并发编程学习基础篇

Posted 2022-11-23 adventure.Li

相关说明

该文章相关的学习笔记及练习代码将会放在个人 github, 博主也会尽量进行github的日更新，博客将会不定期进行更新，在更新的过程可能存在诸多不足的地方，愿大家指出，可博客私信/评论，也可QQ :674619459 联系我，一起讨论，还可以在GitHub上面提issue 。欢迎大家关注我的github，一起学习Java，一起进步！！。

一、学习目标

• 学习并发编程思维（OS的进程、线程管理）及海量业务处理
• 熟悉Java并发编程API的使用（可结合JDK源码进行分析）
• 结合nacos等开源框架分析并发编程的设计，提升设计能力

二、相关书籍

1. 操作系统内功

• 见计算机基础部分

1. Java并发书籍

• java 并发编程从入门到精通：从基础概述到线程安全、API及线程池框架等使用
• java 并发编程的艺术：比较贴近实操，API及JVM的内存模型等
• java 并发编程实战：和并发编程的艺术类似
• Java并发实现原理：JDK源码剖析 ，深入地进行剖析讲解。

1. 相关官网推荐

• ifeve.com ：并发编程网
• https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/concurrency/index.html：java 并发官方文档

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本次目录

• • • 相关说明
    • 一、学习目标
    • 二、相关书籍
• 线程并发基础篇
• 一、概念部分
• • CPU核数、线程数
  • 时间片机制（RR调度）
  • 进程、线程相关概念
  • 并行、并发相关概念
  • 为什么需要并发编程及注意事项
• 二、认识Thread
• • • Java中的线程转换（结合进程状态模型）
    • Java线程的实现方式（严格来说三种，广泛是四种）
    • Thread的基本API和使用
    • 线程副本ThreadLocal
• 三、线程安全
• • • 初步了解JMM
    • 线程安全问题
    • 隐式锁 - 线程同步锁 synchronized
    • 显示锁 - Lock, ReentrantLock, StampledLock
    • 什么是死锁
    • volatile和atomic
• 四、线程安全集合类

线程并发基础篇

一、概念部分

CPU核数、线程数

1. 关于位宽，内存，最大寻址的问题

• 虚拟内存 = min最大CPU寻址，磁盘外存大小
• 当操作系统一般为32bit或64bit;32bit的最大内存可以为4G；理论上64bit的最大内存为 2^34 G,可实际上的64bit内存一般为128、256G；

原因：主板限制（木桶效应）, 相关讨论： https://www.zhihu.com/question/29962475/answer/1644236272

64位架构（windows的）下，地址线是46个，所以最大的物理地址是2^46B，折合64TB，可用地址空间也是这么大（目前为止）

1. CPU核心数、线程数

• 为了实现并发或并行，有两种途径（CMP-多核心角度，STM-多线程角度）
• 核数和线程数的关系：一般为1:1，在引入超线程后为1:2

查看核数：

• linux: 于 /proc/cpuinfo文件中： processor:线程数， codeid:核心数 cat /proc/cpuinfo
• 注：在使用cat /proc/cpuinfo时，单核则显示一个核的信息，多核就显示过个 （截图如下）
  
• Java：可通过 getRuntime().availableProcessors()获取
• 注：nacos在PropertiesUtils中设计使用到（JDK 中的ConcurrentHashMap也有使用到），见以下截图
  

时间片机制（RR调度）

1. 时间片的基本概念
   
   掌握要点：

• 理解**进程（而不是线程）**的状态及其转换、管理机制（相关队列）
• 理解上下文切换和时间片的协调（）上下文切换：CPU的利用效率，时间片：用户的响应速度 ；时间片：100ms适中
• 画进程状态模型图-结合进程队列、线程

进程、线程相关概念

1. 软件、系统、程序、进程、线程（暂略）

并行、并发相关概念

1. 并行、并发（暂略）

• 计算并发量的示例
  
• 吞吐量的概念

对于系统吞吐量：

1. 同步、异步

为什么需要并发编程及注意事项

1. 背景需求角度

• 海量数据处理、多用户

1. 优点特性（实则也是为需求而生）

• 充分利用CPU资源
• 加快响应速度
• 代码模块化、异步化、简单化

1. 注意点

• 线程安全问题：由于线程可用通信，共享资源，则在多个进行写操作，会存在线程安全问题
• 死锁问题：由于线程安全引入锁，需要防止死锁
• 资源耗尽导致死机：线程数过多时会导致 内存泄露 ？ 资源耗尽 — 采用资源库设计，数据库连接采用该设计

二、认识Thread

Java中的线程转换（结合进程状态模型）

• 画图理解+Java代码练习

Java线程的实现方式（严格来说三种，广泛是四种）

相关参考博客：https://blog.csdn.net/bj_ameng/article/details/115266696

1. Java中Thread的实现方式

• 继承Thread : 只能继承一个父类—思考局限？？ —- 实际上实现run本来也无需复用多个？？
• 实现Runnable接口：
• 实现Callable接口：
• 采用线程池Executors：

