并发笔记(一)

基本概念

• 同步与异步
  
  • 同步方法等待返回，异步方法立即返回
• 并发和并行
  
  • 并行是两个任务同时进行，并发是两个任务切换执行
  • 并发是交替的执行
  • 并行是多个任务真实的同时执行
• 临界区
  
  • 公共资源或者共享数据，可以被多个线程使用。但每一次，只能有一个线程使用它，一旦临界区资源被占用，其他线程想要使用这个资源就必须等待
• 阻塞和非阻塞
  
  • 如果一个线程占用了临界区资源，其他的线程就得在这个临界区中等待，这就是阻塞；非阻塞强调没有一个线程可以妨碍其他线程执行
• 死锁、饥饿、活锁
  
  • 死锁：两个及两个以上的进程互相等待，【哲学家进餐】；总是按照一个全局的固定顺序获取锁，可避免死锁
  • 活锁：多个线程谦让导致无法使用资源
  • 饥饿：某一个或多个线程一直占用资源，使其他需要资源的线程无法执行
• 并发级别
  
  • 阻塞： 当一个线程进入临界区之后，其他线程必须等待
  • 无饥饿：非公平锁会导致低优先级的线程饥饿，而公平锁饥饿就不会产生
  • 无障碍：自由出入临界区，无竞争时有限步内完成操作，有竞争时回滚数据
  • 无锁：无障碍，保证有一个线程可以胜出
  • 无等待：无锁，要求所有线程都必须在有限步内完成，无饥饿
• JMM的特性
  
  • Atomicity: 一个操作不可中断
  • Visibility: 一个线程修改了某一个变量值，其他线程能否立即获取到这个改动值
  • Ordering: 对于一个线程来说，它内部的执行顺序一定是一致的，多个线程之间涉及到指令重排，所以顺序是没有保障的
• Happen-before规则：指令重排的原则：
  
  • 程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性
  • volatile规则：volatile变量的写先发生于读，保证了volatile变量的可见性
  • 锁规则：解锁必然发生在加锁前
  • 传递性：A先于，B先于C，那么A一定先于C
  • 线程的start()方法先于它的每一个动作
  • 线程的所有操作先于线程的终结
  • 线程的中断先于被中断线程的代码
  • 对象的构造函数执行、结束先于finalize()方法
• synchronized的用法:
  
  • 指定加锁对象
  • 作用于实例方法
  • 作用于静态方法

多线程-同步控制

• 重入锁 java.util.concurrent.locks.ReentrantLock，又名递归锁
  
  • 中断响应，lock.lockInterruptibly()优先响应中断
  • 锁申请等待时限，lock.tryLock(); lock.tryLock(long time, TimeUnit tu) 给定时间获取锁，如果未指定时间则立即返回
  • 公平锁，new ReentrantLock(boolean fair)
• Condition：与lock搭配使用，使线程在合适的时间等待，或者在一个合适的时间得到通知继续执行
  
  • await()会使当前线程等待，并释放当前锁，当其他线程使用signal()或者signalAll()方法时线程或重新得到锁继续执行，或者等待的时候被中断时跳出等待
  • awaitUninterruptibly() 与await()类似，但不会在等待中响应中断
  • signal()会唤醒一个等待的线程,signalAll()会唤醒所有等待的线程
  • 重入锁+condition在jdk内部广泛使用，如ArrayBlockingQueue的put() take()方法
• 信号量Semaphore:指定多个线程访问一个资源，通过acquire() tryAcqire()获取授权，使用完毕后通过release()释放资源授权;
  
  • 使用场景：数据库连接数固定，可以采用信号两个让数据库连接得以充分使用
• ReadWriteLock，读写分离锁可有效减少锁竞争，以提升系统性能；读写锁约束：
  
  • 读-读：不阻塞
  • 读-写、写-写：阻塞
• StampedLock:对读写锁的改进，不仅读不阻塞读，读也不阻塞写；在读的时候发生了写，则应当重读而不是阻塞写（读写锁的时候读多写少会发生写饥饿）；
  
  • StampedLock控制锁带有三种模式读 写 乐观读
  • 此控制锁的状态由版本和模式组成，锁获取操作返回一个用于展示和访问锁状态的stamp变量，锁释放以及其他相关方法使用stamp变量作为参数，如果与当前锁状态不符则失败
  • 三种模式之写入:writeLock独占访问阻塞当前线程返回一个stamp变量，当锁被写模式占有，没有读和乐观读能成功
  • 三种模式之读取:readLock 获取访问而阻塞写入，返回一个stamp变量
  • 三种模式之乐观读: tryOptimisticRead返回一个非0 stamp变量，仅在当前锁没有被写入模式持有；validate用于检查乐观读时是否发生了写操作，如果发生则重读（悲观锁）
• CountDownLatch，await()后等待线程计数完成可继续执行，与join的区别：
  
