Java并发

并发编程总结，包含线程，线程池，锁等知识

并发编程

• 多线程
  • 概念
    • 进程：是操作系统进行资源分配和调度的基本单位
    • 线程：是进程中的一个执行单元，负责当前进程中程序的执行，一个进程中至少有一个线程
  • 创建方式
    • 继承 Thread
    • 实现 Runnable 接口
    • 实现 Callable 接口
    • 线程池创建线程
    • Runnable与Callable区别
      • 1 实现Callable接口的任务线程能返回执行结果，而实现Runnable接口的任务线程不能返回执行结果
      • 2 Callable接口实现类中run()方法允许将异常向上抛出，也可以直接在内部处理；而Runnable接口实现类中run()方法的异常必须在内部处理掉，不能向上抛出
  • 线程的五种状态（生命周期）
    • 新建
    • 就绪
    • 运行
    • 阻塞
    • 死亡
  • 线程的调度策略
    • 抢占式调度，优先级高的任务一直执行
  • 线程间通信与协作
    • Sleep() yield() join()
      • sleep() 让当前线程睡眠一段时间，期间不会释放任何持有的锁
      • yield() 让出该线程的时间片给其他线程。 线程调用该方法，表示放弃当前获得的 CPU 时间片，回到就绪状态。
      • join() 暂停当前线程，等待调用线程指向结束之后再继续执行 调用时，当前线程不会释放掉锁
    • wait() notify() notifyAll()
      • wait() 让线程处于等待状态 会释放掉 CPU 执行权和占有的锁
      • notify() 唤醒处于 wait 状态的线程
      • notifyAll() 唤醒所有处于 wait 状态的线程
• 线程池
  • 可以使创建好的线程在指定的时间内由系统统一管理，而不是在执行时创建，执行后销毁，从而避免了频繁创建和销毁线程带来的系统开销
  • 线程池处理流程
    • 1 先判断线程池的核心线程是否有空闲，如果有，就把这个新的任务指派给某一个空闲线程去执行。如果没有空闲，并且当前线程池中的的核心线程数小于 corePoolSize ，那就再创建一个核心线程
    • 2 如果线程池的线程数已经达到核心线程数，并且这些线程都繁忙，就把这个新任务放到等待队列中。如果等待队列又满了，那就查看当前线程数是否达到 maximumPoolSize ，如果未达到，就继续创建线程。
    • 3 如果已经达到了，就交给 RejectedExecutionHandler( 拒绝策略 ) 来决定怎么处理这个任务
  • 使用（构造器参数含义）
    • corePoolSize( 线程池的核心线程数大小 )
    • runnableTaskQueue( 任务队列 )
      • ArrayBlockingQueue: 是一个基于数组的有界队列
      • LinkedBlockingQueue: 一个基于链表结构的阻塞队列，吞吐量通常高于 ArrayBlockingQueue
      • SynchronosQueue: 一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于 LinkedBlockingQueue
      • PriorityBlockingQueue: 一个具有优先级的无限阻塞队列
    • maximumPoolSize( 线程池最大线程数 )
    • ThreadFactory: 用于设置创建线程的工厂
    • RejectedExecutionHandler( 拒绝策略 )
      • CallerRunsPolicy: 只用调用者所在线程来运行任务
      • DiscardOldestPolicy: 丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务
      • DiscardPolicy: 不处理，丢弃掉
      • 实现 RejectedExecutionHandler 接口自定义策略。 例如： 1 记录日志 2 持久化不能处理的任务
    • keepAliveTime( 线程活动保持时间 )
    • TimeUnit( 线程活动保持时间的单位 )
  • 注意事项
    • 建议使用 new ThreadPoolExecutor(...) 的方式创建线程
    • 合理设置线程数
      • CPU 密集型任务，就要尽量压榨 CPU ，参考值可以设置为 NCPU+1
      • IO 密集型任务，参考值可以设置为 2*CPU
• Synchronized
  • 使用方式
    • 修饰实例方法：作用于当前实例对象加锁 修饰静态方法：作用于当前类对象加锁 修饰代码块： 指定加锁对象，对给定对象加锁
  • 底层实现
