一吩跋、概述

1. 線程

線程允許在同一個(gè)進(jìn)程中存在多個(gè)程序控制流叙凡。線程可以共享進(jìn)程的資源厌蔽，但是每個(gè)線程都有自己的程序計(jì)數(shù)器、棧和局部變量表抢腐。同一進(jìn)程中的不同線程能夠訪問(wèn)相同的變量姑曙，并且在同一個(gè)堆上分配對(duì)象。

2. 多線程

多線程的優(yōu)勢(shì)／作用

• 提高程序的運(yùn)行性能迈倍。
• 充分利用系統(tǒng)的處理能力伤靠，提高系統(tǒng)的資源利用率。
• 提高系統(tǒng)響應(yīng)性啼染，即線程可以在運(yùn)行現(xiàn)有任務(wù)的情況下立即開始處理新的任務(wù)宴合。

多線程通信

多線程之間需要進(jìn)行通信，線程的通信依賴共享內(nèi)存和線程方法的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)迹鹅。Java內(nèi)存模型分為主內(nèi)存和工作內(nèi)存卦洽，通過(guò)內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)線程之間的通信；主動(dòng)調(diào)用線程的wait()斜棚、notify()方法也可以實(shí)現(xiàn)線程之間的通信阀蒂。

多線程引發(fā)的問(wèn)題

多線程并發(fā)執(zhí)行可能會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題：

安全性問(wèn)題：在單線程系統(tǒng)上正常運(yùn)行的代碼，在多線程環(huán)境中可能會(huì)出現(xiàn)意料之外的結(jié)果弟蚀。

活躍性問(wèn)題：不正確的加鎖脂新、解鎖方式可能會(huì)導(dǎo)致死鎖or活鎖問(wèn)題。

性能問(wèn)題：多線程并發(fā)即多個(gè)線程切換運(yùn)行粗梭，線程切換會(huì)有一定的消耗并且不正確的加鎖争便。

名詞概念：

• 安全性：即正確性，指“程序得到正確的結(jié)果”断医。
• 活躍性：指”正確的是最終會(huì)發(fā)生“滞乙。
• 性能：即程序的服務(wù)時(shí)間、延遲時(shí)間（響應(yīng)速度）鉴嗤、吞吐率斩启、可伸縮性、容量醉锅、效率等兔簇。

多線程問(wèn)題的深層原因

1. 分時(shí)調(diào)度模型

2. JAVA內(nèi)存模型
3. 指令重排

二、并發(fā)問(wèn)題（安全性問(wèn)題）

核心

要編寫線程安全的代碼，核心在于對(duì)狀態(tài)訪問(wèn)操作進(jìn)行管理垄琐。特別是對(duì)共享的和可變的狀態(tài)的訪問(wèn)边酒。

解決思路

當(dāng)發(fā)生安全性問(wèn)題時(shí)。有三種解決問(wèn)題的角度：

• 不在線程之間共享變量
• 將狀態(tài)變量修改為不可變
• 訪問(wèn)狀態(tài)變量時(shí)使用同步機(jī)制狸窘。

前兩種方式從根本上避免了多線程并發(fā)問(wèn)題的原因：對(duì)共享和可變狀態(tài)的訪問(wèn)墩朦。

1. 不在線程之間共享變量

即限制變量只能在單個(gè)線程中訪問(wèn)。

實(shí)現(xiàn)方式：

1. 線程封閉

   保證變量只能被一個(gè)線程可以訪問(wèn)到翻擒∶セ粒可以通過(guò)Executors.newSingleThreadExecutor()實(shí)現(xiàn)。

2. 棧封閉

   棧封閉即使用局部變量陋气。局部變量只會(huì)存在于本地方法棧中劳吠，不能被其他線程訪問(wèn)，因此也就不會(huì)出現(xiàn)并發(fā)問(wèn)題巩趁。所以如果可以使用局部變量就優(yōu)先使用局部變量赴背。

