圖學java基礎篇之併發

概述

併發處理自己就是編程開發重點之一，同時內容也很繁雜，從底層指令處理到上層應用開發都要涉及，也是最容易出問題的地方。這塊知識也是評價一個開發人員水平的重要指標，本人自認爲如今也只是學其皮毛，所以本文重點介紹java的併發相關體系，具體的點懂得就多講，不懂得就給出參考文章。先來看圖：

本文重點介紹jdk中concurrent的內容，併發相關基礎不在介紹，若是想系統的學習，建議直接看併發大做《java併發編程實踐》吧(以前看過，惋惜不少地方沒懂)，博客終究只是快餐，加強學習拓展知識很好，但打基礎仍是要看書實戰的。

java內存模型

直接盜圖一張（圖寢刪），詳細講解參考博客。

java內存模型的做用能夠理解爲抽象了線程私有內存與主存（共享內存或堆）的關係，也就是原子性、可見性、順序性的原則，然後介紹的內容都是爲了保證這些原則的實現手段。

實現多線程的方法

這一塊其實沒必要多說，你們都很熟悉，這裏簡單對比下優缺點：

• 繼承Thread：因爲java不支持多繼承，因此用起來有很強的侷限性，使用場景很少。
• 實現Runnable接口：經常使用的方式，有點對比Thread，而且更方便實現資源共享（二者異同,重點在評論）
• 實現Callable接口: 結合Future使用，能夠獲取線程執行結果
• Executor：concurrent中提供的一個上層併發處理框架，底層也是基於上邊三種實現，基於此實現了線程池、任務調度等類，爲一些典型場景提供了便捷的實現手段。

實現同步的方法

這一塊也是經常使用的，也僅對比介紹一下：

• volatile：volatile保證了原子操做在線程間的可見性(注意僅能保證可見性)，而且修飾對象的操做不會指令重排。對於一個原子操做能夠保證其之間一致，可是原子操做真的不多，好比i++都不行。更多介紹
• Atomic：原子類，，基於CAS原理實現，提供了基本類型和引用對應的類，能保證其基本操做的可見性，底層基於volatile和Unsafe類（一個線程安全相關類，能夠調用底層native方法）。若是線程間的同步僅限於某個值的改變，則可考慮用該類（實際上多數時候即便適合用也能找到對應的上層封裝類，而沒必要本身實現）
• synchronized：最爲經常使用的同步方法之一，能夠分爲同步方法和同步代碼塊兩類，使用簡單，惟一必定要搞清的是synchronized鎖的對象是誰。（拓展：synchronized底層實現）
• wait/notify：同步幾大原語之二（記得還有join吧），java的Object中已實現的native方法，經常使用來同步線程執行順序或進度，然而多數場景concurrent也提供了對應工具類，因此通常使用時也應該優先使用對應的工具類
• Lock：鎖，主要有ReentrantLock和ReadWriteLock，該方式較synchronized的優點就是使用比較靈活，同步再也不侷限於代碼塊或者方法，能夠在任何須要的地方加鎖解鎖。就性能方面，除非你用的是1.4以前的jdk，不然二者差別不大
• ThreadLocal：線程本地變量，其內部是一個map，key爲線程對象自己，value爲對應變量的一個拷貝，每一個線程使用該變量時實際使用的是其副本，以此解決多線程共享變量的競爭，須要注意的是改類型並非解決同步問題的，而是解決資源共享問題的，每一個線程使用各自的副本，相互之間不影響，可是該變量的值變化相互之間也是隔離的ThreadLocal深刻剖析

concurrent包

JDK 1.5增長了java.util.concurrent包，其內部提供了大量併發相關類，大大簡化了設計併發的程序開發。該包大體可分爲四大塊：Atomic、Lock、Executor、以及線程安全的集合類，因爲集合類已經在該系列第一篇介紹過，所以這裏重點介紹前三塊，此外還有一些工具類，這裏僅介紹幾個常見的。

Atomic

前邊已經介紹過，Atomic爲修飾的對象提供了原子更新，保證了其更新在線程間的可見性，Atomic包內的原子類實現主要基於CAS原理，利用了Unsafe包提供的CAS方法，其中能夠分爲如下幾類：

• 原子更新基本類型類，提供了AtomicBoolean、AtomicInteger和AtomicLong，對於其餘基本類型，能夠參照其實現自行經過Unsafe的方法實現（實質上都是轉成int處理）
• 原子更新數組類：也提供了三種類型：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray和AtomicReferenceArray
• 原子更新引用類型：對於非基本類型提供的類，AtomicReference、AtomicReferenceFieldUpdater、AtomicMarkableReference
• 原子更新字段類：這幾個類主要用於更新類中的某個字段：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicStampedReference
  這些類使用方法相似，都是經過如下方法實現原子更新：
  
