《java并发编程的艺术》摘要

清疚 2022-12-19 14:28 289阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   *  JMM与JVM内存模型
         *  happens-before
         *  as-if-serial
         *  数据依赖性
         *  总线事务
         *  final
         *  volatile
         *   *  实现原理
             *  语义
         *  synchronized的实现原理
         *   *  循环cas带来的问题
         *  线程状态
         *  suspend，resume，stop
         *  队列同步器
         *  ReenterLock
         *   *  公平锁与非公平锁
             *  读写锁
         *  HashMap
         *  阻塞队列
         *  CycleBarrier和CountDownLatch
         *  Semaphore
         *  Exchanger
         *  线程池
         *  ScheduledThreadPoolExecutor
         *  FutureTask
         *  知识结构图

### JMM与JVM内存模型 ###

Java内存模型（JMM）:控制线程和主内存之间的关系，线程通过更改本地内存，最终刷新到主内存，其他线程读取主内存数据，来控制线程之间数据可见。**在JVM内存模型中，以方法栈来对应线程本地内存，堆对应主内存。**  
JVM内存模型包含：方法区，堆，程序计数器，方法栈，本地方法区。前两者是线程共享，后三者是线程独占。

### happens-before ###

它是指前一个动作要对后一个动作可见。常见的happens-before规则：**一个线程内的程序顺序，锁的释放与下一个锁的获取，volatile变量的写与随后的volatile读，start先于线程的其他操作，A中B.join会导致B的所有操作先于join的返回**。happens-before具有传递性。

### as-if-serial ###

它是指无论怎么重排序，程序结果都不会发生改变。

### 数据依赖性 ###

两个对同一个变量的操作，且**至少有一个为写操作**，则这两个操作具有数据依赖性，在重排序时，不会对这两个操作重排序。

### 总线事务 ###

**数据需要通过总线在处理器和内存之间传递**，在该过程中的一系列步骤称为一个总线事务。从内存读数据到处理器为读事务，从处理器写数据到内存是写事务。由于在一个总线事务处理期间，会禁止其他处理器或者io设备对内存的读写。在多线程请求执行总线事务时，总线会仲裁，选择一个事务先执行，其他线程等待。

在32位处理器中，如果想对64位的数据操作，是需要拆成两个操作，就不能保证原子性(long,double).

### final ###

1.在final变量的写之后，构造函数return之前会有一个storestore屏障。jvm也会禁止final写重排序到构造函数之外。这样会保证在读一个对象时，final域已经初始化过了。  
2.因为读final域前会有loadload屏障，所以初次读一个对象和随后的初次读final域不会重排序。

### volatile ###

#### 实现原理 ####

1.**lock前缀指令**会引起处理器缓存回写到内存。这个过程最终是通过缓存锁定，即锁住内存区域的缓存，并回写到内存实现的。  
2.一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效。因为处理器会通过嗅探技术保证它的内部缓存，系统缓存和其他处理器的缓存在总线上一致。当处理器嗅探到该缓存行处于无效状态（和其他处理器总线数据不一样），则会强行刷新缓存。

#### 语义 ####

1.原子性：只对volatile变量的读写操作保证原子性，对于volatile变量的多操作如++(先读后写)等，不具有原子性。  
2.可见性：任意的volatile读总是能看到volatile的最后的写（最新值）。  
**原理：**  
1.每个volatile写操作前都有一个storestore屏障。禁止前面的普通写与volatile写发生重排序。  
2.每个volatile写操作后都有一个storeload屏障。禁止volatile写与后续的volatile读写发生重排序。*这个为什么不放在volatile读前，是因为使用volatile的场景就是多读少写的场景，所以放在写后面可以提高效率。*  
3.每个volatile读操作前都有一个loadload屏障。禁止下面的普通读与volatile读重排序。  
4.每个volatile写操作后都有一个loadstore屏障。禁止下面的写与volatile读重排序。  
有时候多个volatile的读写操作会省略不必要的屏障指令。  
在AQS当中其实就是使用volatile的state来维护同步状态。