3. ThreadLocal封閉

   ThreadLocal是Java提供的實(shí)現(xiàn)線程封閉的一種方式，ThreadLocal內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)Map晶渠，Map的key是各個(gè)線程凰荚，而Map的值就是要封閉的對(duì)象。每個(gè)線程中的對(duì)象都對(duì)應(yīng)著Map中一個(gè)值褒脯，也就是ThreadLocal利用Map實(shí)現(xiàn)了對(duì)象的線程封閉便瑟。

2. 將狀態(tài)變量修改為不可變

即使用不可變對(duì)象。

不可變對(duì)象：當(dāng)一個(gè)對(duì)象構(gòu)造完成后番川，其狀態(tài)就不再變化到涂，我們稱這樣的對(duì)象為不可變對(duì)象（Immutable Object），這些對(duì)象關(guān)聯(lián)的類為不可變類（Immutable Class）颁督。

比如Java中的String践啄、Integer、Double沉御、Long等所有原生類型的包裝器類型屿讽，都是不可變的。

大多數(shù)時(shí)候吠裆，線程間是通過(guò)使用共享資源實(shí)現(xiàn)通信的伐谈。如果該共享資源誕生之后就完全不再變更（猶如一個(gè)常量），多線程間共同并發(fā)讀取該共享資源是不會(huì)產(chǎn)生線程沖突的试疙，因?yàn)樗芯€程無(wú)論何時(shí)讀取該共享資源诵棵，總是能獲取到一致的、完整的資源狀態(tài)祝旷，這樣也能規(guī)避多線程沖突履澳。不可變對(duì)象就是這樣一種誕生之后就完全不再變更的對(duì)象嘶窄，該類對(duì)象天生支持在多線程間共享。

3. 使用同步機(jī)制

關(guān)注一個(gè)并發(fā)問(wèn)題距贷，有3個(gè)基本的關(guān)注點(diǎn)：

• 原子性柄冲，即一個(gè)操作或者多個(gè)操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過(guò)程不會(huì)被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行储耐。
• 可見性，當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)滨溉，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值什湘，其他線程能夠立即看得到修改的值。
• 有序性晦攒，有序性指的是數(shù)據(jù)不相關(guān)的變量在并發(fā)的情況下闽撤，實(shí)際執(zhí)行的結(jié)果和單線程的執(zhí)行結(jié)果是一樣的，不會(huì)因?yàn)橹嘏判虻膯?wèn)題導(dǎo)致結(jié)果不可預(yù)知脯颜。

所有的并發(fā)問(wèn)題的都可以從這三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析并針對(duì)性的進(jìn)行解決哟旗。

a. 可見性問(wèn)題

概念：

可見性指的是一個(gè)線程對(duì)變量的寫操作對(duì)其他線程后續(xù)的讀操作可見。

問(wèn)題分析：

由于Java的內(nèi)存模型栋操，內(nèi)存分為主內(nèi)存和線程內(nèi)存闸餐，線程讀寫變量時(shí)都需要先講主內(nèi)存的變量拷貝到線程內(nèi)存中，讀寫操作都在線程內(nèi)存中進(jìn)行矾芙∩嵘常可能一個(gè)線程寫入了變量的值，但還沒(méi)有同步到主內(nèi)存中剔宪，這時(shí)另外一個(gè)線程讀取變量值就會(huì)讀到舊的值拂铡，即發(fā)生了可見性問(wèn)題。

