01 |可見性蒋纬、原子性和有序性問題：并發(fā)編程Bug的源頭

原子性：線程切換導(dǎo)致原子性。

可見性：CPU緩存導(dǎo)致可見性来庭。

有序性：編譯優(yōu)化導(dǎo)致有序性宣决。

02 | Java內(nèi)存模型：看Java如何解決可見性和有序性問題

Java 內(nèi)存模型規(guī)范了 JVM 如何提供按需禁用緩存和編譯優(yōu)化的方法。具體來說吆你，這些方法包括 volatile弦叶、synchronized 和 final 三個關(guān)鍵字，以及六項 Happens-Before 規(guī)則妇多。

volatile：告訴編譯器伤哺，對這個變量的讀寫，不能使用 CPU 緩存者祖，必須從內(nèi)存中讀取或者寫入默责。

Happens-Before 規(guī)則

前面一個操作的結(jié)果對后續(xù)操作是可見的。在 Java 語言里面咸包，Happens-Before 的語義本質(zhì)上是一種可見性，A Happens-Before B 意味著 A 事件對 B 事件來說是可見的杖虾，無論 A 事件和 B 事件是否發(fā)生在同一個線程里烂瘫。

1、程序順序性原則?

按照程序順序奇适，前面的操作 Happens-Before 于后續(xù)的任意操作坟比。（此處指統(tǒng)一代碼塊中的單線程思維）

2、volatile原則

對一個 volatile 變量的寫操作嚷往， Happens-Before 于后續(xù)對這個 volatile 變量的讀操作葛账。（結(jié)合規(guī)則3（傳遞性）使用）（寫變量“v=true”? ? 讀變量 “v=true”）

3、傳遞性

如果 A Happens-Before B皮仁，且 B Happens-Before C籍琳，那么 A Happens-Before C。

舉例如下:

代碼:class VolatileExample {

? int x = 0;

? volatile boolean v = false;

? public void writer() {

? ? x = 42;

? ? v = true;

? }

? public void reader() {

? ? if (v == true) {

? ? ? // 這里x會是多少呢贷祈？

? ? }

? }

｝

分析:上面的示例代碼趋急，假設(shè)線程 A 執(zhí)行 writer() 方法，按照 volatile 語義势誊，會把變量 “v=true” 寫入內(nèi)存呜达；假設(shè)線程 B 執(zhí)行 reader() 方法，同樣按照 volatile 語義粟耻，線程 B 會從內(nèi)存中讀取變量 v查近，如果線程 B 看到 “v == true” 時眉踱，那么線程 B 看到的變量 x 是42

PS:利用了volatite和傳遞性原則

4、管程中鎖的規(guī)則

對一個鎖的解鎖 Happens-Before 于后續(xù)對這個鎖的加鎖——（假設(shè) x 的初始值是 10霜威，線程 A 執(zhí)行完代碼塊后 x 的值會變成 12（執(zhí)行完自動釋放鎖）谈喳，線程 B 進(jìn)入代碼塊時，能夠看到線程 A 對 x 的寫操作侥祭，也就是線程 B 能夠看到 x==12）叁执。這個地方對于synchronized（管程中的一種）同樣適用，一個鎖的解鎖?Happens-Before后續(xù)這個鎖的加鎖矮冬。

5谈宛、線程start()原則

它是指主線程 A 啟動子線程 B 后，子線程 B 能夠看到主線程在啟動子線程 B 前的操作

6胎署、線程join原則

主線程 A 等待子線程 B 完成（主線程 A 通過調(diào)用子線程 B 的 join() 方法實現(xiàn)）吆录，當(dāng)子線程 B 完成后（主線程 A 中 join() 方法返回），主線程能夠看到子線程的操作琼牧。當(dāng)然所謂的“看到”恢筝，指的是對共享變量的操作。

final

在 1.5 以后 Java 內(nèi)存模型對 final 類型變量的重排進(jìn)行了約束【薹唬現(xiàn)在只要我們提供正確構(gòu)造函數(shù)沒有“逸出”撬槽，就不會出問題了。

03 | 互斥鎖（上）：解決原子性問題

我們把一段需要互斥執(zhí)行的代碼稱為臨界區(qū)趾撵。

Java 語言提供的鎖技術(shù)：synchronized（鎖和鎖要保護的資源是有對應(yīng)關(guān)系的侄柔，比如你用你家的鎖保護你家的東西，我用我家的鎖保護我家的東西）占调。受保護資源和鎖之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系是 N:1 的關(guān)系暂题，但是不能用多把鎖來保護一個資源。

