java高併發系列-第1天:必須知道的幾個概念

同步（Synchronous）和非同步（Asynchronous）

同步和非同步通常來形容一次方法呼叫，同步方法呼叫一旦開始，呼叫者必須等到方法呼叫返回後，才能繼續後續的行為。非同步方法呼叫更像一個訊息傳遞，一旦開始，方法呼叫就會立即返回，呼叫者就可以繼續後續的操作。而非同步方法通常會在另外一個執行緒中“真實”地執行。整個過程，不會阻礙呼叫者的工作。

如圖：

上圖中顯示了同步方法呼叫和非同步方法呼叫的區別。對於呼叫者來說，非同步呼叫似乎是一瞬間就完成的。如果非同步呼叫需要返回結果，那麼當這個非同步呼叫真實完成時，則會通知呼叫者。

打個比方，比如購物，如果你去商場買空調，當你到了商場看重了一款空調，你就向售貨員下單。售貨員去倉庫幫你調配物品。這天你熱的是在不行了，就催著商家趕緊給你送貨，於是你就在商店裡面候著他們，直到商家把你和空調一起送回家，一次愉快的購物就結束了。這就是同步呼叫。

不過，如果我們趕時髦，就坐在家裡開啟電腦，在電腦上訂購了一臺空調。當你完成網上支付的時候，對你來說購物過程已經結束了。雖然空調還沒有送到家，但是你的任務已經完成了。商家接到你的訂單後，就會加緊安平送貨，當然這一切已經跟你無關了。你已經支付完成，想幹什麼就能去幹什麼，出去溜幾圈都不成問題，等送貨上門的時候，接到商家的電話，回家一趟簽收就完事了。這就是非同步呼叫。

併發（Concurrency）和並行（Parallelism）

併發和並行是兩個非常容易被混淆的概念。他們都可以表示兩個或者多個任務一起執行，但是側重點有所不同。併發偏重於多個任務交替執行，而多個任務之間有可能還是序列的，而並行是真正意義上的“同時執行”，下圖很好地詮釋了這點。

大家排隊在一個咖啡機上接咖啡，交替執行，是併發；兩臺咖啡機上面接咖啡，是並行。

從嚴格意義上來說，並行的多工是真的同時執行，而對於併發來說，這個過程只是交替的，一會執行任務A，一會執行任務B，系統會不停地在兩者之間切換。但對於外部觀察者來說，即使多個任務之間是序列併發的，也會造成多工間並行執行的錯覺。

併發說的是在一個時間段內，多件事情在這個時間段內交替執行。

並行說的是多件事情在同一個時刻同事發生。

實際上，如果系統內只有一個CPU，而使用多程序或者多執行緒任務，那麼真實環境中這些任務不可能是真實並行的，畢竟一個CPU一次只能執行一條指令，在這種情況下多程序或者多執行緒就是併發的，而不是並行的（作業系統會不停地切換多工）。真實的並行也只可能出現在擁有多個CPU的系統中（比如多核CPU）。

臨界區

臨界區用來表示一種公共資源或者說共享資料，可以被多個執行緒使用，但是每一次只能有一個執行緒使用它，一旦臨界區資源被佔用，其他執行緒要想使用這個資源就必須等待。

比如，一個辦公室裡有一臺印表機，印表機一次只能執行一個任務。如果小王和小明同時需要列印檔案，很明顯，如果小王先發了列印任務，印表機就開始列印小王的檔案，小明的任務就只能等待小王列印結束後才能列印，這裡的印表機就是一個臨界區的例子。

在並行程式中，臨界區資源是保護的物件，如果意外出現印表機同時執行兩個任務的情況，那麼最有可能的結果就是打印出來的檔案是損壞的檔案，它既不是小王想要的，也不是小明想要的。