### synchronized的实现原理 ###

java对象头包含了hashcode,gc分代年龄，锁标记位等。  
通过**monitorenter**标记同步代码块的开始位置，**monitorexit**标记同步块的异常和结束位置。任何一个对象都会关联一个monitor。当执行到同步块时，会去获取对象的monitor所有权，一旦持有monitor则说明该线程获取到锁了。  
synchronized支持隐式重入—递归。

java通过锁和循环cas实现原子操作。cas是通过CMPXCHG指令实现的。

锁升级过程：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MjI2MDI3MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

#### 循环cas带来的问题 ####

1.**ABA**:由A变成B,又由B变成A，检查发现先后值并没有变化。为了解决这种问题，引入了AtomicStampedRefrence，可以记录版本号，看是否发生变化了。  
2.**循环时间太久**：循环太久会消耗cpu，而使用pause指令，可以延迟流水线执行指令，也可以防止内存冲突导致cpu流水线被清空。  
3.**只能保证一个共享变量的原子操作**：可以通过合并共享变量（i=2，j=a,合并后就是ij=2a，cas只要操作ij就行了），或者使用atomicrefrence来保证多个变量的原子性。

### 线程状态 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MjI2MDI3MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

*  yield是将cpu放弃掉，进入**就绪状态**，所以有可能**又被调度**。
 *  阻塞状态就是等待进入synchronized同步块的状态；因为Lock中使用的是LockSupport相关方法，所以**阻塞在Lock中的线程是等待状态**。  
    **当线程等待进入运行状态（eg:sleep）时，这个时长是不确定的。**

### suspend，resume，stop ###

*  因为suspend的线程并不会释放锁，且不会有时间限制，容易导致死锁，现已废弃suspend和与之对应的resume。
 *  stop无法保证资源的释放。

**synchronized的同步队列和等待队列**:当线程没有获取到锁时，成为阻塞状态，且进入同步队列，只有当其他线程(A)释放了锁，才会被A唤醒同步队列的线程。notify是让等待队列中的线程进入同步队列，线程状态由waiting变成blocked。

**中断**：线程的中断标识，在线程响应了中断后，会在抛出InterruptedException前先清除中断标识位，所以在捕获InterruptedException后，查看isInterrupted也是false状态。

### 队列同步器 ###

**AQS**:使用一个volatile int成员变量(state)表示锁的占有状态，通过FIFO双向队列（同步队列）完成线程排队工作。它支持独占式获取与释放同步状态，共享式获取与释放同步状态和查询同步队列中线程的情况。当一个节点获取同步状态失败，就会封装成一个节点，加入到同步队列，一旦同步状态释放，会唤醒首个节点尝试获取同步状态。  
Condition（FIFO队列）是等待队列，能够同时存在多个。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MjI2MDI3MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

*  state表示同步状态,state为0表示没有线程持有锁，大于0表示有线程占有锁，也可表示为占用锁的线程数。
 *  Node中waitStatus属性具有几个特殊值  
    **INITIAL**(0)初始状态；  
    **CACELLED**(1)线程等待超时或者被中断了，需要从同步队列移除；  
    **SIGNAL**(-1)后继节点处于等待状态，如果当前节点被取消或者释放了同步状态，会通知后继节点的线程；  
    **CONDITION**(-2)节点处于等待队列condition中，只能在signal()后移入同步队列；  
    **PROPAGATE**(-3)下一次共享式同步状态会我无条件的传播下去。）。
 *  获取锁：如果成功，则设置为头节点。失败，则入队，阻塞住。  
    **addWaiter**: 获取锁失败后，会调用该方法，将当前线程包装成一个node，加入到队尾。exclusive是null。  
    **shouldParkAfterFailedAcquire**：当前节点是SIGNAL状态则当前节点需要阻塞；其他情况，需要保持当前节点的前节点状态是SIGNAL（移除所有为CANCELLED的前驱节点），且当前节点不用阻塞。因为在该方法执行时，资源已被占有，当前节点之前的节点都不会发生变化，所以在此方法操作前节点。  
    **cancelAcquire**：取消获取资源。在该方法中先会移除后节点指针（CANCELLED）；然后设置当前节点为CANCELLED状态；再进行如下操作：  
    1.如果当前节点是tail，则需要设置当前节点前面最近一个不为CANCELLED的节点为tail节点。  
    2.如果当前节点是head，则需要唤醒后继节点。如果当前节点的后继节点为null，则从tail往前找，找到第一个不为CANCELLED的节点，且唤醒它。因为此时是先断开next，所以只能根据prev从tail往前找。  
    3.如果是中间节点，则将前节点与后继节点关联起来，设置前节点为SIGNAL。  
    释放锁：如果已经能释放锁，则将头节点（自己）状态变更为0，将唤醒后继节点。