當(dāng)修飾靜態(tài)方法的時候究珊，鎖定的是當(dāng)前類的 Class 對象薪者，在上面的例子中就是 Class X；當(dāng)修飾非靜態(tài)方法的時候剿涮，鎖定的是當(dāng)前實例對象 this言津。

同一線程在調(diào)用自己類中其他 synchronized 方法/塊或調(diào)用父類的 synchronized 方法/塊都不會阻礙該線程的執(zhí)行。就是說同一線程對同一個對象鎖是可重入的取试，而且同一個線程可以獲取同一把鎖多次纺念，也就是可以多次重入。

04 | 互斥鎖（下）：如何用一把鎖保護多個資源想括？

細(xì)粒度鎖：用不同的鎖對受保護資源進(jìn)行精細(xì)化管理陷谱，是性能優(yōu)化的一個重要手段。（使用細(xì)粒度鎖是有代價的，這個代價就是可能會導(dǎo)致死鎖）

this 這把鎖可以保護自己的資源烟逊，卻保護不了別人的資源渣窜，就像你不能用自家的鎖來保護別人家的資產(chǎn)，也不能用自己的票來保護別人的座位一樣宪躯。

我們提到用同一把鎖來保護多個資源——包場：鎖能覆蓋所有受保護資源

“原子性”的本質(zhì)：其實不是不可分割乔宿，不可分割只是外在表現(xiàn)，其本質(zhì)是多個資源間有一致性的要求访雪，操作的中間狀態(tài)對外不可見详瑞。（解決原子性問題，是要保證中間狀態(tài)對外不可見臣缀。）

PS：不能用可變對象做鎖

05 | 一不小心就死鎖了坝橡，怎么辦？

死鎖的一個比較專業(yè)的定義是：一組互相競爭資源的線程因互相等待精置，導(dǎo)致“永久”阻塞的現(xiàn)象计寇。

以下四個條件都發(fā)生時才會出現(xiàn)死鎖：

1、互斥脂倦，共享資源 X 和 Y 只能被一個線程占用番宁；

2、占有且等待赖阻，線程 T1 已經(jīng)取得共享資源 X蝶押，在等待共享資源 Y 的時候，不釋放共享資源 X火欧；

3棋电、不可搶占，其他線程不能強行搶占線程 T1 占有的資源布隔；

4、循環(huán)等待稼虎，線程 T1 等待線程 T2 占有的資源衅檀，線程 T2 等待線程 T1 占有的資源，就是循環(huán)等待霎俩。

也就是說只要我們破壞其中一個哀军，就可以成功避免死鎖的發(fā)生（互斥這個條件我們沒有辦法破壞，因為我們用鎖為的就是互斥）

1. 破壞占用且等待條件

從理論上講打却，要破壞這個條件杉适，可以一次性申請所有資源。

2. 破壞不可搶占條件

核心是要能夠主動釋放它占有的資源

3. 破壞循環(huán)等待條件

破壞這個條件柳击，需要對資源進(jìn)行排序猿推，然后按序申請資源。(這個實現(xiàn)非常簡單，我們假設(shè)每個賬戶都有不同的屬性 id蹬叭，這個 id 可以作為排序字段藕咏，申請的時候，我們可以按照從小到大的順序來申請秽五。)

06 | 用“等待-通知”機制優(yōu)化循環(huán)等待

等待 - 通知機制：線程首先獲取互斥鎖孽查，當(dāng)線程要求的條件不滿足時，釋放互斥鎖坦喘，進(jìn)入等待狀態(tài)盲再；當(dāng)要求的條件滿足時，通知等待的線程瓣铣，重新獲取互斥鎖答朋。

Java 語言內(nèi)置的 synchronized 配合 wait()、notify()坯沪、notifyAll() 這三個方法就能輕松實現(xiàn)等待 - 通知機制

