【Java并发基础】并发编程领域的三个问题：分工、同步和互斥

前言

可以将Java并发编程抽象为三个核心问题：分工、同步和互斥。
这三个问题的产生源自对性能的需求。最初时，为提高计算机的效率，当IO在等待时不让CPU空闲，于是就出现了分时操作系统也就出现了并发。后来，多核CPU出现，不同的任务可以同时独立运行，于是就出现了并行【分工】。有了分工后，效率得到了很大的提升，但是为了更合理的安排以及控制任务的进行，就需要让进程之间可以通信【同步】，让彼此知道进度的执行。分工进行提高了效率，但是却带来了多线程访问共享资源会冲突的问题。于是对共享资源的访问又需要串行化。所以，依据现实世界的做法设计了锁等机制来使得多线程【互斥】访问共享资源。

分工（性能）

分工的主要工作是：如何高效拆解任务并分配给线程。　　　

Java SDK并发包中的Executor、Fork/Join、Future本质上都是分工方法。
并发编程中的一些设计模型也是指导如何分工：生产者——消费者、Thread-Per-Message、Work Thread等。

　同步（性能）

在并发编程的同步，主要指的就是线程间的协作。即当一个线程执行完了，该如何通知后续任务的线程展开工作。

协作一般和分工相关。Java SDK中Executor、Fork/Join、Future本质上是分工方法但是也解决线程之间的协作问题（如Future异步调用，get()）。Java SDK里提供的CountDownLatch、CyclicBarrier、Phaser、Exchanger也是用于解决线程之间的协作问题。

线程协作问题都可以被描述为：当某个条件不满足时，线程需要等待，当某个条件满足使，线程需要被唤醒执行。

互斥（正确性/线程安全）

互斥指的是：在同一时刻，只允许一个线程访问共享变量。

因为 可见性、有序性和原子性（后面会有文章介绍）问题，多个线程访问同一个共享变量会导致结果的不确定。
为了解决这三个问题，Java语言引入了内存模型，内存模型提供了一系列的规则，利用这些规则我们可以避免可见性问题、有序性问题，但是还不能完全解决线程安全问题。

解决线程安全问题的核心方案还是互斥。

实现互斥的核心技术就是锁。 Java语言中synchronized、SDK中的各种Lock都可以解决互斥问题，但是锁却会带来性能问题，于是我们就需要平衡。

主要方案有：分场景优化，优化读多写少场景：ReadWriteLock、StampledLock以及无锁结构Java SDK中的原子类；其他方案，原理为不共享变量或者变量只允许读，Java中提供了Thread Local和Final关键字和Copy-on-write 模式。

小结

在看极客时间专栏《Java并发编程实战》学习攻略时，感触还是比较深。平时学习知识都是“独立”的，没有一种“全局”观念，也很少联系其他一些理论来侧面验证学习的知识，导致学过后就很容易忘记。看了这篇专栏前言后，总结出：学习知识时，要跳出来看全景，钻进去看本质。要知道每一种技术背后都应该有理论支持，并且这个理论可能是跨领域的，所以，掌握技术背后的理论十分很重要！
针对Java并发编程应该要结合操作系统一起来学习，如后面将要介绍的可见性、有序性和原子性。理解可见性就需要了解CPU和缓存的知识；理解原子性就需要理解操作系统的知识；很多无锁算法也是和CPU缓存有关。要联系起CPU、内存、I/O之间的关系。

参考:
[1]极客时间专栏王宝令《Java并发编程实战》