【Java進階】併發程式設計

摘要： PS：整理自極客時間 《Java併發程式設計》 1. 概述 三種性質 可見性 ：一個執行緒對共享變數的修改，另一個執行緒能立刻看到。 快取 可導致可見性問題。 原子性 ：一個或多個CPU執行操作不被中斷。 執行緒切換 可導致原子性問題。...

PS：整理自極客時間 《Java併發程式設計》

1. 概述

• 三種性質
  • 可見性 ：一個執行緒對共享變數的修改，另一個執行緒能立刻看到。 快取 可導致可見性問題。
  • 原子性 ：一個或多個CPU執行操作不被中斷。 執行緒切換 可導致原子性問題。
  • 有序性 ：編譯器優化可能導致指令順序發生改變。 編譯器優化 可能導致有序性問題。
• 三個問題
  • 安全性問題 ：執行緒安全
  • 活躍性問題 ：死鎖、活鎖、飢餓
  • 效能問題 ：
    • 使用無鎖結構 ：TLS，Copy-On-Write，樂觀鎖；Java的原子類，Disruptor無鎖佇列
    • 減少鎖的持有時間 ：讓鎖 細粒 度。如ConcurrentHashmap；再如讀寫鎖，讀無鎖寫有鎖

2. Java記憶體模型

• volatile
  
  • C語言中的原意 ：禁用CPU快取，從記憶體中讀出和寫入。
  • Java語言的引申義 ：
    • Java會將變數立刻寫入記憶體，其他執行緒讀取時直接從記憶體讀（普通變數改變後，什麼時候寫入記憶體是不一定的）
    • 禁止指令重排序
  • 解決問題 ：
    • 保證可見性
    • 保證有序性
    • 不能保證原子性
• Happens-Before規則（H-B）
  • 程式順序性規則 ：前面執行的語句對後面語句可見
  • volatile變數規則 ：volatile變數的寫操作對後續的讀操作可見
  • 傳遞性規則 ：A H-B B，B H-B C，那麼A H-B C
  • 管程中鎖的規則 ：對一個鎖的解鎖 H-B於 後續對這個鎖的加鎖

3. 互斥鎖sychronized

• 鎖物件 ：非靜態this，靜態Class，括號Object引數
• 預防死鎖：
  • 互斥 ：不能破壞
  • 佔有且等待 ：同時申請所有資源
  • 不可搶佔 ：sychronized解決不了，Lock可以解決
  • 迴圈等待 ：給資源設定id欄位，每次都是按順序申請鎖
• 等待通知機制 ：
  • wait、notify、notifyAll

class Allocator {
private List<Object> als;
// 一次性申請所有資源
synchronized void apply(
Object from, Object to){
// 經典寫法
while(als.contains(from) ||
als.contains(to)){
try{
wait();
}catch(Exception e){
}
} 
als.add(from);
als.add(to);
}
// 歸還資源
synchronized void free(
Object from, Object to){
als.remove(from);
als.remove(to);
notifyAll();
}
}

4. 執行緒的生命週期

• 通用執行緒的生命週期 ：
• 
• Java執行緒的生命週期 ：
• 
• 狀態流轉 ：
  • RUNNABLE -- BLOCKED ：執行緒獲取和等待sychronized隱式鎖
    • ps：呼叫阻塞式API時，不會進入BLOCKED狀態，但對於作業系統而言，執行緒實際上進入了休眠態，只不過JVM不關心。
  • RUNNABLE -- WAITING ：
    • Object.wait()
    • Thread.join()
    • LockSupport.park()
  • RUNNABLE -- TIMED-WAITING ：呼叫各種帶超時引數的執行緒方法
  • NEW -- RUNNABLE ： Thread.start()
  • RUNNABLE -- TERMINATED ：執行緒執行完畢，有異常丟擲，或手動呼叫執行緒 stop()

6. 執行緒的效能指標

• 延遲 ：發出請求到收到響應
• 吞吐量 ：單位時間內處理的請求數量
• 最佳執行緒數：
  • CPU密集型 ：執行緒數 = CPU核數 + 1
  • IO密集型 ：執行緒數 = （IO耗時/CPU耗時 + 1）* CPU核數
  • 