阻塞（Blocking）和非阻塞（Non-Blocking）

阻塞和非阻塞通常用來形容很多執行緒間的相互影響。比如一個執行緒佔用了臨界區資源，那麼其他所有需要這個資源的執行緒就必須在這個臨界區中等待。等待會導致執行緒掛起，這種情況就是阻塞。此時，如果佔用資源的執行緒一直不願意釋放資源，那麼其他執行緒阻塞在這個臨界區上的執行緒都不能工作。

非阻塞的意思與之相反，它強調沒有一個執行緒可以妨礙其他執行緒執行，所有的執行緒都會嘗試不斷向前執行。

死鎖（Deadlock）、飢餓（Starvation）和活鎖（Livelock）

死鎖、飢餓和活鎖都屬於多執行緒的活躍性問題。如果發現上述幾種情況，那麼相關執行緒就不再活躍，也就是說它可能很難再繼續往下執行了。

死鎖應該是最糟糕的一種情況了（當然，其他幾種情況也好不到哪裡去），如下圖顯示了一個死鎖的發生：

A、B、C、D四輛小車都在這種情況下都無法繼續行駛了。他們彼此之間相互佔用了其他車輛的車道，如果大家都不願意釋放自己的車道，那麼這個狀況將永遠持續下去，誰都不可能通過，死鎖是一個很嚴重的並且應該避免和實時小心的問題，後面的文章中會做更詳細的討論。

飢餓是指某一個或者多個執行緒因為種種原因無法獲得所要的資源，導致一直無法執行。比如它的優先順序可能太低，而高優先順序的執行緒不斷搶佔它需要的資源，導致低優先順序執行緒無法工作。在自然界中，母雞給雛鳥餵食很容易出現這種情況：由於雛鳥很多，食物有限，雛鳥之間的事務競爭可能非常厲害，經常搶不到事務的雛鳥有可能被餓死。執行緒的飢餓非常類似這種情況。此外，某一個執行緒一直佔著關鍵資源不放，導致其他需要這個資源的執行緒無法正常執行，這種情況也是飢餓的一種。於死鎖想必，飢餓還是有可能在未來一段時間內解決的（比如，高優先順序的執行緒已經完成任務，不再瘋狂執行）。

活鎖是一種非常有趣的情況。不知道大家是否遇到過這麼一種場景，當你要做電梯下樓時，電梯到了，門開了，這是你正準備出去。但很不巧的是，門外一個人當著你的去路，他想進來。於是，你很禮貌地靠左走，禮讓對方。同時，對方也非常禮貌的靠右走，希望禮讓你。結果，你們倆就又撞上了。於是乎，你們都意識到了問題，希望儘快避讓對方，你立即向右邊走，同時，他立即向左邊走。結果，又撞上了！不過介於人類的智慧，我相信這個動作重複兩三次後，你應該可以順利解決這個問題。因為這個時候，大家都會本能地對視，進行交流，保證這種情況不再發生。但如果這種情況發生在兩個執行緒之間可能就不那麼幸運了。如果執行緒智力不夠。且都秉承著“謙讓”的原則，主動將資源釋放給他人使用，那麼久會導致資源不斷地在兩個執行緒間跳動，而沒有一個執行緒可以同時拿到所有資源正常執行。這種情況就是活鎖。

死鎖的例子

package com.jvm.visualvm;

/**
 * <a href="http://www.itsoku.com/archives">Java乾貨鋪子,只生產乾貨，公眾號：javacode2018</a>
 */
public class Demo4 {

    public static void main(String[] args) {
        Obj1 obj1 = new Obj1();
        Obj2 obj2 = new Obj2();
        Thread thread1 = new Thread(new SynAddRunalbe(obj1, obj2, 1, 2, true));
        thread1.setName("thread1");
        thread1.start();
        Thread thread2 = new Thread(new SynAddRunalbe(obj1, obj2, 2, 1, false));
        thread2.setName("thread2");
        thread2.start();
    }

