如何纔可以系統地學習Java併發技術？

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Java併發編程一直是Java程序員必須懂但又是很難懂的技術內容。

這裏不只僅是指使用簡單的多線程編程，或者使用juc的某個類。固然這些都是併發編程的基本知識，除了使用這些工具之外，Java併發編程中涉及到的技術原理十分豐富。爲了更好地把併發知識造成一個體系，也鑑於本人目前也沒有能力寫出這類文章，因而參考幾位併發編程方面專家的博客和書籍，作一個簡單的整理。

首先說一下我學習Java併發編程的一些方法吧。大概分爲這幾步：

一、先學會最基礎的Java多線程編程，Thread類的使用，線程通訊的一些方法等等。這部份內容須要多寫一些demo去實踐。

二、接下來能夠去使用一些JUC的API，好比concurrenthashmap，併發工具類，原子數據類型等工具，在學習這部份內容的時候，你能夠搭配一些介紹併發編程的書籍和博客一塊兒看，書籍我當時看的是《Java併發編程藝術》，我以爲略好於《Java併發編程實踐》。

我這個專欄裏也整合了一些比較好的博客，因此你們能夠不妨先看看。

三、接下來就要閱讀源碼了，讀源碼部分最主要的就是讀JUC包的源碼，好比concurrenthashmap，阻塞隊列，線程池等等，固然，這些源碼本身讀起來會比較痛苦，因此建議跟着博客走。

四、走到這一步，你已經理解了Java併發編程原理，而且能夠熟練使用JUC，應付面試已經足夠了，剩下的事情就是真正把這些東西用到項目中去，我當時在網易實習的時候就用到了JUC的一些內容，不得不說仍是挺有意思的。

 下面先介紹一下Java併發編程的一些主要內容，我把它分六個部分，你們能夠參考這幾個部分的內容分別進行學習。

一：併發基礎和多線程

首先須要學習的就是併發的基礎知識，什麼是併發，爲何要併發，多線程的概念，線程安全的概念等。

而後學會使用Java中的Thread或是其餘線程實現方法，瞭解線程的狀態轉換，線程的方法，線程的通訊方式等。

二：JMM內存模型

任何語言最終都是運行在處理器上，JVM虛擬機爲了給開發者一個一致的編程內存模型，須要制定一套規則，這套規則能夠在不一樣架構的機器上有不一樣實現，而且向上爲程序員提供統一的JMM內存模型。

因此瞭解JMM內存模型也是瞭解Java併發原理的一個重點，其中瞭解指令重排，內存屏障，以及可見性原理尤其重要。

JMM只保證happens-before和as-if-serial規則，因此在多線程併發時，可能出現原子性，可見性以及有序性這三大問題。

下面的內容則會講述Java是如何解決這三大問題的。

三：synchronized，volatile，final等關鍵字

對於併發的三大問題，volatile能夠保證可見性，synchronized三種特性均可以保證。

synchronized是基於操做系統的mutex lock指令實現的，volatile和final則是根據JMM實現其內存語義。

此處還要了解CAS操做，它不只提供了相似volatile的內存語義，而且保證操做原子性，由於它是由硬件實現的。

JUC中的Lock底層就是使用volatile加上CAS的方式實現的。synchronized也會嘗試用cas操做來優化器重量級鎖。

瞭解這些關鍵字是頗有必要的。

四：JUC包

在瞭解完上述內容之後，就能夠看看JUC的內容了。

JUC提供了包括Lock，原子操做類，線程池，同步容器，工具類等內容。

這些類的基礎都是AQS，因此瞭解AQS的原理是很重要的。

除此以外，還能夠了解一下Fork/Join，以及JUC的經常使用場景，好比生產者消費者，阻塞隊列，以及讀寫容器等。

五：實踐

上述這些內容，除了JMM部分的內容比較很差實現以外，像是多線程基本使用，JUC的使用均可以在代碼實踐中更好地理解其原理。多嘗試一些場景，或者在網上找一些比較經典的併發場景，或者參考別人的例子，在實踐中加深理解，仍是頗有必要的。

六：補充

因爲不少Java新手可能對併發編程沒什麼概念，在這裏放一張不錯的思惟導圖，該圖簡要地提幾個併發編程中比要重要的點，也是比較基本的點，在大體瞭解了這些基礎內容之後，才能更好地開展後面詳細內容的學習。

