并发编程基本架构总结

并发编程基本架构总结，包括多线程优势、线程安全性、对象共享、对象组合、基础构建模块等等。

并发编程基本架构总结

• 多线程优势
  • 提升资源利用率和系统吞吐率
  • 发挥多处理器的强大能力
• 风险
  • 活跃性问题，多线程中可能会出现进程死锁的情况
  • 安全性问题，对于非线程安全的程序执行过程可能不可预测
  • 性能，多线程会带来性能上的开销
• 线程安全性
  • 概念：无论运行环境采用何种调度方式或者这些线程将如如何交替执行，在主调代码中不需要任何额外的同步或协同，这个类都能表现出正确的行为，称为线程安全类
  • 核心在于对状态访问操作的管理，特别是共享和可变的状态的访问
    • 共享表示多个线程同时访问，可变表示变量的值在其声明周期内可以发生变化
  • 无状态对象一定是线程安全，即类中没有任何成员变量，也没有对其他类中成员变量的引用
  • 由于不恰当的执行时序而出现不正确的结果，称之为竞态条件
    • 最常见的为'先检查后执行',check-then-act
    • 复合操作，++i等都为复合操作，必须引入必要的同步机制保证线程安全
  • 加锁机制
    • 内置锁，即synchronized block，是一种互斥锁；内置锁可重入，即如果某个线程视图获得一个已经由它自己持有的锁，这个请求就会成功
    • 对于可能被多个线程同时访问的可变状态变量，访问它时都需要持有同一个锁
    • 权衡简单性和性能之间的关系，避免出现不良并发与应用
• 对象共享
  • 可见性
    • 当一个线程修改对象状态后其它线程能够看到发生的状态变化
      • 在没有同步的情况下，编译器处理器都可能对操作的执行顺序进行调整，而引发意想不到的情况
  • volatile变量，用来确保变量的更新操作通知到其他线程
    • 声明为volatile后，编译器不会对该变量上的操作重新排序，不会缓存在寄存器或者其他处理器看不到的地方
    • 典型用法：检查某个状态标识以判断是否退出循环
    • volatile变量不能保证操作的原子性，使用volatile变量要满足三个条件
      • 对变量的写入操作不依赖变量的当前值，或者保证只有单线程更新变量的值
      • 该变量不会跟其他状态变量一起纳入不变性条件
      • 在访问变量时不需要加锁
  • 发布与逸出
    • 发布对象指使对象能够在当前作用域之外的代码中执行
      • 发布一个对象后，在该对象的非私有域中引用的所有对象都会被发布
      • 不要隐式的使this引用逸出；不要在构造器中使this引用逸出
  • 线程封闭，即不共享数据
    • ad-hoc线程封闭，线程封闭的职责由程序来承担
    • 栈封闭，只有通过局部变量才能访问对象
    • ThreadLocal类，用于对可变单实例变量或者全局变量进行共享
    • 不变性
      • 满足下面条件对象才是不可变的
        • 对象创建以后其状态就不能修改
        • 对象所有域都是final
        • 对象是正确创建的（没有在创建时this引用逸出）
• 对象组合
  • 设计线程安全类
    • 收集同步需求
      • 下一个状态依赖于当前状态，这个操作必定会是复合操作
    • 依赖状态操作
      • 基于状态的先验条件，例如不能从空的队列中删除元素
    • 状态所有权
  • 实例封闭
    • 将数据封装在对象内部，将数据的访问限制在对象的方法上
    • 内置锁，synchronized
    • java类库里的容器线程啊全包装类
  • 线程安全性委托
    • 利用线程安全类组合对象
    • 当类中有复合操作，仅仅使用委托不足以实现线程安全性，必须提供加锁机制保证复合操作为原子操作，除非整个复合操作都可以委托给状态变量
  • 在现有线程安全类中添加功能
    • 通过组合实现添加功能
• 基础构建模块
  • 同步容器类
    • 同步容器执行check-then-act操作时，没有客户端加锁也是线程安全的，但当多个线程修改容器时，可能会出现意料之外的情况
    • 迭代器和ConcurrentModificationException
      • 如果在迭代期间计数器被修改，执行hasNext和next将抛出ConcurrentModificationException
      • 隐藏的迭代器
        • 容器的toString()方法，equals,hashCode等方法都可能抛出ConcurrentModificationException
  • 并发容器
    • 通过并发容器代替同步容器可以极大的提高伸缩性并降低风险
      • 例如ConcurrentHashMap,CopyOnWriteArrayList,Queue,BlockingQueue等
      • 双端队列，Deque,BlockingDeque
  • 生产者与消费者
    • 用阻塞队列支持生产者和消费者模式，将数据的生产和使用过程解耦来简化工作负担
    • 使用双端队列，支持工作秘取，既每个消费者都有一个双端的工作队列，当某个消费者完成自己队列的全部工作，可以从其他消费者的双端队列末尾秘密的取得工作
  • 阻塞方法和中断方法
    • Thread提供interrupt方法用于中断县城或者查询线程是否已经被中断
    • 当代码调用了一个会抛出interruptedException异常的方法时，该方法自己就变成了一个阻塞方法
      • 传递异常
      • 恢复中断
  • 同步工具类
    • 闭锁
      • 延迟线程的进度直到其到达终止状态
        • CountDownLatch
        • FutureTask
        • Semaphore,信号量，用来控制同时访问某个特定资源的操作数量
        • 栅栏,CyclicBarrier,所有线程同时到达栅栏位置才能继续执行