併發編程之入門

前言

​ 併發編程並非一門相對獨立的學科，而是一個綜合學科。併發編程相關的概念和技術看上很是零散，相關度也很低，總給你一種這樣的感受：我已經學習不少相關技術了，可仍是搞不定併發編程。那如何才能學習好併發編程呢？

其實很簡單，只要你能從兩個方面突破一下就能夠了。一個是「跳出來，看全景」，另外一個是「鑽進去，看本質」。

跳出來，看全景

​ 咱們先說「跳出來」。你應該也知道，學習最忌諱的就是「盲人摸象」，只看到局部，而沒有看到全局。因此，你須要從一個個單一的知識和技術中「跳出來」，高屋建瓴地看併發編程。固然，這首要之事就是你創建起一張全景圖。

​ 不過，併發編程相關的知識和技術還真是錯綜複雜，時至今日也尚未一張廣泛承認的全景圖，也許這正是不少人在併發編程方面難以突破的緣由吧。好在通過多年摸爬滾打，我本身已經「勾勒」出了一張全景圖，不必定科學，可是在某種程度上我想它仍是能夠指導你學好併發編程的。

在我看來，併發編程領域能夠抽象成三個核心問題：分工、同步和互斥。

分工

​ 所謂分工，相似於現實中一個組織完成一個項目，項目經理要拆分任務，安排合適的成員去完成。

​ 在併發編程領域，你就是項目經理，線程就是項目組成員。任務分解和分工對於項目成敗很是關鍵，不過在併發領域裏，分工更重要，它直接決定了併發程序的性能。在現實世界裏，分工是很複雜的，著名數學家華羅庚曾用「燒水泡茶」的例子通俗地講解了統籌方法（一種安排工做進程的數學方法），「燒水泡茶」這麼簡單的事情都這麼多說道，更況且是併發編程裏的工程問題呢。

​ 既然分工很重要又很複雜，那必定有前輩努力嘗試解決過，而且也必定有成果。的確，在併發編程領域這方面的成果仍是很豐碩的。Java SDK 併發包裏的 Executor、Fork/Join、Future 本質上都是一種分工方法。除此以外，併發編程領域還總結了一些設計模式，基本上都是和分工方法相關的，例如生產者 - 消費者、Thread-Per-Message、Worker Thread 模式等都是用來指導你如何分工的。

​ 學習這部份內容，最佳的方式就是和現實世界作對比。例如生產者 - 消費者模式，能夠類比一下餐館裏的大廚和服務員，大廚就是生產者，負責作菜，作完放到出菜口，而服務員就是消費者，把作好的菜給你端過來。不過，咱們常常會發現，出菜口有時候一會兒出了好幾個菜，服務員是能夠把這一批菜同時端給你的。其實這就是生產者 - 消費者模式的一個優勢，生產者一個一個地生產數據，而消費者能夠批處理，這樣就提升了性能。

同步

​ 分好工以後，就是具體執行了。在項目執行過程當中，任務之間是有依賴的，一個任務結束後，依賴它的後續任務就能夠開工了，後續工做怎麼知道能夠開工了呢？這個就是靠溝通協做了，這是一項很重要的工做。

​ 在併發編程領域裏的同步，主要指的就是線程間的協做，本質上和現實生活中的協做沒區別，不過是一個線程執行完了一個任務，如何通知執行後續任務的線程開工而已。

​ 協做通常是和分工相關的。Java SDK 併發包裏的 Executor、Fork/Join、Future 本質上都是分工方法，但同時也能解決線程協做的問題。例如，用 Future 能夠發起一個異步調用，當主線程經過 get() 方法取結果時，主線程就會等待，當異步執行的結果返回時，get() 方法就自動返回了。主線程和異步線程之間的協做，Future 工具類已經幫咱們解決了。除此以外，Java SDK 裏提供的 CountDownLatch、CyclicBarrier、Phaser、Exchanger 也都是用來解決線程協做問題的。

​ 工做中遇到的線程協做問題，基本上均可以描述爲這樣的一個問題：當某個條件不知足時，線程須要等待，當某個條件知足時，線程須要被喚醒執行。例如，在生產者 - 消費者模型裏，也有相似的描述，「當隊列滿時，生產者線程等待，當隊列不滿時，生產者線程須要被喚醒執行；當隊列空時，消費者線程等待，當隊列不空時，消費者線程須要被喚醒執行。」

​ 在 Java 併發編程領域，解決協做問題的核心技術是管程，上面提到的全部線程協做技術底層都是利用管程解決的。管程是一種解決併發問題的通用模型，除了能解決線程協做問題，還能解決下面咱們將要介紹的互斥問題。能夠這麼說，管程是解決併發問題的萬能鑰匙。

因此說，這部份內容的學習，關鍵是理解管程模型，學好它就能夠解決全部問題。其次是瞭解 Java SDK 併發包提供的幾個線程協做的工具類的應用場景，用好它們能夠妥妥地提升你的工做效率。

互斥

​ 分工、同步主要強調的是性能，但併發程序裏還有一部分是關於正確性的，用專業術語叫「線程安全」。併發程序裏，當多個線程同時訪問同一個共享變量的時候，結果是不肯定的。不肯定，則意味着可能正確，也可能錯誤，事先是不知道的。而致使不肯定的主要源頭是可見性問題、有序性問題和原子性問題，爲了解決這三個問題，Java 語言引入了內存模型，內存模型提供了一系列的規則，利用這些規則，咱們能夠避免可見性問題、有序性問題，可是還不足以徹底解決線程安全問題。解決線程安全問題的核心方案仍是互斥。

​ 所謂互斥，指的是同一時刻，只容許一個線程訪問共享變量。

​ 實現互斥的核心技術就是鎖，Java 語言裏 synchronized、SDK 裏的各類 Lock 都能解決互斥問題。雖然說鎖解決了安全性問題，但同時也帶來了性能問題，那如何保證安全性的同時又儘可能提升性能呢？能夠分場景優化，Java SDK 裏提供的 ReadWriteLock、StampedLock 就能夠優化讀多寫少場景下鎖的性能。還可使用無鎖的數據結構，例如 Java SDK 裏提供的原子類都是基於無鎖技術實現的。

​ 除此以外，還有一些其餘的方案，原理是不共享變量或者變量只容許讀。這方面，Java 提供了 Thread Local 和 final 關鍵字，還有一種 Copy-on-write 的模式。

​ 使用鎖除了要注意性能問題外，還須要注意死鎖問題。

​ 這部份內容比較複雜，每每仍是跨領域的，例如要理解可見性，就須要瞭解一些 CPU 和緩存的知識；要理解原子性，就須要理解一些操做系統的知識；不少無鎖算法的實現每每也須要理解 CPU 緩存。這部份內容的學習，須要博覽羣書，在大腦裏創建起 CPU、內存、I/O 執行的模擬器。這樣遇到問題就能駕輕就熟了。

跳出來，看全景，可讓你的知識成體系，所學知識也融匯貫通起來，由點成線，由線及面，畫出本身的知識全景圖。