一、并發(fā)

并發(fā)就是讓計(jì)算機(jī)同時(shí)做幾件事情，比如一個(gè)服務(wù)端同時(shí)為多個(gè)客戶端提供服務(wù)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)/通信子系統(tǒng)的速度相差太大，大量時(shí)間用在磁盤(pán)IO/網(wǎng)絡(luò)通信/數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)崭捍。通常用1秒內(nèi)服務(wù)端響應(yīng)的請(qǐng)求數(shù)目來(lái)衡量服務(wù)器性能；服務(wù)端是java語(yǔ)言最擅長(zhǎng)的領(lǐng)域之一啰脚，虛擬機(jī)通過(guò)多線程的協(xié)調(diào)保證并發(fā)效率：線程間的協(xié)調(diào)好則效率高殷蛇，協(xié)調(diào)不好比如頻繁阻塞/死鎖則效率低。

Amdahl定律通過(guò)系統(tǒng)中并行化與串行化的比重來(lái)描述多處理器能獲得的運(yùn)算加速能力橄浓；摩爾定律則描述處理器晶體管數(shù)量與運(yùn)行效率直接的關(guān)系粒梦。這兩個(gè)定律是硬件發(fā)展從追求處理器頻率到追求多核心并行處理的發(fā)展過(guò)程。

1. 硬件的并發(fā)與一致性

1）高速緩存：計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備與處理器的運(yùn)算速度有幾個(gè)量級(jí)的差距荸实，這也是為什么有接近處理器運(yùn)算速度的高速緩存匀们，緩存就相當(dāng)于中間件。緩存的問(wèn)題在于數(shù)據(jù)一致性准给，多處理器系統(tǒng)中泄朴，每個(gè)處理器有自己的緩存，對(duì)接同一個(gè)主內(nèi)存露氮，當(dāng)緩存數(shù)據(jù)不一致時(shí)祖灰，以誰(shuí)為準(zhǔn)呢？緩存一致性協(xié)議用于解決該問(wèn)題畔规。

2）亂序執(zhí)行/指令重排：CPU允許將多條指令不按程序順序分開(kāi)發(fā)送給電路單元處理夫植；并非隨意打亂順序，CPU處理指令依賴情況以保證最終結(jié)果的一致性油讯。

二、Java內(nèi)存模型JMM

JMM的設(shè)計(jì)是為了屏蔽硬件平臺(tái)/操作系統(tǒng)的內(nèi)存差異延欠，實(shí)現(xiàn)java程序在各平臺(tái)的一致內(nèi)存訪問(wèn)陌兑；JMM定義了變量的訪問(wèn)規(guī)則，包括變量存儲(chǔ)到內(nèi)存/從內(nèi)存取出變量由捎，變量指實(shí)例/靜態(tài)字段/數(shù)組兔综，不包括棧上的局部變量/方法參數(shù)，后者線程私有，不存在競(jìng)爭(zhēng)软驰。

1. 主內(nèi)存與工作內(nèi)存

JMM規(guī)定所有變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存（類比主內(nèi)存）涧窒，每個(gè)線程有自己的工作內(nèi)存（類比高速緩存），保存該線程用到的變量的主內(nèi)存拷貝锭亏，線程對(duì)變量的操作在工作內(nèi)存進(jìn)行纠吴。線程間的值傳遞通過(guò)主內(nèi)存進(jìn)行。虛擬機(jī)往往讓工作內(nèi)存優(yōu)先存儲(chǔ)于寄存器/高速緩存慧瘤。

JMM定義的內(nèi)存操作包括：

1）鎖定/解鎖：加鎖把主內(nèi)存變量標(biāo)記為線程獨(dú)占戴已；解鎖后才能被其他線程鎖定

2）讀取/存儲(chǔ)：把主內(nèi)存變量的值讀取到工作內(nèi)存；把工作內(nèi)存的變量傳送到主內(nèi)存

3）載入/寫(xiě)入：把讀取操作從主內(nèi)存得到的變量放入工作內(nèi)存的變量副本锅减；把從工作內(nèi)存得到的變量值放入主內(nèi)存變量糖儡。