    /**
     * 執行緒死鎖等待演示
     */
    public static class SynAddRunalbe implements Runnable {
        Obj1 obj1;
        Obj2 obj2;
        int a, b;
        boolean flag;

        public SynAddRunalbe(Obj1 obj1, Obj2 obj2, int a, int b, boolean flag) {
            this.obj1 = obj1;
            this.obj2 = obj2;
            this.a = a;
            this.b = b;
            this.flag = flag;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                if (flag) {
                    synchronized (obj1) {
                        Thread.sleep(100);
                        synchronized (obj2) {
                            System.out.println(a + b);
                        }
                    }
                } else {
                    synchronized (obj2) {
                        Thread.sleep(100);
                        synchronized (obj1) {
                            System.out.println(a + b);
                        }
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static class Obj1 {
    }

    public static class Obj2 {
    }
}

執行上面程式碼，可以通過jstack檢視到死鎖資訊:

"thread2" #13 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000029225000 nid=0x3c94 waiting for monitor entry [0x0000000029c9f000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
    at com.jvm.visualvm.Demo4$SynAddRunalbe.run(Demo4.java:50)
    - waiting to lock <0x00000007173d40f0> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1)
    - locked <0x00000007173d6310> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

   Locked ownable synchronizers:
    - None

"thread1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000029224800 nid=0x6874 waiting for monitor entry [0x0000000029b9f000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
    at com.jvm.visualvm.Demo4$SynAddRunalbe.run(Demo4.java:43)
    - waiting to lock <0x00000007173d6310> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2)
    - locked <0x00000007173d40f0> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

   Locked ownable synchronizers:
    - None

thread1持有com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1的鎖，等待獲取com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2的鎖
thread2持有com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2的鎖，等待獲取com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1的鎖，兩個執行緒相互等待獲取對方持有的鎖，出現死鎖。

飢餓死鎖的例子

package com.jvm.jconsole;

import java.util.concurrent.*;

/**
 * <a href="http://www.itsoku.com/archives">Java乾貨鋪子,只生產乾貨，公眾號：javacode2018</a>
 */
public class ExecutorLock {
    private static ExecutorService single = Executors.newSingleThreadExecutor();

    public static class AnotherCallable implements Callable<String> {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("in AnotherCallable");
            return "annother success";
        }
    }


    public static class MyCallable implements Callable<String> {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("in MyCallable");
            Future<String> submit = single.submit(new AnotherCallable());
            return "success:" + submit.get();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        MyCallable task = new MyCallable();
        Future<String> submit = single.submit(task);
        System.out.println(submit.get());
        System.out.println("over");
        single.shutdown();
    }
}

執行程式碼，輸出：

in MyCallable

使用jstack命令檢視執行緒堆疊資訊：

"pool-1-thread-1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000028e3d000 nid=0x58a4 waiting on condition [0x00000000297ff000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
    at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
    - parking to wait for  <0x0000000717921bf0> (a java.util.concurrent.FutureTask)
    at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:175)
    at java.util.concurrent.FutureTask.awaitDone(FutureTask.java:429)
    at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:191)
    at com.jvm.jconsole.ExecutorLock$MyCallable.call(ExecutorLock.java:25)
    at com.jvm.jconsole.ExecutorLock$MyCallable.call(ExecutorLock.java:20)
    at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:266)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

   Locked ownable synchronizers:
    - <0x00000007173f2690> (a java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker)

"main" #1 prio=5 os_prio=0 tid=0x00000000033e4000 nid=0x5f94 waiting on condition [0x00000000031fe000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
    at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
    - parking to wait for  <0x00000007173f1d48> (a java.util.concurrent.FutureTask)
    at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:175)
    at java.util.concurrent.FutureTask.awaitDone(FutureTask.java:429)
    at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:191)
    at com.jvm.jconsole.ExecutorLock.main(ExecutorLock.java:32)

   Locked ownable synchronizers:
    - None

堆疊資訊結合圖中的程式碼，可以看出主執行緒在32行處於等待中，執行緒池中的工作執行緒在25行處於等待中，等待獲取結果。由於執行緒池是一個執行緒，AnotherCallable得不到執行，而被餓死，最終導致了程式死鎖的現象。

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