### ReenterLock ###

内部通过AQS来实现锁功能，支持公平与非公平两种模式，具有一个同步队列，多个等待队列（condition）。所有的等待队列中的线程可以被signal加入到同一个同步队列中。

#### 公平锁与非公平锁 ####

两者是指在绝对时间上，是不是等待时间越久的线程，越先获取锁。在非公平锁中，获取锁时，相较公平锁少了 判断当前同步队列是否有节点正在等待锁，非公平锁锁直接CAS同步状态。

#### 读写锁 ####

锁状态：使用同一个int值表示读写状态。高16位表示读状态，低16位表示写状态。  
锁降级：在拥有写锁的情况下，获取到读锁，然后释放写锁的过程。

### HashMap ###

因为通过(n - 1) & hash来定位key在table中的位置，所以n如果能是2的整数倍，n-1就是奇数，与运算就能更加均匀。

### 阻塞队列 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法</th> 
   <th>抛出异常</th> 
   <th>返回特殊值</th> 
   <th>一直阻塞</th> 
   <th>超时退出</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>插入</td> 
   <td>add(e)</td> 
   <td>offer(e)</td> 
   <td>put(e)</td> 
   <td>offer(e,time,unit)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>移除</td> 
   <td>remove()</td> 
   <td>poll(e)</td> 
   <td>take()</td> 
   <td>poll(time,unit)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>检查(返回头元素，不删除)</td> 
   <td>element()</td> 
   <td>peek()</td> 
   <td>-</td> 
   <td>-</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

适用于生产者与消费者的场景。  
**LinkedBlockingQueue**先进先出的有界阻塞队列。  
**PriorityBlockingQueue**支持优先级比较的无界阻塞队列。  
**DelayQueue**是控制元素延时被获取，适用于缓存和定时任务，一旦能获取到元素，分别说明元素有效期到了或者需要开始执行任务了。（ScheduledThreadPoolExecutor）  
**SynchronousQueue**是不存储任何元素的，一个put必须等待下一个take。

### CycleBarrier和CountDownLatch ###

两者都可以通过计数控制多个线程并发操作。区别在于CycleBarrier能够重置多次，且CycleBarrier还提供getNumerWaiting(阻塞的线程个数)，isBroken查看线程是否中断。

### Semaphore ###

用于流量控制，某时间只允许多少流量通过，通过release方法，可以使得后续线程再次获得(acquire)许可。

### Exchanger ###

用于数据交换，协同线程工作。可以用于校对工作。

### 线程池 ###

**提交任务**：execute不会由返回值，submit会返回一个future。  
**关闭线程池：通过遍历所有线程，执行interrupt方法中断线程，所以无法响应中断的线程永远不会终止任务**。shutdownNow是先设置线程池状态为stop，然后尝试停止所有正在执行或者暂停任务的线程，并返回所有等待执行任务的列表；shuntdown只是先设置线程池状态为shutdown，然后只中断没有执行任务的线程。再调用这两个关闭线程池的方法后，再调用isShutdown都会为true，但只有在所有任务都关闭，线程池才是真正关闭，调用isTerminaed才为true。**通常不需要执行完任务的话，就直接适用shutdowwnNow。**

### ScheduledThreadPoolExecutor ###

内部适用DelayQueue，而这个DelayQueue封装了一个PriorityQueue，根据time来排序，当两个任务的time一样，则按照加入队列的顺序来排序。（time是下次要执行的时间，在执行完任务后会再次修改time）

### FutureTask ###

内部使用AQS实现。  
run方法过程：  
1.执行指定的任务  
2.CAS更新同步状态  
3.唤醒其他等待结果的线程  
4.执行FutureTask.done()

### 知识结构图 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MjI2MDI3MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

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