等待隊列和互斥鎖是一對一的關(guān)系绿映，每個互斥鎖都有自己獨立的等待隊列。

wait() 操作工作原理圖

notify() 操作工作原理圖

注意：被通知的線程要想重新執(zhí)行腐晾，仍然需要獲取到互斥鎖（因為曾經(jīng)獲取的鎖在調(diào)用 wait() 時已經(jīng)釋放了）

等待 - 通知機制中叉弦，我們需要考慮以下四個要素。

互斥鎖：上一篇文章我們提到 Allocator 需要是單例的藻糖，所以我們可以用 this 作為互斥鎖淹冰。

線程要求的條件：轉(zhuǎn)出賬戶和轉(zhuǎn)入賬戶都沒有被分配過。

何時等待：線程要求的條件不滿足就等待巨柒。

何時通知：當(dāng)有線程釋放賬戶時就通知樱拴。

07 | 安全性、活躍性以及性能問題

并發(fā)編程主要要注意三個問題：安全性問題洋满、活躍性問題和性能問題

安全性問題

線程安全：程序按照我們期望的執(zhí)行晶乔，不要讓我們感到意外

數(shù)據(jù)競爭：當(dāng)多個線程同時訪問同一數(shù)據(jù)

競態(tài)（爭）條件：指的是程序的執(zhí)行結(jié)果依賴線程執(zhí)行的順序

活躍性問題

活躍性問題：指的是某個操作無法執(zhí)行下去。

“死鎖”就是一種典型的活躍性問題牺勾，當(dāng)然除了死鎖外正罢，還有兩種情況，分別是“活鎖”和“饑餓”驻民。

有時線程雖然沒有發(fā)生阻塞翻具，但仍然會存在執(zhí)行不下去的情況，這就是所謂的“活鎖”

“饑餓”指的是線程因無法訪問所需資源而無法執(zhí)行下去的情況——在 CPU 繁忙的情況下回还，優(yōu)先級低的線程得到執(zhí)行的機會很小裆泳，就可能發(fā)生線程“饑餓”；持有鎖的線程柠硕，如果執(zhí)行的時間過長工禾，也可能導(dǎo)致“饑餓”問題。——解決“饑餓”問題的方案帜篇，有三種方案：一是保證資源充足糙捺，二是公平地分配資源，三就是避免持有鎖的線程長時間執(zhí)行笙隙。這三個方案中洪灯，方案一和方案三的適用場景比較有限，因為很多場景下竟痰，資源的稀缺性是沒辦法解決的签钩，持有鎖的線程執(zhí)行的時間也很難縮短。倒是方案二的適用場景相對來說更多一些坏快。那如何公平地分配資源呢铅檩？在并發(fā)編程里，主要是使用公平鎖

性能問題

Java SDK 并發(fā)包里之所以有那么多東西莽鸿，有很大一部分原因就是要提升在某個特定領(lǐng)域的性能昧旨。

第一，既然使用鎖會帶來性能問題祥得，那最好的方案自然就是使用無鎖的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)了兔沃。

第二，減少鎖持有的時間级及。

性能方面的度量指標(biāo)有很多乒疏，我覺得有三個指標(biāo)非常重要，就是：吞吐量饮焦、延遲和并發(fā)量

08 | 管程：并發(fā)編程的萬能鑰匙

管程（Monitor）和信號量是等價的怕吴，所謂等價指的是用管程能夠?qū)崿F(xiàn)信號量，也能用信號量實現(xiàn)管程县踢。

管程转绷，指的是管理共享變量以及對共享變量的操作過程，讓他們支持并發(fā)硼啤∫榫——翻譯為 Java 領(lǐng)域的語言，就是管理類的成員變量和成員方法丙曙，讓這個類是線程安全的爸业。

MESA 模型

在并發(fā)編程領(lǐng)域其骄，有兩大核心問題：一個是互斥亏镰，即同一時刻只允許一個線程訪問共享資源；另一個是同步拯爽，即線程之間如何通信索抓、協(xié)作。

管程解決互斥問題的思路很簡單，就是將共享變量及其對共享變量的操作統(tǒng)一封裝起來逼肯。

封裝變量&封裝對變量的操作

借鑒就醫(yī)流程耸黑，看管程如何解決線程間的同步問題

MEAS管程模型

每個條件變量都對應(yīng)有一個等待隊列

兩個重要的類：ReentrantLock &? Condition

final Lock lock = new ReentrantLock();

// 條件變量：隊列不滿 final Condition notFull = lock.newCondition();

// 條件變量：隊列不空 final Condition notEmpty = lock.newCondition();

09 | Java線程（上）：Java線程的生命周期

通用的線程生命周期基本上可以用下圖這個“五態(tài)模型”來描述。這五態(tài)分別是：初始狀態(tài)篮幢、可運行狀態(tài)大刊、運行狀態(tài)、休眠狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)三椿。