7. JDK併發包

• Lock ：lock、unlock
  • 互斥鎖 ，和sychronized一樣的功能，裡面能保證可見性
• Condition ：await、signal
  • 條件 ，相比於sychronized的Object.wait，Condition可以實現多條件喚醒等待機制
• Semaphore ：acquire、release
  • 訊號量 ，可以用來實現多個執行緒訪問一個臨界區，如實現物件池設計中的限流器
• ReadWriteLock ：readLock、writeLock
  • 寫鎖、讀鎖 ，允許多執行緒讀，一個執行緒寫，寫鎖持有時所有讀鎖和寫鎖的獲取都阻塞（寫鎖的獲取要等所有讀寫鎖釋放）
  • 適用於讀多寫少的場景
• StampedLock ：tryOptimisticRead、validate
  • 寫鎖、讀鎖 （分 悲觀讀鎖、樂觀讀鎖 ）：
• 執行緒同步：
  • CountDownLatch ：一個執行緒等待多個執行緒
    • 初始化 --> countDown（減1） --> await（等待為0）
  • CyclicBarrier ：一組執行緒之間相互等待
    • 初始化 --> 設定回撥函式（為0時執行，並返回原始值） -->  await（減1並等待為0）
• 併發容器：
  • List：
    • CopyOnWriteArrayList ：適用寫少的場景，要容忍可能的讀不一致
  • Map：
    • ConcurrentHashMap ：分段鎖
    • ConcurrentSkipListMap ：跳錶
  • Set：
    • CopyOnWriteArraySet ：同上
    • ConcurrentSkipListSet ：同上
  • Queue ：
    • 分類 ：阻塞Blocking、單端Queue、雙端Deque
    • 單端阻塞（BlockingQueue） ：Array～、Linked～、Sychronized～、LinkedTransfer～、Priority～、Delay～
    • 雙端阻塞（BlockingDeque） ：Linked～
    • 單端非阻塞（Queue） ：ConcurrentLinked～
    • 雙端非阻塞（Deque） ：ConcurrentLinked～
• 原子類：
  • 無鎖方案原理 ：增加了硬體支援，即CPU的CAS指令
  • ABA問題 ：有解決ABA問題的需求時，增加一個遞增的版本號緯度化解
  • 分類 ：原子化基本資料型別，原子化引用型別、原子化陣列、原子化物件屬性更新器、原子化累加器
• Future：
  • Future ：cancel、isCanceled、isDone、get
  • FutureTask ：實現了Runnable和Future介面
• 強大工具類
  • CompletableFuture ：一個強大的非同步程式設計工具類（任務之間有聚合關係），暫時略
  • CompletionService ：批量並行任務，暫時略

8. 執行緒池

• 設計原理：
  • 用 生產者消費 者模型，執行緒池是消費者，呼叫者是生產者。
  • 執行緒池物件裡維護一個阻塞 佇列 ，一個已經跑起來的工作執行緒組T hreadsList
  • ThreadList裡面迴圈從佇列中去Runnable任務，並呼叫run方法

  •  1 // 簡化的執行緒池，僅用來說明工作原理
     2 class MyThreadPool{
     3// 利用阻塞佇列實現生產者 - 消費者模式
     4BlockingQueue<Runnable> workQueue;
     5// 儲存內部工作執行緒
     6List<WorkerThread> threads 
     7= new ArrayList<>();
     8// 構造方法
     9MyThreadPool(int poolSize, 
    10BlockingQueue<Runnable> workQueue){
    11this.workQueue = workQueue;
    12// 建立工作執行緒
    13for(int idx=0; idx<poolSize; idx++){
    14WorkerThread work = new WorkerThread();
    15work.start();
    16threads.add(work);
    17}
    18}
    19// 提交任務
    20void execute(Runnable command){
    21workQueue.put(command);
    22}
    23// 工作執行緒負責消費任務，並執行任務
    24class WorkerThread extends Thread{
    25public void run() {
    26// 迴圈取任務並執行
    27while(true){ ①
    28Runnable task = workQueue.take();
    29task.run();
    30} 
    31}
    32}
    33 }
    34 
    35 /** 下面是使用示例 **/
    36 // 建立有界阻塞佇列
    37 BlockingQueue<Runnable> workQueue = 
    38new LinkedBlockingQueue<>(2);
    39 // 建立執行緒池
    40 MyThreadPool pool = new MyThreadPool(
    4110, workQueue);
    42 // 提交任務
    43 pool.execute(()->{
    44System.out.println("hello");
    45 });
    

• ThreadPoolExcutor
  • 引數
    • corePoolSize ：執行緒池保有的最小執行緒數
    • maximumPoolSize ：執行緒池建立的最大執行緒數
    • keepAliveTime ：工作執行緒多久沒收到任務，被認為是閒的
    • workQueue ：工作佇列
    • threadFactory ：通過這個引數自定義如何建立執行緒
    • handler ：任務拒絕策略
      • 預設為 AbortPolicy ，會丟擲RejectedExecutionException，這是個執行時異常，要注意
  • 方法
    • void execute()
    • Future submit(Runnable task | Callable task)

9. 鳥瞰並行任務分類