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关于java:Java并发编程系列之一并发理论基础

jiezi

Java 并发编程系列之一并发实践根底

本系列文章开始 Java 并发编程的进阶篇的学习，为了初学者对多线程的初步应用有基本概念和把握，前置常识会对一些根底篇的内容进行介绍，以使初学者可能丝滑入戏。

多线程学习，真正的难点不在于多线程程序的逻辑有多简单，而在于理清 J.U.C 包中各个多线程工具类之间的关系、特点及其应用场景，学习应该是从整体到部分、高屋建瓴，这对学习任何常识都至关重要。

站在上帝视角，以全局视线，抽丝剥茧，深刻每个并发编程的各个包及 APi 的底层实现。

概览

下图为并发编程蕴含的所有常识。读者大抵浏览各个包及实现类，以做到成竹在胸。

毫无疑问 JUC 是并发编程的核心内容，也是咱们文章笔墨重点，咱们来看 JUC 包下所有的内容。JUC 即 java.util.concurrent

应用多线程大大提高了 CPU 的利用效率，凡事无利皆有弊，那应用多线程会引发什么问题呢？

多线程引起的问题

应用多线程会引发并发问题，如果多个线程对同一个共享数据进行拜访而不采取同步操作的话，那么操作的后果是不统一的。

如果张三、李四、王二哥仨代表三个线程，哥仨只有一个钱包，张三取完钱还没记到账上，李四把钱又取走了，这样导致了数据不统一问题。

这样的问题是怎么引发的呢？

呈现的本源就是 CPU、内存、I/O 设施的速度是有极大差别的，为了正当利用 CPU 的高性能，均衡这三者的速度差别，计算机体系结构、操作系统、编译程序都做出了奉献，次要体现为:

  • CPU 减少了缓存，以平衡与内存的速度差别；// 导致 可见性 问题
  • 操作系统减少了过程、线程，以分时复用 CPU，进而平衡 CPU 与 I/O 设施的速度差别；// 导致 原子性 问题
  • 编译程序优化指令执行秩序，使得缓存可能失去更加正当地利用。// 导致 有序性 问题

可见性、原子性、有序性即为并发三要素，张三取钱没有同步到账上，也就是可见性问题。

咱们重点说一下有序性。

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                // 语句 1  
flag = true;           // 语句 2

下面代码定义了一个 int 型变量，定义了一个 boolean 类型变量，而后别离对两个变量进行赋值操作。

从代码程序上看，语句 1 是在语句 2 后面的，那么 JVM 在真正执行这段代码的时候会保障语句 1 肯定会在语句 2 后面执行吗?

不肯定，为什么呢? 这里可能会产生指令重排序（Instruction Reorder）。

在执行程序时为了进步性能，编译器和处理器经常会对指令做重排序。重排序分三种类型：

  • 编译器优化的重排序。编译器在不扭转单线程程序语义的前提下，能够重新安排语句的执行程序。
  • 指令级并行的重排序。古代处理器采纳了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism，ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器能够扭转语句对应机器指令的执行程序。
  • 内存零碎的重排序。因为处理器应用缓存和读 / 写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

从 Java 源代码到最终理论执行的指令序列，会别离经验上面三种重排序：

1 属于编译器重排序，2 和 3 属于处理器重排序。

这些重排序都可能会导致多线程程序呈现内存可见性问题。

并发存在问题，语言的设计者们就要解决这些问题。

JAVA 是怎么解决并发问题的

既然多线程存在这三个问题，那么 Java 就须要解决这三个问题。

1、针对原子性，Java 内存模型只保障了根本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大粒度的原子性，能够通过 synchronized 和 Lock 来实现。

2、针对可见性，Java 提供了 volatile 关键字来保障可见性。当一个共享变量被 volatile 润饰时，它会保障批改的值会立刻被更新到主存，当有其余线程须要读取时，它会去内存中读取新值。，通过 synchronized 和 Lock 也可能保障可见性，synchronized 和 Lock 能保障同一时刻只有一个线程获取锁而后执行同步代码，并且在开释锁之前会将对变量的批改刷新到主存当中。

3、针对有序性，应用后行产生准则（happens-before），让一个操作无需管制就能先于另一个操作实现。

而 JUC 的呈现实质上也是为了解决这些问题，当然，这是后话。

怎么防止并发问题呢？

不可变 (Immutable) 的对象肯定是线程平安的，不须要再采取任何的线程平安保障措施。只有一个不可变的对象被正确地构建进去，永远也不会看到它在多个线程之中处于不统一的状态。

多线程环境下，该当尽量使对象成为不可变，来满足线程平安。

  • final 关键字润饰的根本数据类型
  • String
  • 枚举类型
  • Number 局部子类，如 Long 和 Double 等数值包装类型，BigInteger 和 BigDecimal 等大数据类型。但同为 Number 的原子类 AtomicInteger 和 AtomicLong 则是可变的。

对于汇合类型，能够应用 Collections.unmodifiableXXX() 办法来获取一个不可变的汇合。

明天的并发编程的基础理论常识就聊到这，次要引出了为什么要应用多线程，应用多线程会造成什么问题及怎么解决这些问题的理论知识，下篇开始介绍如何应用 java 中的多线程。

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