Java并发编程入门，看这一篇就够了

Java并发编程一直是Java程序员必须懂但又是很难懂的技术内容。这里不仅仅是指使用简单的多线程编程，或者使用juc的某个类。当然这些都是并发编程的基本知识，除了使用这些工具以外，Java并发编程中涉及到的技术原理十分丰富。

于是乎，就诞生了想写点东西记录下，以提升理解和对并发编程的认知。为什么需要用到并发？凡事总有好坏两面，之间的trade-off是什么，也就是说并发编程具有哪些挑战？以及在进行并发编程时应该了解和掌握的概念是什么？并发编程的三大特性是什么？这篇文章主要以这四个问题来谈一谈。

一.为什么要用到并发

一直以来，硬件的发展极其迅速，也有一个很著名的"摩尔定律"，可能会奇怪明明讨论的是并发编程为什么会扯到了硬件的发展，这其中的关系应该是多核CPU的发展为并发编程提供的硬件基础。摩尔定律并不是一种自然法则或者是物理定律，它只是基于认为观测数据后，对未来的一种预测。按照所预测的速度，我们的计算能力会按照指数级别的速度增长，不久以后会拥有超强的计算能力，正是在畅想未来的时候，2004年，Intel宣布4GHz芯片的计划推迟到2005年，然后在2004年秋季，Intel宣布彻底取消4GHz的计划，也就是说摩尔定律的有效性超过了半个世纪戛然而止。但是，聪明的硬件工程师并没有停止研发的脚步，他们为了进一步提升计算速度，而不是再追求单独的计算单元，而是将多个计算单元整合到了一起，也就是形成了多核CPU。短短十几年的时间，家用型CPU,比如Intel i7就可以达到4核心甚至8核心。而专业服务器则通常可以达到几个独立的CPU，每一个CPU甚至拥有多达8个以上的内核。因此，摩尔定律似乎在CPU核心扩展上继续得到体验。因此，多核的CPU的背景下，催生了并发编程的趋势，通过并发编程的形式可以将多核CPU的计算能力发挥到极致，性能得到提升。

顶级计算机科学家Donald Ervin Knuth如此评价这种情况：在我看来，这种现象（并发）或多或少是由于硬件设计者无计可施了导致的，他们将摩尔定律的责任推给了软件开发者。

另外，在特殊的业务场景下先天的就适合于并发编程。比如在图像处理领域，一张1024X768像素的图片，包含达到78万6千多个像素。即时将所有的像素遍历一边都需要很长的时间，面对如此复杂的计算量就需要充分利用多核的计算的能力。又比如当我们在网上购物时，为了提升响应速度，需要拆分，减库存，生成订单等等这些操作，就可以进行拆分利用多线程的技术完成。面对复杂业务模型，并行程序会比串行程序更适应业务需求，而并发编程更能吻合这种业务拆分。正是因为这些优点，使得多线程技术能够得到重视，也是一名Java学习者应该掌握的：

充分利用多核CPU的计算能力；
方便进行业务拆分，提升应用性能

二. 并发编程有哪些挑战

多线程技术有这么多的好处，难道就没有一点缺点或者挑战么，就在任何场景下就一定适用么？很显然不是。

2.1 频繁的上下文切换

时间片是CPU分配给各个线程的时间，因为时间非常短，所以CPU不断通过切换线程，让我们觉得多个线程是同时执行的，时间片一般是几十毫秒。而每次切换时，需要保存当前的状态起来，以便能够进行恢复先前状态，而这个切换时非常损耗性能，过于频繁反而无法发挥出多线程编程的优势。通常减少上下文切换可以采用无锁并发编程，CAS算法，使用最少的线程和使用协程。

无锁并发编程：可以参照concurrentHashMap锁分段的思想，不同的线程处理不同段的数据，这样在多线程竞争的条件下，可以减少上下文切换的时间。
CAS算法：利用Atomic下使用CAS算法来更新数据，使用了乐观锁，可以有效的减少一部分不必要的锁竞争带来的上下文切换
使用最少线程：避免创建不需要的线程，比如任务很少，但是创建了很多的线程，这样会造成大量的线程都处于等待状态
协程：在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务间的切换