上面講到了學習路線，建議你們先跟着這個路線去看一看本專欄的一些博客，而後再來看下面這部份內容，由於下面的內容是我基於本專欄全部博客進行概括和總結的，主要是方便記憶和複習，也可讓你把知識點從新過一遍，若是你以爲個人總結不夠好，你也能夠本身作總結，這也是一種不錯的學習方法，話很少少，我們接着往下看。

這篇總結主要是基於我Java併發技術系列的文章而造成的的。主要是把重要的知識點用本身的話說了一遍，可能會有一些錯誤，還望見諒和指點。謝謝

更多詳細內容能夠查看個人專欄文章：Java併發技術指南

https://blog.csdn.net/column/...

線程安全

1. 線程安全通常指多線程之間的操做結果不會由於線程調度的順序不一樣而發生改變。

互斥和同步

1. 互斥通常指資源的獨佔訪問，同步則要求同步代碼中的代碼順序執行，而且也是單線程獨佔的。

JMM內存模型

1. JVM中的內存分區包括堆，棧，方法區等區域，這些內存都是抽象出來的，實際上，系統中只有一個主內存，可是爲了方便Java多線程語義的實現，以及下降程序員編寫併發程序的難度，Java提出了JMM內存模型，將內存分爲主內存和工做內存，工做內存是線程獨佔的，實際上它是一系列寄存器，編譯器優化後的結果。

as-if-Serial，happens-before

1. asif serial語義提供單線程代碼的順序執行保證，雖然他容許指令重排序，可是前提是指令重排序不會改變執行結果。

volatile

1. volatile語義其實是在代碼中插入一個內存屏障，內存屏障分爲讀寫，寫讀，讀讀，寫寫四種，能夠用來避免volatile變量的讀寫操做發生重排序，從而保證了volatile的語義，實際上，volatile修飾的變量強制要求線程寫時將數據從緩存刷入主內存，讀時強制要求線程從主內存中讀取，所以保證了它的可見性。
2. 而對於volatile修飾的64位類型數據，能夠保證其原子性，不會由於指令重排序致使一個64位數據被分割成兩個32位數據來讀取。

synchronized和鎖優化

1. synchronized是Java提供的同步標識，底層是操做系統的mutex lock調用，須要進行用戶態到內核態的切換，開銷比較大。
2. synchronized通過編譯後的彙編代碼會有monitor in和monitor out的字樣，用於標識進入監視器模塊和退出監視器模塊，
3. 監視器模塊watcher會監控同步代碼塊中的線程號，只允線程號正確的線程進入。
4. Java在synchronized關鍵字中進行了屢次優化。
5. 好比輕量級鎖優化，使用鎖對象的對象頭作文章，當一個線程須要得到該對象鎖時，線程有一段空間叫作lock record，用於存儲對象頭的mask word，而後經過cas操做將對象頭的mask word改爲指向線程中的lockrecord。
6. 若是成功了就是獲取到了鎖，不然就是發生了互斥。須要鎖粗化，膨脹爲互斥鎖。
7. 偏向鎖，去掉了更多的同步措施，檢查mask word是不是可偏向狀態，而後檢查mask word中的線程id是不是本身的id，若是是則執行同步代碼，若是不是則cas修改其id，若是修改失敗，則出現鎖爭用，偏向鎖失效，膨脹爲輕量級鎖。
8. 自旋鎖，每一個線程會被分配一段時間片，而且聽候cpu調度，若是發生線程阻塞須要切換的開銷，因而使用自旋鎖不須要阻塞，而是忙等循環，一獲取時間片就開始忙等，這樣的鎖就是自旋鎖，通常用於併發量比較小，又擔憂切換開銷的場景。

CAS操做

1. CAS操做是經過硬件實現的原子操做，經過一條指令完成比較和賦值的操做，防止發生因指令重排致使的非原子操做，在Java中經過unsafe包能夠直接使用，在Java原子類中使用cas操做來完成一系列原子數據類型的構建，保證自加自減等依賴原值的操做不會出現併發問題。
2. cas操做也普遍用在其餘併發類中，經過循環cas操做能夠完成線程安全的併發賦值，也能夠經過一次cas操做來避免使用互斥鎖。

