Java高并发(一)- 并发编程的几个基本概念

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Java高并发(一)- 并发编程的几个基本概念
Java高并发(二) - Java 内存模型与线程
Java高并发(三) - CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore
Java高并发(四) - Java 原子类详解
Java高并发(五) - 线程安全策略
Java高并发(六) - 锁的优化及 JVM 对锁优化所做的努力

同步(synchronous)和异步(Asynchronous)

  • 同步:同步方法一旦调用,必须等待方法调用返回后,才能继续后续的行为。
  • 异步:异步方法更像一个消息传递,一旦开始,方法调用就会立即返回,调用者可以继续后续的操作。异步方法通常在另一个线程中地执行。
    同步和异步

并发(Concurrency)和并行(Parallelism)

并发和并行是两个非常容易被混淆的概念,它们都可以表示两个或多个任务一起执行,但是偏重点有些不同。并发偏重于多个任务交替执行,而多个任务之间有可能还是串行的。而并行是真正意义上的 “同时执行” 。
并发和并行

如果系统内只有一个 CPU,而使用多进程或多线程任务,那么真实环境中不可能真实并行的,毕竟一个 CPU 一次只能执行一条指令,这种情况下多进程或多线程就是并发,而不是并行。真实的并行也只可能出现在拥有多个 CPU 的系统中(如多核 CPU)。

Java内存模型

原子性

原子性指一个操作是不可中断的,即使是在多个线程一起执行的时候,一个操作一旦开始,就不会被其他线程干扰。

比如:对于一个静态全局变量 int i,两个线程同时对它赋值,线程 A 给他赋值为 1,线程 B 给他赋值为 -1,那么不管这 2 个线程以何种方式,何种步调工作,i 的值要么是 1,要么是 -1,线程 A 和 线程 B 之间是没有干扰的,这就是原子性的特点,不可被中断。

但如果不使用 int 型而使用 long 型的话,可能就没有那么幸运了,对于 32 位系统来说,long 型数据读写不是原子的(long 型有 64 位)。也就是说如果两个线程同时对 long 进行写入(或者读取)的话,对线程直接的结果是有干扰的。
Long型变量的读写
上面显示了这几个相关数字的不骂形式,也就是计算机内的真实存储内容,4294966852 这个数字,是 111 或 333 的前 32 位与 -444 的后 32 位夹杂后的数字,由于并行的关系,数字被写乱了,或者读的时候,读串味了。

可见性

可见性是指当一个线程修改了某一个共享变量的值,其他线程是否能立即知道这个修改。

对于串行程序来说,可见性问题不存在,而在并行程序中,如果一个变量修改了某一个全局变量,那么其他线程未必可以马上知道这个修改。

可见性问题除了缓存优化或硬件优化会导致可见性问题外,指令重排以及编辑器的优化,都可能导致线程的修改不会立即被其他线程察觉。

volatile

有序性

为使得处理器内部运算单元尽量充分利用,处理器可能【对输入的代码乱序执行优化】。处理器在计算之后将乱序执行结果重组,保证该结果与顺序执行的结果一致,但并不保证程序中各个语句计算先后顺序与输入时一致。

有序性问题是因为程序在执行时,可能进行指令重排,重排后的指令与原指令的顺序未必一致。

哪些指令不能重排:Happen-Before 规则

虽然 JVM 和执行系统会对指令进行重排,但是指令重排是有原则的,并非所有的指令都可以随便改变执行位置,以下罗列了一些基本规则,这些原则是指令重排不可违背的。

  1. 程序顺序原则:一个线程内保证语义的串行性。
  2. volatile:volatile 变量的写,先发生于都,这保证了 volatile 变量的可见性。
  3. 锁规则:解锁必然发生在加锁前。
  4. 传递性:A 先于 B,B 先于 C,那么 A 必然先于 C。
  5. 线程的 start() 方法先于它的每一个动作。
  6. 线程的所有操作先于线程的终结。
  7. 线程的中断先于被中断线程的代码。
  8. 对象的构造函数的执行、结束先于 finalize() 方法。

并发的优势与风险

优势

  1. 速度:同时处理多个请求,响应更快,复杂的操作可以分成多个进程同时进行。
  2. 设计:程序设计在某些情况下更简单,也可以有更多的选择。
  3. 资源利用:CPU 能在等待 IO 时做一些其他事情

风险

  1. 安全性:多个线程共享数据时可能会产生与期望不相符的结果。
  2. 活跃性:某个操作无法继续进行下去时,就会发生活跃性问题,比如死锁,饥饿等问题。
  3. 性能:线程过多时会使得:CPU 频繁切换,调度时间增多,同步机制消耗过多内存。
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