4）使用/賦值：把工作內(nèi)存變量傳遞給執(zhí)行引擎；把執(zhí)行引擎返回值賦給工作內(nèi)存變量

JMM定義的內(nèi)存操作規(guī)則：1）變量在工作內(nèi)存變化后必須同步回主內(nèi)存怔匣；2）新變量只能在主內(nèi)存中誕生握联；3）一個(gè)變量同一時(shí)刻只能被一個(gè)線程加鎖；對(duì)變量加鎖會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值每瞒；對(duì)變量解鎖前金闽，必須先同步回主內(nèi)存。

2. 并發(fā)安全特性

1）原子性：一個(gè)或多個(gè)語(yǔ)句要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過(guò)程不被任何因素打斷独泞，要么都不執(zhí)行呐矾。基本數(shù)據(jù)類型的訪問(wèn)讀寫(xiě)是具有原子性的懦砂；更大范圍的原子性通過(guò)加鎖/解鎖實(shí)現(xiàn)(java synchronised)蜒犯，加鎖使得并發(fā)的過(guò)程看起來(lái)像是串行的，生活中的類比可以想一想火車上的廁所荞膘。

2）可見(jiàn)性：當(dāng)線程修改共享變量的值罚随，其他線程能夠立即得知；JMM規(guī)定變量在工作內(nèi)存修改后必須同步回主內(nèi)存羽资；java的volatile/synchronized/final可以保證可見(jiàn)性：1）java volatile保證立即同步到主內(nèi)存淘菩，并且每次使用前從主內(nèi)存刷新，各個(gè)工作內(nèi)存中volatile變量的值可以不同屠升；2）synchronized保證對(duì)變量解鎖前先同步回主內(nèi)存潮改；3）final修飾的字段在構(gòu)造器中初始化完成后，就對(duì)其他線程可見(jiàn)腹暖。

3）有序性：volatile禁止指令重排汇在；Synchronized：變量同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程加鎖。

4）先行發(fā)生原則：如果操作A發(fā)生在操作B之前脏答，那么A產(chǎn)生的影響能夠被B觀察到糕殉，包括共享變量的修改亩鬼，發(fā)送消息等。該原則用于判斷是否線程安全阿蝶，是否會(huì)發(fā)生指令重排雳锋。虛擬機(jī)保證以下次序：1. 程序次序規(guī)則：一個(gè)線程內(nèi)，按照代碼順序執(zhí)行羡洁；2. 管程鎖定規(guī)則：同一個(gè)鎖玷过，解鎖先行于加鎖；3. volatile規(guī)則：對(duì)volatile的寫(xiě)操作先行發(fā)生于讀操作焚廊；4. 線程啟動(dòng)/終止規(guī)則：Thread對(duì)象的start方法>該線程的所有動(dòng)作>線程的終止檢測(cè)冶匹；5. 線程中斷規(guī)則：對(duì)線程interrupt方法的調(diào)用先行發(fā)生于中斷檢測(cè)代碼如interrupted；6. 對(duì)象終結(jié)原則：對(duì)象初始化 > finalize咆瘟；7. 先行發(fā)生原則具有傳遞性：如果A>B; B>C嚼隘，那么A>C

三、Java與線程

線程是比進(jìn)程更輕量級(jí)的調(diào)度執(zhí)行單位袒餐，是CPU調(diào)度的基本單位飞蛹。Java語(yǔ)言級(jí)別的支持就是Thread類，他的關(guān)鍵方法都聲明為native灸眼。

1.?線程實(shí)現(xiàn)

1）使用內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)：內(nèi)核指的是操作系統(tǒng)內(nèi)核卧檐，由OS負(fù)責(zé)線程調(diào)度/切換/把線程交給處理器執(zhí)行；內(nèi)核線程的高級(jí)接口稱為輕量級(jí)進(jìn)程焰宣；2）使用用戶線程實(shí)現(xiàn)：用戶線程是和內(nèi)核線程相對(duì)的概念霉囚；沒(méi)有內(nèi)核的支持，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜匕积，應(yīng)用少盈罐；3）使用用戶線程加輕量級(jí)進(jìn)程混合實(shí)現(xiàn)

2.?Java線程調(diào)度

線程調(diào)度是系統(tǒng)為線程分配處理器使用權(quán)的過(guò)程。分為：

1）協(xié)同式線程調(diào)度：線程執(zhí)行時(shí)間由線程本身控制闪唆，執(zhí)行完成后通知系統(tǒng)切換到其他線程盅粪，不存在線程同步問(wèn)題；缺點(diǎn)是線程執(zhí)行時(shí)間不可控制悄蕾。

