JAVA并发-并发框架

Posted 2021-01-14 xiongchang95

java并发的一系列框架和技术主要是由java.util.concurrent 包所提供。包下的所有类可以分为如下几大类：

• locks部分：显式锁(互斥锁和速写锁)相关；
• atomic部分：原子变量类相关，是构建非阻塞算法的基础；
• executor部分：线程池相关；
• collections部分：并发容器相关；
• tools部分：同步工具相关，如信号量、闭锁、栅栏等功能

整体实现技术可按照依赖级别分为以下三层：

高层类	Lock  同步工具  并发容器  Executor/ExecutorCompletionService
基础类	AQS　　非阻塞数据结构　　原子变量类
底层原理	volatile变量的读/写　　CAS

一、volatile

　　保证线程之间操作的可见性，避免操作的重排序，但不保证原子性(i++)。

　　由于 Java 内存模型(JMM)规定，所有的变量都存放在主内存中，而每个线程都有着自己的工作内存(高速缓存)。

　　在当前的Java内存模型下，线程可以把变量保存在本地内存（比如机器的寄存器）中，而不是直接在主存中进行读写。这就可能造成一个线程在主存中修改了一个变量的值，而另外一个线程还继续使用它在寄存器中的变量值的拷贝，造成数据的不一致。

　　Volatile修饰的成员变量在每次被线程访问时，都强迫从共享内存中重读该成员变量的值；当成员变量发生变化时，强迫线程将变化值回写到共享内存。由于使用 volatile 屏蔽掉了 VM 中必要的代码优化,所以在效率上会低效一些。

二、CAS无锁算法

　　CAS(comapre and swap)：CAS是一项乐观锁技术，其核心思想为冲突检测和数据更新。Java对于CAS支持是利用sun.misc.Unsafe这个类通过JNI调用CPU底层指令实现Unsafe.compareAndSwapInt操作。其主要实现思路为：将内存值V与旧的预期值E，如果相同则更新为U，不相同则由上层系统循环获取实际值后，再次调用此CAS算法。最主要的应用就在原子变量类的具体实现中。

	将内存值V与旧的预期值E，如果相同则更新为U，不相同，返回内存值给用户。 Unsafe类提供了硬件级别的原子操作来实现这个CAS
但CAS存在问题：ABA问题/循环时间长开销大/只能保证一个共享变量的原子操作 ABA:如栈结构(A-B)，线程T1要移除A，B变栈顶，,线程T2将结构变为A-C-D，，此时T1进行CAS冲突检测发现A没变，但实际上整个栈结构变了，此时进行操作会覆盖掉C-D,解决办法是使用原子类AtomicStampedReference来保证整个栈的一致性。   对于线程冲突较轻，使用CAS能够避免加锁和释放锁的操作，消耗CPU资源。 对于线程冲突较重，CAS容易产生自旋，即不停比较然后失败重试，浪费CPU。

三、AQS及其他同步工具

　　AbstractQueuedSynchronizer抽象队列同步器，定义了多线程访问资源的同步框架。用于构建锁和其他同步组件CountDownLatch等的基本框架。使用一个volatile(代表共享资源)来维护状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制AQS是用CLH队列(带头节点的双向非循环链表)锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。 

　　AQS两类应用场景：Exclusive（资源独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（资源共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）

 

　　1.CountDownLatch： 倒计时器，同步工具类，允许一个或多个线程，等待其他一组线程完成操作，再继续执行。在CountDownLatch 上定义两种操作：CountDown.countDown表示该线程工作结束(计数器减一)、CountDown.await当前线程阻塞，等待其他工作线程结束(计数器为0)

 

　　2.CyclicBarrier：线程屏障，同步工具类，允许一组线程相互之间等待，达到一个共同点，再继续执行。能够重置并多次使用，并且能够获取阻塞线程数量；不会阻塞主线程。

 

　　3.Semaphore：信号量，用于控制线程的并发数量。在信号量上我们定义两种操作： acquire（获取） 和 release（释放）。当一个线程调用acquire操作时，它要么通过成功获取许可（许可减1），要么一直等下去，直到有线程释放许可，或超时。release（释放）实际上会将许可的值加1，然后唤醒等待的线程。

　　使用Seamphore(2)，创建了多少线程(5)，实际就会有多少线程执行（5），只是可同时执行的线程数量会受到限制(2)。但使用线程池（2，5），不管你创建多少线程实际可执行的线程数是一定的（2）。

 

　　4.Exchanger：交换者，实现线程间的相互数据交换或通信。提供一个同步点，当两个线程都达到该同步点时，则进行交换数据，可以多个进行随机交换，但必须为偶数个。无锁，通过循环 cas 来实现线程安全。eg：String data2 = (String) exchanger.exchange(data1)。

四、非阻塞数据结构

同步集合：Vector、HashTable，同步集合包装类/Collections.synchronizedMap()和Collections.synchronizedList()---同步集合会对整个May或List加锁。

ConcurrentHashMap：HashMap的并发级别，通过继承自ReentrantLock的Segment来对Hahs表进行分段锁，提高了并发效率

ConcurrentQueue也是通过同样的方式来提高并发性能的，子类ConcurrentLinkedQueue。例子：多线程卖票。

CopyOnWriteArrayList：写时复制容器，复制该容器进行写操作，将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后向新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为在当前读的容器中不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器是一种读写分离的思想，读和写对应不同的容器。

BlockingQueue：阻塞队列，并发容器，没有元素时-读取会堵塞，元素满时-加元素会阻塞。适合消费者生产者模式，其中ExecutorCompletionService就是将LinkedBlockingQueue和Executor结合管理线程返回结果。

ArrayBlockingQueue	有界队列，使用一个ReentrantLock 锁。
LinkedBlockingQueue	无界队列，内部使用ReentrantLock实现插入锁(putLock)和取出锁(takeLock)，fixedThreadPool用的这个。
DelayQueue	其中的对象只能在其到期时才能从队列中取走。这种队列是有序的，即队头对象的延迟到期时间最长。但是要注意的是，不能将null元素放置到这种队列中.eg:处理超时的客户端链接、超时的缓存对象