• getAndSet(v)：設置新值，返回舊值
• compareAndSet(expectedValue, newValue)：若是當前值(current value)等於期待的值(expectedValue), 則原子地更新指定值爲新值(newValue), 若是更新成功，返回true, 不然返回false, 換句話能夠這樣說: 將原子變量設置爲新的值, 可是若是從我上次看到的這個變量以後到如今被其餘線程修改了(和我指望看到的值不符), 那麼更新失敗
  詳細的使用能夠參考Java中的Atomic包使用指南

Lock

Lock提供了一種更爲靈活的同步方式，Lock下主要有如下類：

• ReentrantLock：重入鎖，其底層經過一個Sync的靜態類實現加鎖解鎖。Sync繼承自AbstractQueuedSynchronizer，該抽象類內部實現了一個鏈表，保存了請求獲取鎖的狀態，同時其內部有一個狀態值，用來表示鎖是否被線程獲取，其修改經過Unsafe包提供的CAS方法，以此能夠保證其可見性。同時尤爲內部實現也能夠知道，之因此叫重入鎖，是由於其提供了非阻塞的使用方式，若是使用tryLock方法，當lock時在發現鎖已lock的狀況下，會當即返回結果，而不會阻塞。使用示例
• ReentrantReadWriteLock：可重入讀寫鎖。實現原理和ReentrantLock同樣，再次基礎上增長了讀寫鎖的操做。使用示例
  
• Condition：實現類是AbstractQueuedSynchronizer中的一個內部類，其功能是實現線程間的協調通訊，使得某個，或者某些線程一塊兒等待某個條件（Condition），只有當該條件具有( signal 或者 signalAll方法被帶調用)時 ，這些等待線程纔會被喚醒，從而從新爭奪鎖。使用示例
• LockSupport：能夠看作對Unsafe包中併發原語的封裝，爲上層的鎖實現提供原語操做。通常狀況下上層開發不多用到。

Executor

Executor框架是concurrent中最經常使用的內容之一，其提供了一套可以便捷管理線程和任務的類，使咱們可以很方便建立、調度一批具備同類操做的線程。其主要有如下幾個類(接口)：

• Callable、Future：前邊已經介紹過了，提供了一種能夠獲取返回值的線程實現方法，通常與
  ExecutorService配合使用。Callable使用
  
• Executor：線程工具類，主要用於線程池、ThreadFactory、Callable實例。Executors詳解
• ThreadFactory：接口類，提供了建立線程個工廠類，可能是時候配合線程池，做爲參數傳入爲線程池提供建立線程的方法。
• ExecutorService：接口類，是線程池實現類ThreadPoolExecutor的基類。
• ExecutorCompletionService：與ExecutorService功能同樣，不過其提供了poll()和take()兩個方法用於獲取線程執行結果，前者是非阻塞的，後者是阻塞的。
  使用示例

other

此外concurrent包還提供了一些其餘類，這裏僅列出功能，具體的使用可自行查詢，這裏給出一個比較完善的總結java.util.concurrent 用戶指南

• ForkJoinPool：和ExecutorService相似，不過其提供了fork和join的功能，可以將池內指定級別的任務進行分解或合併。這種處理方式與目前不少流處理框架相似，不過該實現使用的很少。
• CountDownLatch：CountDownLatch 是一個線程協調器，它容許一個或多個線程等待一系列指定操做的完成。
  CountDownLatch 以一個給定的數量初始化。countDown() 每被調用一次，這一數量就減一。經過調用await() 方法之一，線程能夠阻塞等待這一數量到達零。
• CyclicBarrier：CyclicBarrier類也是一種同步機制，它能夠在指定位置設定barrier，只有全部線程都執行到該位置是，纔會繼續向下執行。
• Exchanger：該類提供了線程間交換數據的方法，能夠視做一個管道。實現原理
• Semaphore：信號量，學過操做系統的都知道，實現生產者—消費者的經常使用手段之一，信號量最大的用處是能夠控制資源的訪問數量，比起阻塞隊列更加靈活。使用示例

其餘

正如最開始所說的，併發相關的知識毫不是看一些知識點就能夠掌握的，若是想要真正掌握，必須系統的學習。這裏只是列出一些java相關的知識點，僅供參考。
最後再附兩篇博文，有興趣的能夠看下：

• http://www.importnew.com/14506.html
• http://icyfenix.iteye.com/blog/1018932