前言

高并發(fā)萄窜、多線程可謂是 Java 最核心诈泼、最難懂唧垦，也是圈子里都趨之若鶩的知識(shí)點(diǎn)捅儒，掌握這一知識(shí)就可以在工作和面試中站在“上帝視角”笑傲江湖。筆者將會(huì)再次從 JMM 和 JVM 出發(fā)振亮，從緩存一致性出發(fā)巧还，再到 volatile、然后講解 synchronized 的實(shí)現(xiàn)原理双炕、Lock 的最佳實(shí)踐狞悲，最后結(jié)合自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)談?wù)勛约簩?duì)并發(fā)的認(rèn)識(shí)。

基礎(chǔ)知識(shí)準(zhǔn)備

Amdahl 定律和 Gustafson 定律

先來說一下并發(fā)編程下兩條重要的性能定律：Amdahl（阿姆達(dá)爾）定律和 Gustafson（古斯塔夫森）定律妇斤。Amdahl 說的是在一個(gè)應(yīng)用程序中并行數(shù)量的百分比越高摇锋，其整體的性能就會(huì)越來越高，Gustafon 說的是在應(yīng)用程序中如果串行數(shù)量一定的情況下站超，并行的數(shù)量不論怎么增長荸恕，都會(huì)達(dá)到一個(gè)極限。舉例說明就是死相，A 到 B 的距離是 100KM融求，前半程速度是 50KM/h，那么在后半程速度越高算撮，那么整體的花費(fèi)的時(shí)間就會(huì)越短生宛，這就是 Amdahl 定律，然而不論后半程速度不論快肮柜，哪怕是光速陷舅，其花費(fèi)的時(shí)間也只能是無限接近 1h，這就是 Gustafon 定律审洞。

線程通信機(jī)制

在線程之間的通信機(jī)制有兩種莱睁，共享內(nèi)存和消息傳遞。在共享內(nèi)存的方式中，線程之間通過 read-write 內(nèi)存中的公共狀態(tài)隱式實(shí)現(xiàn)通信仰剿，典型的作法就是通過共享對(duì)象的方式進(jìn)行通信创淡。但是在繁忙的內(nèi)存操作中，如何實(shí)現(xiàn)共享方式南吮，就需要依靠緩存一致性協(xié)議琳彩，具體實(shí)現(xiàn)就是 volatile 關(guān)鍵字。在消息傳遞的方式中旨袒，線程之間需要顯式地發(fā)送消息來實(shí)現(xiàn)通信汁针，這就是為什么需要有 wait 和 notify 方法。

線程和進(jìn)程

擁有資源和獨(dú)立調(diào)度的基本單位是進(jìn)程砚尽。在操作系統(tǒng)中施无，線程是獨(dú)立調(diào)度的基本單位，進(jìn)程是資源擁有的基本單位必孤。調(diào)度 CPU 資源的最小單位是線程猾骡，線程又分為線用戶級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程。

用戶級(jí)線程（User Level Thread敷搪，簡稱 ULT）

用戶級(jí)線程是由用戶創(chuàng)建的線程兴想，線程阻塞則其進(jìn)程阻塞，用戶線程比內(nèi)核線程創(chuàng)建速度赡勘、切換速度要快嫂便。用戶線程創(chuàng)建不需要依賴操作系統(tǒng)核心，內(nèi)核對(duì)用戶線程是無感知的闸与。

內(nèi)核級(jí)線程（Kernel Level Thread毙替，簡稱 KLT）

內(nèi)核級(jí)線程是由內(nèi)核創(chuàng)建的，內(nèi)核線程線程阻塞不會(huì)導(dǎo)致其進(jìn)程阻塞践樱，只有內(nèi)核線程才具有操作 CPU 的權(quán)限厂画，用戶級(jí)線程通過內(nèi)核提供的交互接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，內(nèi)核級(jí)線程的創(chuàng)建比用戶級(jí)線程開銷更大拷邢。

Tips：用戶級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程是隔離開的袱院，最直接的證據(jù)就是，在操作系統(tǒng)中某個(gè)用戶的線程報(bào)錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致用戶進(jìn)停止瞭稼、異常忽洛，但是一般不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)異常、宕機(jī)环肘。