通用線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖——五態(tài)模型

Java 語言中線程共有六種狀態(tài)缺菌，分別是：

NEW（初始化狀態(tài)）

RUNNABLE（可運行 / 運行狀態(tài)）

BLOCKED（阻塞狀態(tài)）

WAITING（無時限等待）

TIMED_WAITING（有時限等待）

TERMINATED（終止?fàn)顟B(tài)）

Java 線程中的 BLOCKED、WAITING搜锰、TIMED_WAITING 是一種狀態(tài)伴郁，即前面我們提到的休眠狀態(tài)。也就是說只要 Java 線程處于這三種狀態(tài)之一蛋叼，那么這個線程就永遠(yuǎn)沒有 CPU 的使用權(quán)焊傅。

Java 中的線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

1. RUNNABLE 與 BLOCKED 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

只有一種場景會觸發(fā)這種轉(zhuǎn)換，就是線程等待 synchronized 的隱式鎖(等待的線程就會從 RUNNABLE 轉(zhuǎn)換到 BLOCKED 狀態(tài)狈涮。而當(dāng)?shù)却木€程獲得 synchronized 隱式鎖時狐胎，就又會從 BLOCKED 轉(zhuǎn)換到 RUNNABLE 狀態(tài)。)

2. RUNNABLE 與 WAITING 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

Object.wait() 薯嗤、 Thread.join() 顽爹、 LockSupport.park()

3. RUNNABLE 與 TIMED_WAITING 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

調(diào)用帶超時參數(shù)的 Thread.sleep(long millis) 方法；獲得 synchronized 隱式鎖的線程骆姐，調(diào)用帶超時參數(shù)的 Object.wait(long timeout) 方法镜粤；調(diào)用帶超時參數(shù)的 Thread.join(long millis) 方法；調(diào)用帶超時參數(shù)的 LockSupport.parkNanos(Object blocker, long deadline) 方法玻褪；調(diào)用帶超時參數(shù)的 LockSupport.parkUntil(long deadline) 方法肉渴。

TIMED_WAITING 和 WAITING 狀態(tài)的區(qū)別，僅僅是觸發(fā)條件多了超時參數(shù)带射。

4. 從 NEW 到 RUNNABLE 狀態(tài)

從 NEW 狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 RUNNABLE 狀態(tài)很簡單同规，調(diào)用線程對象的 start()

5. 從 RUNNABLE 到 TERMINATED 狀態(tài)

1、線程執(zhí)行完 run() 方法后窟社，會自動轉(zhuǎn)換到 TERMINATED 狀態(tài)券勺，當(dāng)然如果執(zhí)行 run() 方法的時候異常拋出，也會導(dǎo)致線程終止灿里。? 2关炼、調(diào)用 interrupt() 方法

6、NEW狀態(tài)

新建一個線程對象

010 | Java線程（中）：創(chuàng)建多少線程才是合適的匣吊？

要解決這個問題儒拂，首先要分析以下兩個問題：

為什么要使用多線程寸潦？? 多線程的應(yīng)用場景有哪些？

計算機主要有哪些硬件呢社痛？主要是兩類：一個是 I/O见转，一個是 CPU。簡言之蒜哀，在并發(fā)編程領(lǐng)域斩箫，提升性能本質(zhì)上就是提升硬件的利用率，再具體點來說撵儿，就是提升 I/O 的利用率和 CPU 的利用率校焦。(PS: CPUworking跟I/Oworking都是有線程在參與)

我們的程序一般都是 CPU 計算和 I/O 操作交叉執(zhí)行的，所以有CPU密集型跟IO密集型的區(qū)別

CPU 密集型計算

對于 CPU 密集型的計算場景统倒，理論上“線程的數(shù)量 =CPU 核數(shù)”就是最合適的寨典。不過在工程上，線程的數(shù)量一般會設(shè)置為“CPU 核數(shù) +1”房匆，這樣的話耸成，當(dāng)線程因為偶爾的內(nèi)存頁失效或其他原因?qū)е伦枞麜r，這個額外的線程可以頂上浴鸿，從而保證 CPU 的利用率井氢。