解決方式：voliate關(guān)鍵字／synchronized關(guān)鍵字

原理：：每次修改變量后葱绒，立即將變量寫會(huì)主內(nèi)存感帅；每次使用變量時(shí)，必須從主內(nèi)存中同步變量的值地淀。

b.原子性問(wèn)題

概念：

原子性是指某個(gè)(些)操作在語(yǔ)意上是原子的失球。

問(wèn)題分析：

由于線程的調(diào)度模型，每個(gè)線程會(huì)被分配一定的cpu時(shí)間帮毁，執(zhí)行時(shí)間結(jié)束后切換到下一個(gè)線程執(zhí)行她倘。可能存在一個(gè)線程訪問(wèn)并修改變量作箍，在整個(gè)操作完成之前被切出執(zhí)行硬梁，切換到另外一個(gè)線程執(zhí)行，該線程對(duì)變量也進(jìn)行的操作胞得，之后再切回原來(lái)線程繼續(xù)執(zhí)行時(shí)荧止，變量的值可能已經(jīng)被修改，無(wú)法得到正確的結(jié)果。因此需要通過(guò)某些方式保證操作的原子性跃巡。

原子性變量操作：

根據(jù)Java內(nèi)存模型保證的原子性變量操作包括read load use assign store write危号，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的訪問(wèn)、讀取素邪、寫是原子性的（注意long外莲，double），另外還有l(wèi)ock和unlock操作兔朦，反映到j(luò)ava代碼中即synchronized操作也是原子性的

解決方式：synchronized關(guān)鍵字/其他互斥鎖

原理：保證同一時(shí)間只能有一個(gè)線程訪問(wèn)加鎖區(qū)域中的代碼偷线，即保證了原子性。

擴(kuò)展

競(jìng)態(tài)條件：指某個(gè)操作由于不同的執(zhí)行時(shí)序而出現(xiàn)不同的結(jié)果沽甥。專門用來(lái)描述原子性問(wèn)題声邦。

c. 有序性問(wèn)題

有序性的語(yǔ)意有三層

1. 保證多線程執(zhí)行的串行順序
2. 防止重排序引起的問(wèn)題
3. 程序執(zhí)行的先后順序，比如JMM定義的一些Happens-before規(guī)則

解決方式：volatile, final, synchronized摆舟，顯式鎖都可以保證有序性亥曹。

三、活躍性問(wèn)題

活躍性問(wèn)題包括但不限于死鎖恨诱、活鎖媳瞪、饑餓等。

死鎖：死鎖發(fā)生在一個(gè)線程需要獲取多個(gè)資源的時(shí)候照宝，這時(shí)由于兩個(gè)線程互相等待對(duì)方的資源而被阻塞材失，死鎖是最常見的活躍性問(wèn)題。

活鎖：活鎖指的是線程不斷重復(fù)執(zhí)行相同的操作硫豆，但每次操作的結(jié)果都是失敗的龙巨。盡管這個(gè)問(wèn)題不會(huì)阻塞線程，但是程序也無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行熊响。

饑餓：饑餓指的線程無(wú)法訪問(wèn)到它需要的資源而不能繼續(xù)執(zhí)行時(shí)旨别，引發(fā)饑餓最常見資源就是CPU時(shí)鐘周期。

四汗茄、性能問(wèn)題

1. 性能

概述

性能包括很多方面：服務(wù)時(shí)間秸弛、延遲時(shí)間（響應(yīng)速度）、吞吐率洪碳、可伸縮性递览、容量、效率等瞳腌。

分類

可以分為兩大類：

運(yùn)行速度：服務(wù)時(shí)間绞铃、等待時(shí)間。即對(duì)于某個(gè)指定的任務(wù)單元嫂侍，“多快”才能處理完成儿捧。（一般對(duì)于單線程）

處理能力：可伸縮性荚坞、吞吐量、生產(chǎn)量菲盾。即對(duì)于計(jì)算資源一定的情況下颓影，可以完成“多少”工作。（一般針對(duì)于多線程）

性能調(diào)優(yōu)

在進(jìn)行性能調(diào)優(yōu)時(shí)需要明確優(yōu)化指標(biāo)懒鉴、運(yùn)行環(huán)境诡挂、測(cè)試or驗(yàn)證方式、優(yōu)化的代價(jià)和影響等多方面因素临谱。