由于上下文切换也是个相对比较耗时的操作，所以在"java并发编程的艺术"一书中有过一个实验，并发累加未必会比串行累加速度要快。可以使用Lmbench3测量上下文切换的时长 vmstat测量上下文切换次数

2.2 线程安全（死锁）

多线程编程中最难以把握的就是临界区线程安全问题，稍微不注意就会出现死锁的情况，一旦产生死锁就会造成系统功能不可用。

public class DeadLockDemo {

    private static String resource_a = "A";

    private static String resource_b = "B";

    public static void main(String[] args) {

        deadLock();

    }

    public static void deadLock() {

        Thread threadA = new Thread(new Runnable() {

            @Override

            public void run() {

                synchronized (resource_a) {

                    System.out.println("get resource a");

                    try {

                        Thread.sleep(3000);

                        synchronized (resource_b) {

                            System.out.println("get resource b");

                        }

                    } catch (InterruptedException e) {

                        e.printStackTrace();

                    }

                }

            }

        });

        Thread threadB = new Thread(new Runnable() {

            @Override

            public void run() {

                synchronized (resource_b) {

                    System.out.println("get resource b");

                    synchronized (resource_a) {

                        System.out.println("get resource a");

                    }

                }

            }

        });

        threadA.start();

        threadB.start();

    }

}

在上面的这个demo中，开启了两个线程threadA, threadB,其中threadA占用了resource_a, 并等待被threadB释放的resource _b。threadB占用了resource _b正在等待被threadA释放的resource _a。因此threadA,threadB出现线程安全的问题，形成死锁。同样可以通过jps,jstack证明这种推论：

"Thread-1":

  waiting to lock monitor 0x000000000b695360 (object 0x00000007d5ff53a8, a java.lang.String),

  which is held by "Thread-0"

"Thread-0":

  waiting to lock monitor 0x000000000b697c10 (object 0x00000007d5ff53d8, a java.lang.String),

  which is held by "Thread-1"

Java stack information for the threads listed above:

===================================================

"Thread-1":

        at learn.DeadLockDemo$2.run(DeadLockDemo.java:34)

        - waiting to lock <0x00000007d5ff53a8(a java.lang.String)

        - locked <0x00000007d5ff53d8(a java.lang.String)

        at java.lang.Thread.run(Thread.java:722)

"Thread-0":

        at learn.DeadLockDemo$1.run(DeadLockDemo.java:20)

        - waiting to lock <0x00000007d5ff53d8(a java.lang.String)

        - locked <0x00000007d5ff53a8(a java.lang.String)

        at java.lang.Thread.run(Thread.java:722)

Found 1 deadlock.

如上所述，完全可以看出当前死锁的情况。

那么，通常可以用如下方式避免死锁的情况：

避免一个线程同时获得多个锁；
避免一个线程在锁内部占有多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源；
尝试使用定时锁，使用lock.tryLock(timeOut)，当超时等待时当前线程不会阻塞；
对于数据库锁，加锁和解锁必须在一个数据库连接里，否则会出现解锁失败的情况

所以，如何正确的使用多线程编程技术有很大的学问，比如如何保证线程安全，如何正确理解由于JMM内存模型在原子性，有序性，可见性带来的问题，比如数据脏读，DCL等这些问题（在后续篇幅会讲述）。而在学习多线程编程技术的过程中也会让你收获颇丰。

2.3 资源限制的挑战

什么是资源限制

资源限制指在进行并发编程时，程序的执行速度受限于计算机硬件资源或软件资源。

硬件资源包括：带宽的上传下载速度、硬盘读写速度和CPU的处理速度等

软件资源包括：线程池大小、数据库的连接数等

资源限制引发的问题

在并发编程中，代码执行速度加快的原则是将代码中的串行部分变成并行执行，但有可能由于资源限制问题，导致程序仍按串行执行，此时程序不仅不会变快，反而更慢，因为增加了上下文切换和资源调度的时间。