1. 线程组的使用【可归纳为Thread的基本使用中】

构造函数：private ThreadGroup() ；public ThreadGroup(String name); 为什么这样设计？

Thread的基本API和使用

1. 基本API

官方文档： https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/

1. 中断机制

注：Java并没有提供安全终止线程的方法

（1）采用Thread.stop():已不推荐使用

（2）采用interrupt机制

1. 守护线程
   
2. 线程的异常处理

• 结合异常处理机制学习
  

线程副本ThreadLocal

1. 【最清晰】ThreadLocal和局部变量和成员变量的区别
   ThreadLocal是进程级别的全局变量。
   最近有⼀个疑惑：为什么线程类的局部变量不能完全替代ThreadLocal，每⼀次new 线程都是创建了⼀个副本啊照理来说也是独⽴的，为什么还需要ThreadLocal。实际上确实是独⽴的，但是答案是ThreadLocal还有更⼴泛的⽤途。

• 第⼀种情况：
  当想在不同线程，访问“同⼀个对象的⽅法”，希望以线程作为区分，区分⼀个变量的作⽤域，⽽希望这个⽅法根据线程不同⽽作出不同处理，这时就需要threadLocal（⽽不能⽤类成员变量，为啥呢，因为同⼀个对象，它的成员变量是⼀样的）。
• 第⼆种情况：
  那为啥不⽤函数局部变量呢，因为⼜考虑到函数间局部变量不便于共享（试想如果⼀个线程执⾏了多个⽅法，他们如果想共享变量，如果是局部变量，则必须要不断传参，这样特别⿇烦，于是有了ThreadLocal，根据当前在哪个线程⽽获得变量）
  想必读到这⾥，⼤家已经了解了ThreadLocal的使⽤场景了吧，实际上在使⽤ThreadLocal时时刻记得它是以线程为作⽤域的，就不会出错啦，⽽那些局部变量和成员变量的滥⽤，会导致程序可读性变差，⽽多线程时也有可能因为作⽤域⽽产⽣意想不到的奇怪问题。

1. 原理概述
   ThreadLocal维护⼀个静态map，key是线程，value是table数组。所以不同线程得到的table不同。

三、线程安全

初步了解JMM

1. 背景

• 关于计算机的内存模型机制：内存 → 高速缓存 → 寄存器，由于有些数据使用频繁，因此就会放在缓存，而不是都从主存拿数据。
• JMM机制：主存+工作内存；主内存：堆存储，共享静态变量等；工作内存：局部变量，拷贝副本
• 多线程同时操作时带来的问题点： 数据的可见性，操作的时序性
  

1. 两大问题

• 可见性问题

（1）将主内存复制变量到工作内存（read and load）

（2）执行代码，修改共享变量（use and sign)

（3）将工作内存刷新到主内存（store and write)

• 时序性问题

线程安全问题

1. 不安全

当多个线程修改同一数据结构（可为集合，也可为变量）时，产生的数据不一致性问题，线程不安全。

1. 线程安全

和线程不安全相反，每次都能保证一样的结果，保证数据的高度一致性和准确性。

保证的方式：

• synchronized : 加锁
• locks: ReetrantLock
• concurent下的包（atomic）
  

隐式锁 - 线程同步锁 synchronized

1. 基本概念

Java自带的关键字（底层原理？—），保证线程同步，需要抢锁

1. synchronized的加锁位置

（1）加在方法声明处（加在静态方法则是锁该类，加在非静态则是该对象）

（2）代码块：

• 锁住对象（this,Object)：尽量使用分配内存较小的对象，例如 byte；抢锁释放锁，需要资源，对象越大资源处理越大。
• 锁住静态类( .class)
  

1. 加锁的规则（考虑静态、非静态和加锁方式）

当加锁在 .class时锁住整个类，静态方法都不能用；而锁在 object只是该对象，静态方法是能够用的，；当存在静态方法时一般会采用加锁 .class

四种加锁情况： https://baike.baidu.com/item/synchronized/8483356?fr=aladdin

• 加在this: 所有该对象都不能被调用
• 加在obejct: 加了该对象锁的地方不能用
• 加在.class: 包括静态方法、静态变量都不能用

显示锁 - Lock, ReentrantLock, StampledLock

1. Lock及ReentrantLock

2. ReadWriteReetrantLock

ReadLock的意义在于保证读取的顺序性。

1. StampedLock

什么是死锁

volatile和atomic

1. volatile的作用

• 保证可见性：读取时是从内存地址拿数据，而非缓存，但并没有保证原子性，因为没有使其立刻写回内存

注：加锁即保证原子性也保证可见性。

1. atomic
   
   实现原理：

CAS算法，底层CPU指令实现

四、线程安全集合类

• 待分析

1. Hashtable 和 ConconrrentHashmap

2. CopyOnwirteArraysList\\Set

3. Vector