2）搶占式線程調(diào)度（java）：系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配線程執(zhí)行時(shí)間票顾，線程切換不由線程本身決定。如java中yield方法可以讓出執(zhí)行時(shí)間帆调，但無(wú)法獲取執(zhí)行時(shí)間奠骄。通過(guò)設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)給某些線程多分配時(shí)間，其他線程少分配一些番刊，java提供10個(gè)優(yōu)先級(jí)級(jí)別含鳞。但是優(yōu)先級(jí)不一定靠譜，還要看操作系統(tǒng)撵枢。

3. 線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換

Java語(yǔ)言定義了5中線程狀態(tài)：

1）新建new：創(chuàng)建后尚未啟動(dòng)的線程民晒。Thread t = new Thread(new RunnableTask());

2）運(yùn)行Runnable：正在執(zhí)行或者等待CPU分配執(zhí)行時(shí)間；Thread.isAlive()锄禽；

3）等待分為：1. 無(wú)限期等待：不會(huì)被CPU分配時(shí)間潜必，等待其他線程喚醒notify()，沒(méi)有timeout參數(shù)的wait()/join()/park()方法會(huì)導(dǎo)致該狀態(tài)沃但；2. 限期等待：不會(huì)被CPU分配時(shí)間磁滚，一定時(shí)間后系統(tǒng)喚醒，如TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100)宵晚，設(shè)置timeout的上述方法垂攘。

當(dāng)任務(wù)依賴于另一任務(wù)計(jì)算的值，則調(diào)用join()將異步執(zhí)行的線程變成同步淤刃，在線程A中調(diào)用線程B的join方法晒他，那么線程A會(huì)被掛起，直至線程B執(zhí)行結(jié)束(alive)逸贾。

4）阻塞：和等待的區(qū)別在于阻塞在等待獲取排他鎖synchronized陨仅，而等待是在等待時(shí)間

5）結(jié)束：task執(zhí)行完成/run方法正常結(jié)束；interrupt（類似異常退出線程執(zhí)行/類似于break）铝侵；Thread.cancel()灼伤；

四、java對(duì)象線程安全級(jí)別

對(duì)象在一項(xiàng)工作期間咪鲜，不停的中斷和切換狐赡，對(duì)象的屬性可能會(huì)在中斷期間被修改，從而引發(fā)線程安全問(wèn)題疟丙。當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)一個(gè)對(duì)象颖侄，如果不用考慮這些線程在運(yùn)行時(shí)的調(diào)度/交替，也不需要額外的同步隆敢，調(diào)用行為都可以獲得正確的結(jié)果发皿，那這個(gè)對(duì)象是線程安全的，其代碼本身封裝了正確性保障手段（互斥同步）拂蝎。線程安全根源在于共享數(shù)據(jù)穴墅。

1）不可變Immutable：不可變的對(duì)象(string/final/Number類型)永遠(yuǎn)不會(huì)在多個(gè)線程處于不一致的狀態(tài)。如果共享數(shù)據(jù)是一個(gè)基本數(shù)據(jù)類型温自，可以聲明為final玄货；對(duì)象類型，可以保證對(duì)象行為不會(huì)對(duì)其狀態(tài)產(chǎn)生影響悼泌，比如把對(duì)象中的狀態(tài)變量都用final修飾松捉。

2）絕對(duì)線程安全：基本不存在。

3）相對(duì)線程安全：通常說(shuō)的線程安全都是相對(duì)線程安全馆里；保證對(duì)象的單獨(dú)操作是線程安全的隘世，但對(duì)于連續(xù)操作可柿，則仍然可能需要調(diào)用端用同步手段保證正確性。如Vector/HashTable丙者，他的add/get/size方法都用synchronized修飾复斥；

4）線程兼容：通常說(shuō)的非線程安全，但通過(guò)調(diào)用端的同步手段能保證正確性械媒，如ArrayList和HashMap目锭。

5）線程對(duì)立：基本不存在，無(wú)論調(diào)用端怎么做纷捞，都無(wú)法在多線程中并發(fā)使用的代碼痢虹。

五、線程安全的實(shí)現(xiàn)方法

1.?互斥同步 mutex(mutual exclusion)&synchronization

常用主儡。同步指變量同一時(shí)刻只被一個(gè)線程使用奖唯；互斥是實(shí)現(xiàn)方式（臨界區(qū)/互斥量/信號(hào)量），是一種悲觀并發(fā)策略。