如何解决资源限制的问题

对于硬件资源限制：考虑使用集群方式并行执行程序。

对于软件资源限制：考虑使用资源池将资源复用，例如数据库连接池等

资源限制情况下进行并发编程

根据不同的资源限制调整程序的并发度。

3. 应该了解的概念

3.1 同步VS异步

同步和异步通常用来形容一次方法调用。同步方法调用一开始，调用者必须等待被调用的方法结束后，调用者后面的代码才能执行。而异步调用，指的是，调用者不用管被调用方法是否完成，都会继续执行后面的代码，当被调用的方法完成后会通知调用者。比如，在超时购物，如果一件物品没了，你得等仓库人员跟你调货，直到仓库人员跟你把货物送过来，你才能继续去收银台付款，这就类似同步调用。而异步调用了，就像网购，你在网上付款下单后，什么事就不用管了，该干嘛就干嘛去了，当货物到达后你收到通知去取就好。

3.2 并发与并行

并发和并行是十分容易混淆的概念。并发指的是多个任务交替进行，而并行则是指真正意义上的“同时进行”。实际上，如果系统内只有一个CPU，而使用多线程时，那么真实系统环境下不能并行，只能通过切换时间片的方式交替进行，而成为并发执行任务。真正的并行也只能出现在拥有多个CPU的系统中。

3.3 阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞通常用来形容多线程间的相互影响，比如一个线程占有了临界区资源，那么其他线程需要这个资源就必须进行等待该资源的释放，会导致等待的线程挂起，这种情况就是阻塞，而非阻塞就恰好相反，它强调没有一个线程可以阻塞其他线程，所有的线程都会尝试地往前运行。

3.4 临界区

临界区用来表示一种公共资源或者说是共享数据，可以被多个线程使用。但是每个线程使用时，一旦临界区资源被一个线程占有，那么其他线程必须等待。

4.并发编程的三大特性

并发编程有三大特性：原子性、可见性、有序性。

原子性：是指在一次操作或多次操作中，要么所有的操作都得到执行，要么都不执行。【类似于事务】

JMM只保证了基本读取和赋值的原子性操作
多个原子性操作的组合不再是原子性操
可以使用synchronized/lock保证某些代码片段的原子性
对于int等类型的自增操作，可以通过java.util.concurrent.atomic.*保证原子性

可见性：是指一个线程对共享变量进行了修改，其他线程可以立即看到修改后的值。

有序性：是指代码在执行过程中的先后顺序是有序的。【Java编译器会对代码进行优化，执行顺序可能与开发者编写的顺序不同（指令重排）】

并发编程时，保证三大特性的方式有三种：

1、使用volatile关键字修饰变量

当一个变量被volatile关键字修饰时，对于共享变量的读操作会直接在主存中进行，对于共享变量的写操作是先修改本地内存，修改结束后直接刷到主存中。（未被volatile修饰的变量被修改后，什么时候最新值会被刷到主存中是不确定的）

2、使用synchronized关键字修饰方法或代码块

synchronized关键字能保证同一时刻只有一个线程获得锁然后执行同步方法，并且确保锁释放之前，会将修改的变量刷入主存。

3、使用JUC提供的显式锁Lock

Lock能保证同一时刻只有一个线程获得锁然后执行同步方法，并且确保锁释放之前，会将修改的变量刷入主存。

最后，本文主要对Java并发编程开发需要的知识点作了简单的讲解，这里每一个知识点都可以用一篇文章去讲解，由于篇幅原因不能对每一个知识点都详细介绍，我相信通过本文你会对Java的并发编程会有更近一步的了解。如果您发现还有缺漏或者有错误的地方，可以在评论区补充，谢谢。