串行欲虚、并行和并發(fā)

• 串行：一次只能取得一個(gè)任務(wù)并執(zhí)行這一個(gè)任務(wù)。
• 并行：多進(jìn)程或多線程的方式同時(shí)執(zhí)行這些任務(wù)廷臼，每個(gè)進(jìn)程或者每個(gè)線程分到一個(gè)任務(wù)。
• 并發(fā)：同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程并將一個(gè)大任務(wù)拆解成多個(gè)子任務(wù)執(zhí)行，單個(gè)線程會(huì)分到多個(gè)子任務(wù)荠商。

死鎖和活鎖

死鎖

死鎖是兩個(gè)或者兩個(gè)以上的進(jìn)程或者線程在執(zhí)行過程中因爭奪資源而相互等待的現(xiàn)象寂恬，簡單的說法就是線程相互持有另一個(gè)線程所需要的資源，造成了線程間相互阻塞的情況莱没。

活鎖

活鎖是任務(wù)沒有被阻塞初肉，但是由于某些條件沒有滿足，導(dǎo)致線程重復(fù)嘗試 -> 失敗 -> 嘗試 -> 失敗的惡性循環(huán)中饰躲。簡單點(diǎn)說就是線程間相互的謙讓導(dǎo)致任務(wù)不能正常的執(zhí)行牙咏。

死鎖和活鎖的區(qū)別在于活鎖的情況下被鎖的對(duì)象狀態(tài)是不斷變化的（線程操作發(fā)現(xiàn)不能完全滿足條件而造成的對(duì)象的加鎖和解鎖），這就是活鎖的體現(xiàn)嘹裂。死鎖則表現(xiàn)在線程間相互等待妄壶，被鎖的對(duì)象狀態(tài)是一直不變的，線程間處于阻塞的狀態(tài)寄狼《〖模活鎖可能自行解鎖，死鎖則需要依靠外力進(jìn)行解鎖泊愧。

鎖饑餓

鎖饑餓則是一個(gè)或者多個(gè)線程因?yàn)槎喾N原因無法獲取資源伊磺，導(dǎo)致任務(wù)一直無法執(zhí)行。由于 Java 采用了時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)線程調(diào)度删咱，因此可以對(duì)線程設(shè)置優(yōu)先級(jí)屑埋。比如高優(yōu)先級(jí)的線程一直搶占低優(yōu)先級(jí)線程的 CPU 時(shí)間，就會(huì)導(dǎo)致線程一直在被阻塞痰滋。

重排序

為了提高和優(yōu)化程序性能編譯器和處理器對(duì)指令序列進(jìn)行重新排序摘能，但是不論怎么改變，都必須要遵守 as-if-serial 語義和 happens-before 原則即寡。

as-if-serial 語義說的是在多線程的情況下徊哑，也能保證程序串行（或者說是單線程）的方式運(yùn)行。這里距一個(gè)例子：

// A 步驟給 x 賦值聪富，B 步驟給 x 賦值為 4莺丑，C 步驟給 x 賦值為 3
int x = 0; // A
x= 4; // B
x =3; // C
System.out.println("x = " + x); // D 輸出結(jié)果

如果發(fā)生指令重排，那么 C 可能出現(xiàn)在 B 的前面墩蔓，那么最后出現(xiàn)的結(jié)果就是錯(cuò)誤的值 4梢莽。

**happens-before** 是 JMM 最核心的概念，JSR-133 定義的 happens-before 的規(guī)則如下：

• 程序順序性：線程中的每個(gè)操作奸披，都要優(yōu)先于線程中的任意后續(xù)操作昏名。例如方法返回結(jié)果必須整個(gè)方法運(yùn)行結(jié)束后才能返回。
• 監(jiān)視器鎖規(guī)則：線程加鎖的動(dòng)作要先于其解鎖的動(dòng)作阵面。
• volatile 變量規(guī)則：volatile 的寫操作要優(yōu)先于 volatile 讀操作轻局。
• 傳遞性：如果 A 優(yōu)先于 B洪鸭，B 優(yōu)先于 C，那么 A 也一定優(yōu)先于 C 仑扑。
• start 原則：線程 start 之后览爵，線程才能執(zhí)行動(dòng)作。