需要考慮多種修改可能造成的影響：安全性璃俗、可讀性、可維護(hù)性吴裤、資源消耗旧找、其他風(fēng)險(xiǎn)等溺健。

針對(duì)線程并發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)采用的方法和傳統(tǒng)的性能調(diào)優(yōu)方法不同麦牺。

對(duì)于傳統(tǒng)的性能調(diào)優(yōu)：已更少的代價(jià)完成相同的工作，比如緩存鞭缭、替換使用低復(fù)雜度算法等剖膳。

對(duì)于并發(fā)的性能調(diào)優(yōu)：將問(wèn)題的計(jì)算并行化、從而利用更多的計(jì)算資源岭辣。

2. 針對(duì)并發(fā)程序的性能調(diào)優(yōu)

多線程的最主要目的是提高程序的運(yùn)行性能吱晒。使程序充分利用系統(tǒng)的處理能力，提高系統(tǒng)的資源利用率沦童。

在討論并發(fā)程序的性能時(shí)仑濒，一般關(guān)注它的可伸縮性。

可伸縮性：當(dāng)增加計(jì)算資源時(shí)（CPU偷遗、內(nèi)存墩瞳、存儲(chǔ)容量或I／O帶寬），程序的吞吐量或處理能力能夠相應(yīng)的增加氏豌。

想要通過(guò)線程并發(fā)獲得更好的伸縮性有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

1. 有效利用現(xiàn)有的處理資源
2. 在出現(xiàn)新的系統(tǒng)資源時(shí)使程序盡可能利用這些新資源

系統(tǒng)資源：CPU時(shí)鐘周期喉酌、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬泵喘、I／O帶寬泪电、數(shù)據(jù)庫(kù)請(qǐng)求、磁盤空間等纪铺。

可伸縮性優(yōu)化的注意點(diǎn)：

• 并發(fā)中的串行操作
• 線程的額外開銷相速，包括上下文切換、內(nèi)存同步鲜锚、阻塞等
• 獨(dú)占方式的資源鎖和蚪，當(dāng)鎖的請(qǐng)求頻率*持有時(shí)間越大時(shí)表明鎖的競(jìng)爭(zhēng)越激烈止状。可以通過(guò)縮小鎖的范圍（持有時(shí)間）攒霹、鎖分解（多加鎖怯疤、但是會(huì)增加死鎖的概率）、鎖分段催束、避免熱點(diǎn)域集峦、減少使用獨(dú)占鎖等方式來(lái)減少鎖的競(jìng)爭(zhēng)。

五抠刺、并發(fā)程序的設(shè)計(jì)

1. 執(zhí)行策略

執(zhí)行策略：

• 在什么線程中執(zhí)行任務(wù)
• 以什么順序執(zhí)行這些策略塔淤，F(xiàn)IFO、LIFO速妖、優(yōu)先級(jí)
• 有多少個(gè)任務(wù)可以并發(fā)執(zhí)行
• 有多少個(gè)任務(wù)可以等待執(zhí)行
• 如果系統(tǒng)因?yàn)檫^(guò)載需要拋棄一個(gè)任務(wù)高蜂，應(yīng)該選擇哪一個(gè)任務(wù)來(lái)拋棄？進(jìn)一步罕容，如何通知應(yīng)用程序任務(wù)被拋棄备恤？

執(zhí)行策略的目的：

更高效地利用系統(tǒng)資源，提高服務(wù)質(zhì)量锦秒。避免因?yàn)椴l(fā)影響了性能露泊。

執(zhí)行策略的優(yōu)勢(shì)：

將任務(wù)的提交過(guò)程和執(zhí)行過(guò)程解耦。

2. 線程管理

ThreadExecutor線程池 - 重用已有線程

• 減少系統(tǒng)開銷旅择，減少線程創(chuàng)建和銷毀時(shí)的巨大開銷
• 提高響應(yīng)性惭笑，避免由于創(chuàng)建線程導(dǎo)致延遲任務(wù)執(zhí)行的時(shí)機(jī)
• 充分利用系統(tǒng)資源，創(chuàng)建足夠多的線程使處理器保持忙碌狀態(tài)生真，同時(shí)防止多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)資源導(dǎo)致應(yīng)用程序耗盡內(nèi)存或者失敗

