算必备图书。作为分布式计算的工具，Hadoop目前可以说是市场上唯一成熟的产品，而且大家也都向其看齐。而起云计算炙手可热，你搞明白这本书就大概明白了什么是云以及怎么做云。

4.《Java消息服务》 适合对象：中级、高级

    介绍：深入浅出地讲解了JMS1.1规范的底层技术、Java类和接口、编程模型及其不同实现等Java消息服务（JMS）和消息传送机制关键技术。讲解简单明了，偏向于如何使用以及设计的一些原则。排版相当不错。

    真正想提升自己，我感觉最主要的是先把 JVM、并发、网络这三块知识点学会、学通，这三块是基础，后面所有的框架、中间件等相关的都是基于这三块知识点之上的。学完这三块知识点，可以快速的掌握其它的知识，新框架等。

继续给大家分享，进阶高级或架构师必看的书籍。

1.HeadFirst 设计模式

    如果对设计模式不了解，可以入手这本书，或图解设计模式。

    我也买了本 《Java 与 模式》 600多页。看了两章就不看了，枯燥无味，看完就忘。我只是完整的看完过《HeadFirst设计模式》，看完其实印象也不深，只知道有这些设计模式，大概干什么的了解些。我真正理解设计模式还都是阅读源码的时候学习的。如果想真正的理解设计模式，还是多读一些源码吧。

2.spring 源码深度解析

    这本书主要分析了 spring 加载配置文件，解析标签，生成Bean。IOC，AOP 源码讲解 ，整合JDBC，SpringMVC 源码分析等。

    这本书看的有些枯燥，必须下载源码结合这书上一块分析，光看书效果不大，没有阅读源码的同学，谨慎入手。

3.重构 改善既有代码的设计

    大家都推荐这本书，我这也推荐下吧，想让你的代码写的更好，逻辑更清晰，易读已扩展，就入手一本吧。其实这本书我都没整体的通读一遍。

4.Effective Java

    这本书没得说，经典读物，必看。

5.大型网站技术架构

    主要从大型网站架构的特点，架构目标（高性能，高可用，可伸缩等）基本理论讲起。看起来轻松愉快，抽时间准备再看一遍。强烈建议大家入手一本。

6.深入分析java web技术内幕

    web开发进阶必看。当时我阅读tomcat源码的时候，就是从这本书的tomcat拿章开始的。

7.啊哈算法

    这本书朋友给我推荐的，写到确实有意思，把算法写的简单易懂。

8.从Paxos到Zookeeper分布式一致性原理与实践

    看这本书是我对分布式事务 两阶段提交(2pc)、三阶段提交(3pc)、有了更深的认识。CAP理论 BASE理论。对分布式一致性有了深刻的认识。看到zookeeper的时候有点蒙，表示看不懂。最近看完《架构探险：从零开始写分布式服务框架》后对zookeeper有了更深的认识。有时间在重读下Zookeeper相关的内容。

9.这就是搜索引擎

    同事推荐的，看完这本书后对倒排索引有了更深刻的认识。自己也可以简单的实现一个很简单的搜索引擎。对爬虫相关的知识也介绍了下。基本都是理论级别的。

10.大型网站系统与Java中间件实践

11.颈椎病康复手册....

强烈推荐最后一本！！！

Java成神之路，你值得拥有！

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