逃逸分析

前一篇文章中也講到了如果需要棧上分配镇饮，則需要開啟逃逸分析蜓竹，這樣對(duì)象才能在棧上創(chuàng)建，這里再次詳細(xì)說一下開啟逃逸分析的特點(diǎn)：

• 棧上分配：對(duì)象如果不會(huì)逃逸到方法外储藐，則對(duì)象可以在棧上進(jìn)行內(nèi)存分配俱济，棧銷毀會(huì)將對(duì)象銷毀，避免了垃圾回收操作钙勃，開啟逃逸分析的 JVM 參數(shù)配置 -XX:+DoEscapeAnalysis蛛碌。
• 同步消除：對(duì)象如果不會(huì)逃逸出線程，可以將對(duì)象的同步操作消除肺缕，如果代碼里進(jìn)行了加鎖操作左医，JVM 會(huì)自動(dòng)去除加鎖操作。開啟同步消除的 JVM 參數(shù)配置 -XX:+EliminateLocks同木。
• 標(biāo)量替換：聚合量簡單的理解就是一個(gè)對(duì)象浮梢，標(biāo)量就是基本數(shù)據(jù)類型和簡單的包裝類。標(biāo)量替換是將一個(gè)聚合量拆散成標(biāo)量的過程彤路，如果一個(gè)對(duì)象不會(huì)被外部訪問秕硝，且對(duì)象可以被拆散，那么程序執(zhí)行時(shí)不會(huì)創(chuàng)建此對(duì)象洲尊，而是用對(duì)象中的屬性標(biāo)量來替代整個(gè)對(duì)象远豺。開啟標(biāo)量替換的 JVM 參數(shù)配置 -XX:+EliminateAllocations。

緩存一致性協(xié)議

這個(gè)知識(shí)點(diǎn)大家第一反應(yīng)不就是 MESI 嗎坞嘀？其實(shí)還真不是躯护，MESI 協(xié)議只是緩存一致性協(xié)議的其中一種實(shí)現(xiàn)方式而已，是 Intel 的提出的丽涩，也是目前認(rèn)知最廣的一種棺滞，還有 ASM 協(xié)議等。

大家都知道數(shù)據(jù)的讀寫速度如下：

讀 CPU > 讀緩存 > 讀內(nèi)存 > 讀硬盤 > 讀網(wǎng)絡(luò)

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由于存在讀取速度的差異矢渊，所以會(huì)在 CPU 和內(nèi)存之間加上多級(jí)緩存继准，來解決讀寫速度差的問題，同時(shí)也提高了 CPU 和主存的工作效率矮男。但是多級(jí)緩存的存在移必，在多個(gè)線程競爭讀寫主存（物理內(nèi)存）當(dāng)中數(shù)據(jù)的時(shí)候，到導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致的嚴(yán)重后果毡鉴。假設(shè)主存中有一個(gè)變量 a =1崔泵，假設(shè) CPU1 和 CPU2 已經(jīng)對(duì)應(yīng)的多級(jí)緩存中已經(jīng)加載了 a 的副本秒赤，在 t0 時(shí)刻各個(gè)位置的 a 的值都為 1，在某一時(shí)刻 t1憎瘸，CPU1 將 a 的值 +1 并寫入緩存中倒脓，在 t2 時(shí)刻 CPU2 將 a 的值 +1 也寫入了緩存中，按照時(shí)間的順序含思，a 的值應(yīng)該變?yōu)?3，但是由于緩存的存在甘晤，在 t2 時(shí)刻 CPU2 對(duì)應(yīng)的緩存 a 的值并沒有更新為最新的值為 2含潘，因此，當(dāng)緩存同步數(shù)據(jù)到主存時(shí)线婚，最終的結(jié)果將會(huì)是 2遏弱。具體過程如下圖所示：