Java并发编程系列之一并发理论基础

Posted 2022-03-31 程序员田同学

Java并发编程系列之一并发理论基础

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使用有基本概念和掌握，前置知识会对一些基础篇的内容进行介绍，以使初学者能够丝滑入戏。

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

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

概览

下图为并发编程包含的所有知识。读者大致浏览各个包及实现类，以做到心中有数。

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

使用多线程大大提高了CPU的利用效率，凡事有利皆有弊，那使用多线程会引发什么问题呢？

多线程引起的问题

使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访问而不采取同步操作的话，那么操作的结果是不一致的。

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，这样导致了数据不一致问题。

这样的问题是怎么引发的呢？

出现的根源就是CPU、内存、I/O 设备的速度是有极大差异的，为了合理利用 CPU 的高性能，平衡这三者的速度差异，计算机体系结构、操作系统、编译程序都做出了贡献，主要体现为:

• CPU 增加了缓存，以均衡与内存的速度差异；// 导致 可见性问题
• 操作系统增加了进程、线程，以分时复用 CPU，进而均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异；// 导致 原子性问题
• 编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理地利用。// 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。

我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

上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。

从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗?

不一定，为什么呢? 这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常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。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
• 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
• 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读 / 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 源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面三种重排序：

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出现内存可见性问题。

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就需要解决这三个问题。

1、针对原子性，Java内存模型只保证了基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，可以通过synchronized和Lock来实现。

2、针对可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。

3、针对有序性，使用先行发生原则（happens-before），让一个操作无需控制就能先于另一个操作完成。

而JUC的出现本质上也是为了解决这些问题，当然，这是后话。

怎么避免并发问题呢？

不可变(Immutable)的对象一定是线程安全的，不需要再采取任何的线程安全保障措施。只要一个不可变的对象被正确地构建出来，永远也不会看到它在多个线程之中处于不一致的状态。

多线程环境下，应当尽量使对象成为不可变，来满足线程安全。

• final 关键字修饰的基本数据类型
• String
• 枚举类型
• Number 部分子类，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。

对于集合类型，可以使用 Collections.unmodifiableXXX() 方法来获取一个不可变的集合。

今天的并发编程的基础理论知识就聊到这，主要引出了为什么要使用多线程，使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，下篇开始介绍如何使用java中的多线程。