    • 1对象头 在JVM虚拟机中，对象在内存中的存储布局，可分为三个区域： 对象头（Header） 实例数据(Instance Data) 对齐填充（Padding） Java对象头主要包括两部分数据： 类型指针(Klass Pointer): 对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例 标记字段：(Mark Word)：用于存储对象自身运行时数据
    • 2 Java锁对象存储位置
      • synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的标记字段里
    • 3 Monitor
• 锁
  • 乐观锁与悲观锁
    • 乐观锁： 认为每次去拿数据时别人都不会修改，所以不加锁，但是在更新时会判断在此期间别人有没有去更新这个数据，
      • Java 中的实现： CAS 算法
        • 参数：需要读者的内存值 v ，进行比较的值 a ，要写入的值 b 当且仅当预期值 a 和内存值 v 相同时，将内存值 v 修改为 b ，否则返回 v
    • 悲观锁： 总是假设每次去拿数据时认为别人会修改，所以每次在拿数据时都会上锁。其他人想拿到这个数据就会阻塞直到它拿到锁
      • Java 中的实现： synchronized 关键字
      • MySQL 中： 行锁，表锁，读锁，写锁
    • 总结
      • 悲观锁适合写操作多的场景 乐观锁适合读操作多的场景
  • 公平锁与非公平锁
    • 公平锁： 每个线程在获取锁时会先查看此锁维护的等待队列，如果为空，或者当前线程是等待队列的第一个，就占有锁，否则加入到等待队列中，按照 FIFO 的原则取到自己
      • 优点： 等待锁的线程不会饿死 缺点： 等待队列中的每个线程除第一个以外都会阻塞， CPU 唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大
    • 非公平锁： 线程直接尝试占有锁，如果尝试失败，在采用类似公平锁的方式
      • 优点： 减少线程唤起的开销，整体吞吐效率高 缺点： 处于等待队列中的线程可能等很久才会获得锁
    • Java JDK 中并发包的 ReentrantLock 可以指定构造函数的 boolean 类型来创建公平锁和非公平锁 例如：公平锁用 new ReentrantLock(true) 来实现
  • 独享锁与共享锁
    • 独享锁： 该锁一次只能被一个线程持有
    • 共享锁： 该锁可被多个线程所持有
    • 比较：
      • 对于 Java ReentrantLock 而言是独享锁。但是对于 Lock 的另一个实现类 ReadWriteLock ，其读锁是共享锁，写锁是独享锁 读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的 独享锁与共享锁也是通过 AQS 来实现的
  • 分段锁
    • 一种锁设计，不是具体的一种锁
  • Java 常见锁机制
    • synchronized
    • ReentrantLock
    • Samaphore
    • AtomicInteger
• concurrent 包（并发包）
  • 实现结构
  • volatile
    • 被 volatile 修饰的变量，如果值发生了改变，其他线程立马可见
  • CAS
    • 参数：需要读者的内存值 v ，进行比较的值 a ，要写入的值 b 当且仅当预期值 a 和内存值 v 相同时，将内存值 v 修改为 b ，否则返回 v
  • AQS
    • AQS数据模型
    • 三个核心成员变量
      • 共享资源： volatile int state 队头节点： head头节点 队尾节点： tail尾节点 三个变量都是volatile修饰的，通过它来保证共享变量的可见性
    • AQS中state状态变更是基于CAS实现的
      • 主要有三个方法： state状态通过volatile保证共享变量可见性，再由CAS对该同步状态进行原子操作
    • CLH队列（FIFO）
      • CLH队列通过内置的FIFO队列来完成线程等待队列排队
    • 资源共享方式
      • 独占模式，ReentrantLock
      • 共享模式，Semaphore
    • AQS锁获取与释放原理
      • 获取锁
        • 1 线程a获取锁，state将0设置为1，线程a占用 2 在a没有释放锁期间，线程b也来获取锁，线程b获取到state为1，表示线程被占用，线程b创建一个Node节点放入队尾，并且阻塞线程b 3 同理线程c获取state为1，表示线程被占用，线程c创建Node节点，放入队尾且阻塞线程
      • 释放锁
        • 1 线程a执行完，将state从1设置为0 2 唤醒下一个Node b线程节点，然后再删除线程a节点 3 线程b占用，获取state状态，执行完后唤醒下一个Node节点
  • ReentrantLock
    • 主要由CAS和AQS实现，支持公平锁和非公平锁
  • ConcurrentHashMap
  • 子主题