  • 假如每个线程的工作有两阶段
  • 第一个线程需要等待第二、第三个线程的第一阶段工作结束时才能开始执行
  • 此时join不能做到但CountDownLatch可以做到，count.countDown()
• CyclicBarrier: 循环屏障，当所有线程到达屏障(await())之后，被屏障阻塞的线程才会继续执行,并且可重复设置屏障； 场景：
  
  • 数据合并：多个线程统计各自的数据，统计完毕后，使用barrierAction进行合并
• LockSupport: 线程阻塞工具，可以在线程内任意位置阻塞，无需提前获取锁。
  
  • park() 如果许可可用，则消费许可后立即返回；如果许可不可用，则阻塞等待许可；阻塞时可被中断
  • unpark()使许可变为可用，许可不能累加只能有一个

多线程-线程池

在生产环境中线程的数量必须加以管控，否则大量线程轻则拖慢系统速度，重则导致CPU、内存资源耗尽

• JDK Executor框架

• Executors 工厂类产生各种线程池
  
  • newFixedThreadPool() 返回一个固定线程数量的线程池
  • newSingleThreadExecutor()返回一个只有一个线程的线程池
  • newCachedThreadPool()返回一个可根据实际情况调整数量的线程池，优先复用
  • newSingleThreadScheduledExecutor() 返回一个ScheduledExecutor对象，线程池大小为1
  • newScheduledThreadPool()返回指定数量ScheduledExecutor对象的线程池
• ScheduledExecutorService 根据时间需要对线程进行调度
  
  • schedule(Runnable cmd, long delay, TimeUnit unit) 给定时间的时候，调度一次
  • scheduleAtFixedRate(Runnable cmd, long initialDelay, long period, TimeUnit unit) 固定频率进行调度，以上次任务开始时间为参照，但任务不会被堆叠，当执行周期过短时，上次任务结束立即会调用本次任务
  • scheduleWithFixedDelay(Runnable cmd, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit) 固定延迟进行调度，以上次任务结束时间为参照
• ThreadPoolExecutor线程池的内部实现：Executors工厂类产生线程池的方法主要是调用：
  
  • new ThreadPoolExecutor(int coreSize, int maxPoolSize, long keepAlive, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> wordQueue, ThreadFactory factory, ThreadPoolExecutor handler)
  • coreSize: 线程池中的线程数量
  • maxPoolSize: 线程池中最大线程池数量
  • keepAlive: 当线程池数量超过coreSize时，多余的空闲线程的存活时间
  • workQueue: 任务队列，被提交但尚未执行的任务
  • factory:线程工厂用于创建线程；
  • handler:拒绝策略，当任务太多时如何拒绝任务
• 参数workQueue
  
  • 直接提交队列-SynchronousQueue，没有容量，每一个插入操作都需要等待一个相应的删除操作；提交的任务不会被真实保存，总将新任务提交给线程执行，如果没有空闲线程则创建新的线程，如果线程数已到最大值，则执行拒绝策略，如newCachedThreadPool使用队列
  • 有界任务队列-ArrayBlockingQueue 若线程池中线程实际数量小于coreSize则创建新的线程，如果池中线程数等于coreSize则将任务加入队列，如果队里已满，则在coreSize不小于maxSize的前提下创建新的线程，否则执行拒绝策略，
  • 无界任务队列-LinkedBlockingQueue 若池中线程数量等于coreSize则后续的任务都会被加入到队列中，直到资源耗尽否则任务不会被拒绝(失败)，如newFixedThreadPool
  • 优先任务队列-PriorityBolckingQueue 带有优先级的队列，可控制任务执行的先后顺序，是一个特殊的无界队列
• 拒绝策略：当线程池中的线程不足处理现有任务的时候，会触发任务拒绝策略
  
  • AbortPolicy：抛出异常，阻止系统工作
  • CallerRunsPolicy：只要线程池未关闭，该策略直接在调用者的线程中执行当前被拒绝的任务
  • DiscardOledestPolicy:丢去最老的一个任务，并提交当前任务
  • DiscardPolicy：丢弃当前任务
  • 如果无法满足则可以自定策略，实现RejectedExecutionHandler
• 自定义线程池的创建：实现ThreadFactory接口即可，在创建时可以给线程分组、设置优先级、设置名称、设置是否守护线程等
• jdk线程池扩展：ThreadPoolExecutor提供了beforeExecute()和afterExecute()以及terminated()方法
• 线程池数量：一般考虑CPU数量、内存大小等，最优的线程池数量：n = Ncpu * Ucpu * (1 + W/C)
  
  • Ncpu:cpu的数量
  • Ucpu:目标CPU的使用率
  • W/C: 等待时间与计算时间的比率
• Fork/Join框架：分治思想，如MapReduce
  
  • RecursiveTask<V> 有返回值，超出当前线程处理能力时，进行fork，fork结束后进行join
  • RecursiveAction 无返回值

参考资料:《Java高并发程序设计》