I/O 密集型的計算場景

最佳線程數(shù) =1 +（I/O 耗時 / CPU 耗時）? ? 單核CPU

最佳線程數(shù) =CPU 核數(shù) * [ 1 +（I/O 耗時 / CPU 耗時）? ? 多核CPU

目標(biāo)就是讓CPU 和 I/O 設(shè)備的利用率都達(dá)到最高位。將硬件的性能發(fā)揮到極致岳链。

單線程執(zhí)行示意圖

二線程執(zhí)行示意圖

三線程執(zhí)行示意圖

011 | Java線程（下）：為什么局部變量是線程安全的花竞？

局部變量的作用域是方法內(nèi)部，也就是說當(dāng)方法執(zhí)行完掸哑，局部變量就沒用了约急，局部變量應(yīng)該和方法同生共死。（局部變量是和方法同生共死的苗分，一個變量如果想跨越方法的邊界厌蔽，就必須創(chuàng)建在堆里。）

兩個線程可以同時用不同的參數(shù)調(diào)用相同的方法摔癣，那調(diào)用棧和線程之間是什么關(guān)系呢奴饮？答案是：每個線程都有自己獨立的調(diào)用棧。

線程與調(diào)用棧的關(guān)系圖

沒有共享择浊，就沒有傷害戴卜。

附：

當(dāng)調(diào)用方法時，會創(chuàng)建新的棧幀琢岩，并壓入調(diào)用棧投剥；

調(diào)用棧結(jié)構(gòu)

局部變量就是放到了調(diào)用棧里

保護局部變量的調(diào)用棧結(jié)構(gòu)

012 |? 如何用面向?qū)ο笏枷雽懞貌l(fā)程序？

在 Java 語言里粘捎，面向?qū)ο笏枷肽軌蜃尣l(fā)編程變得更簡單薇缅。

用面向?qū)ο笏枷雽懞貌l(fā)程序:

1、封裝共享變量? 2攒磨、識別共享變量間的約束條件? 3泳桦、制定并發(fā)訪問策略

1、封裝共享變量

面向?qū)ο笏枷肜锩嬗幸粋€很重要的特性是封裝娩缰，封裝的通俗解釋就是將屬性和實現(xiàn)細(xì)節(jié)封裝在對象內(nèi)部灸撰，外界對象只能通過目標(biāo)對象提供的公共方法來間接訪問這些內(nèi)部屬性.將共享變量作為對象屬性封裝在內(nèi)部，對所有公共方法制定并發(fā)訪問策略拼坎。

對于不會發(fā)生變化的共享變量浮毯，建議你用 final 關(guān)鍵字來修飾。

2泰鸡、識別共享變量間的約束條件

這些約束條件债蓝，決定了并發(fā)訪問策略。識別出所有共享變量之間的約束條件盛龄，如果約束條件識別不足饰迹，很可能導(dǎo)致制定的并發(fā)訪問策略南轅北轍。

共享變量之間的約束條件余舶，反映在代碼里啊鸭，基本上都會有 if 語句，所以匿值，一定要特別注意競態(tài)條件赠制。

3、制定并發(fā)訪問策略

避免共享：避免共享的技術(shù)主要是利于線程本地存儲以及為每個任務(wù)分配獨立的線程挟憔。

不變模式：這個在 Java 領(lǐng)域應(yīng)用的很少钟些，但在其他領(lǐng)域卻有著廣泛的應(yīng)用，例如 Actor 模式绊谭、CSP 模式以及函數(shù)式編程的基礎(chǔ)都是不變模式厘唾。

管程及其他同步工具：Java 領(lǐng)域萬能的解決方案是管程，但是對于很多特定場景龙誊，使用 Java 并發(fā)包提供的讀寫鎖抚垃、并發(fā)容器等同步工具會更好。

優(yōu)先使用成熟的工具類：Java SDK 并發(fā)包里提供了豐富的工具類趟大，基本上能滿足你日常的需要鹤树，建議你熟悉它們，用好它們逊朽，而不是自己再“發(fā)明輪子”罕伯，畢竟并發(fā)工具類不是隨隨便便就能發(fā)明成功的。

迫不得已時才使用低級的同步原語：低級的同步原語主要指的是 synchronized叽讳、Lock追他、Semaphore 等坟募，這些雖然感覺簡單，但實際上并沒那么簡單邑狸，一定要小心使用懈糯。

避免過早優(yōu)化：安全第一，并發(fā)程序首先要保證安全单雾，出現(xiàn)性能瓶頸后再優(yōu)化赚哗。在設(shè)計期和開發(fā)期，很多人經(jīng)常會情不自禁地預(yù)估性能的瓶頸硅堆，并對此實施優(yōu)化屿储，但殘酷的現(xiàn)實卻是：性能瓶頸不是你想預(yù)估就能預(yù)估的。