線程池注意點(diǎn)：

• 任務(wù)和執(zhí)行策略之間的耦合性和相關(guān)性
• 線程池大小
• 配置ThreadPoolExecutor：線程的創(chuàng)建和銷毀沉噩、管理任務(wù)隊(duì)列、飽和策略柱蟀、線程工廠
• 其他擴(kuò)展：日志川蒙、計(jì)時(shí)、監(jiān)視产弹、統(tǒng)計(jì)信息

3. 中斷派歌、取消和關(guān)閉

線程的取消和關(guān)閉，可以分為四個(gè)維度：任務(wù)痰哨、線程胶果、服務(wù)、應(yīng)用程序

針對(duì)任務(wù)斤斧，需要明確取消策略：

取消策略（how早抠、when、what）

• 其他代碼如何請(qǐng)求取消該任務(wù)
• 任務(wù)在何時(shí)取消檢查已經(jīng)請(qǐng)求了取消
• 響應(yīng)取消請(qǐng)求時(shí)需要應(yīng)該進(jìn)行哪些操作

六撬讽、擴(kuò)展

1. java內(nèi)存模型

java內(nèi)存模型主要目標(biāo)是定義程序中各個(gè)變量的訪問(wèn)規(guī)則蕊连，即在虛擬機(jī)中將變量存儲(chǔ)到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細(xì)節(jié)悬垃。

Java內(nèi)存模型分為主內(nèi)存和工作內(nèi)存。駐內(nèi)存所有線程共享甘苍，工作內(nèi)存每個(gè)線程單獨(dú)擁有尝蠕，不共享。

線程工作內(nèi)存中保存著該線程所用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝载庭。

線程對(duì)于變量的所有操作看彼，都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量囚聚。

線程無(wú)法獲取其他線程工作內(nèi)存中的變量靖榕，線程間變量值的傳遞必須通過(guò)主內(nèi)存完成

• lock(鎖定)：作用于主內(nèi)存，它把一個(gè)變量標(biāo)記為一條線程獨(dú)占狀態(tài)顽铸；
• unlock(解鎖)：作用于主內(nèi)存茁计，它將一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來(lái)，釋放后的變量才能夠被其他線程鎖定谓松；
• read（讀刃茄埂）：作用于主內(nèi)存變量，把一個(gè)變量值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中毒返，以便隨后的load動(dòng)作使用
• load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量租幕，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中舷手。
• use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量拧簸，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)需要使用變量的值的字節(jié)碼指令時(shí)將會(huì)執(zhí)行這個(gè)操作男窟。
• assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量盆赤，它把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)給變量賦值的字節(jié)碼指令時(shí)執(zhí)行這個(gè)操作歉眷。
• store（存儲(chǔ)）：作用于工作內(nèi)存的變量牺六，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write的操作汗捡。
• write（寫入）：作用于主內(nèi)存的變量淑际，它把store操作從工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存的變量中

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2. 指令重排

目標(biāo)：提高運(yùn)行速度。

起因：只要程序的最終結(jié)果與嚴(yán)格串行環(huán)境中執(zhí)行的結(jié)果相同扇住，那么所有操作都是允許的春缕。

重排序的問(wèn)題是一個(gè)單獨(dú)的主題，常見的重排序有3個(gè)層面:

1. 編譯級(jí)別的重排序艘蹋，比如編譯器的優(yōu)化
2. 指令級(jí)重排序锄贼，比如CPU指令執(zhí)行的重排序
3. 內(nèi)存系統(tǒng)的重排序，比如緩存和讀寫緩沖區(qū)導(dǎo)致的重排序