java通過(guò)synchronized實(shí)現(xiàn)互斥同步，編譯后在同步塊前后形成monitorenter/monitorexit字節(jié)碼指令罢艾。字節(jié)碼指令參數(shù)reference表示鎖定對(duì)象。若synchronised明確指定對(duì)象參數(shù)瓢阴，則該對(duì)象作為reference；如果synchronized修飾的是實(shí)例/類方法健无，則相應(yīng)的對(duì)象實(shí)例/class對(duì)象就是鎖對(duì)象荣恐。執(zhí)行monitorenter指令時(shí)，嘗試獲取對(duì)象的鎖累贤，如果對(duì)象沒(méi)有被鎖定或者當(dāng)前線程已經(jīng)持有對(duì)象鎖（可重入）叠穆，就把鎖的計(jì)數(shù)器加1；執(zhí)行monitorexit時(shí)鎖計(jì)數(shù)器減1臼膏，計(jì)數(shù)為0時(shí)釋放鎖硼被。獲取對(duì)象鎖失敗，則當(dāng)前線程阻塞渗磅，直到對(duì)象鎖被另一個(gè)線程釋放嚷硫。

互斥同步是重量級(jí)操作，阻塞/喚醒線程需要從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)始鱼。確實(shí)必要才使用synchronized仔掸，虛擬機(jī)優(yōu)化如在通知OS阻塞線程之前加入自旋等待。

2.?非阻塞同步

隨著硬件指令集發(fā)展医清，基于沖突檢測(cè)的樂(lè)觀并發(fā)策略：先操作起暮，沒(méi)有其他線程爭(zhēng)用共享數(shù)據(jù)則操作成功；有競(jìng)爭(zhēng)則采取補(bǔ)償措施如重試会烙。

1）testAndSet负懦；2）getAndIncrement：調(diào)用了CAS筒捺，原子類具有該方法，原子類提供的加減操作都是線程安全的纸厉；3）swap焙矛；4）compareAndSwap/CAS：3個(gè)操作數(shù)：內(nèi)存位置V/舊的預(yù)期值A(chǔ)/新值B。CAS指令執(zhí)行時(shí)残腌，如果V==A，則V=B贫导，返回V舊值抛猫；否則不更新，返回V舊值孩灯。具有ABA問(wèn)題闺金，如果A改為B后又改回A，則無(wú)法檢測(cè)到修改峰档；5）加載鏈接/條件存儲(chǔ)

3.?無(wú)同步方案

不涉及共享數(shù)據(jù)的方法就不需要同步保證安全败匹。

1）可重入代碼/純代碼：可在代碼執(zhí)行的任何時(shí)刻中斷，轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一段代碼讥巡，而在控制權(quán)返回后不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤掀亩；用到的狀態(tài)量都由參數(shù)傳入。

2）線程本地存儲(chǔ)：如果一段代碼中需要的數(shù)據(jù)必須和其他代碼共享欢顷，那就看這些代碼能否在一個(gè)線程中執(zhí)行槽棍，比如消費(fèi)隊(duì)列的架構(gòu)模式/web交互模型的一個(gè)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)一個(gè)服務(wù)器線程；線程提供ThreadLocal用于存儲(chǔ)本線程對(duì)象抬驴。

六炼七、鎖優(yōu)化

1）適應(yīng)性自旋：讓等待鎖的線程稍等一下，不放棄處理器的執(zhí)行時(shí)間布持，執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)（自旋）豌拙；鎖占用時(shí)間短的情況下優(yōu)化效果好。自適應(yīng)意味著自旋時(shí)間不固定题暖，而是由上一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間和鎖擁有者的狀態(tài)來(lái)決定按傅。

2）鎖消除：對(duì)代碼上要求鎖，但經(jīng)過(guò)逃逸分析判斷數(shù)據(jù)不會(huì)被其他線程訪問(wèn)/競(jìng)爭(zhēng)的鎖進(jìn)行消除芙委，發(fā)生在JIT優(yōu)化逞敷。

3）鎖粗化：編寫(xiě)代碼時(shí)，推薦同步塊盡可能小灌侣，從而等待鎖的線程能盡快拿到鎖推捐。對(duì)于反復(fù)加鎖/釋放鎖的操作，會(huì)采用鎖粗化的優(yōu)化方式侧啼。

此外還有輕量級(jí)鎖和偏向鎖牛柒。