Lock類

AQS

1. AQS是Lock類的基石，他是一個抽象類，經過操做一個變量state來判斷線程鎖爭用的狀況，經過一系列方法實現對該變量的修改。通常能夠分爲獨佔鎖和互斥鎖。
2. AQS維護着一個CLH阻塞隊列，這個隊列主要用來存放阻塞等待鎖的線程節點。能夠看作一個鏈表。

一：獨佔鎖

獨佔鎖的state只有0和1兩種狀況（若是是可重入鎖也能夠把state一直往上加，這裏不討論），state = 1時說明已經有線程爭用到鎖。線程獲取鎖時通常是經過aqs的lock方法，若是state爲0，首先嚐試cas修改state=1，成功返回，失敗時則加入阻塞隊列。非公共鎖使用時，線程節點加入阻塞隊列時依然會嘗試cas獲取鎖，最後若是仍是失敗再老老實實阻塞在隊列中。

獨佔鎖還能夠分爲公平鎖和非公平鎖，公平鎖要求鎖節點依據順序加入阻塞隊列，經過判斷前置節點的狀態來改變後置節點的狀態，好比前置節點獲取鎖後，釋放鎖時會通知後置節點。

非公平鎖則不必定會按照隊列的節點順序來獲取鎖，如上面所說，會先嚐試cas操做，失敗再進入阻塞隊列。

二：共享鎖

共享鎖的state狀態能夠是0到n。共享鎖維護的阻塞隊列和互斥鎖不太同樣，互斥鎖的節點釋放鎖後只會通知後置節點，而共享鎖獲取鎖後會通知全部的共享類型節點，讓他們都來獲取鎖。共享鎖用於countdownlatch工具類與cyliderbarrier等，能夠很好地完成多線程的協調工做

鎖Lock和Conditon

Lock 鎖維護這兩個內部類fairsync和unfairsync，都繼承自aqs，重寫了部分方法，實際上大部分方法仍是aqs中的，Lock只是從新把AQS作了封裝，讓程序員更方便地使用Lock鎖。

和Lock鎖搭配使用的還有condition，因爲Lock鎖只維護着一個阻塞隊列，有時候想分不一樣狀況進行鎖阻塞和鎖通知怎麼辦，原來咱們通常會使用多個鎖對象，如今可使用condition來完成這件事，好比線程A和線程B分別等待事件A和事件B，可使用兩個condition分別維護兩個隊列，A放在A隊列，B放在B隊列，因爲Lock和condition是綁定使用的，當事件A觸發，線程A被喚醒，此時他會加入Lock本身的CLH隊列中進行鎖爭用，固然也分爲公平鎖和非公平鎖兩種，和上面的描述同樣。

Lock和condtion的組合普遍用於JUC包中，好比生產者和消費者模型，再好比cyliderbarrier。

讀寫鎖

讀寫鎖也是Lock的一個子類，它在一個阻塞隊列中同時存儲讀線程節點和寫線程節點，讀寫鎖採用state的高16位和低16位分別表明獨佔鎖和共享鎖的狀態，若是共享鎖的state > 0能夠繼續獲取讀鎖，而且state-1，若是=0,則加入到阻塞隊列中，寫鎖節點和獨佔鎖的處理同樣，所以一個隊列中會有兩種類型的節點，喚醒讀鎖節點時不會喚醒寫鎖節點，喚醒寫鎖節點時，則會喚醒後續的節點。

所以讀寫鎖通常用於讀多寫少的場景，寫鎖能夠降級爲讀鎖，就是在獲取到寫鎖的狀況下能夠再獲取讀鎖。

併發工具類

1 countdownlatch

countdownlatch主要經過AQS的共享模式實現，初始時設置state爲N，N是countdownlatch初始化使用的size，每當有一個線程執行countdown，則state-1，state = 0以前全部線程阻塞在隊列中，當state=0時喚醒隊頭節點，隊頭節點依次通知全部共享類型的節點，喚醒這些線程並執行後面的代碼。

2 cycliderbarrier

cycliderbarrier主要經過lock和condition結合實現，首先設置state爲屏障等待的線程數，在某個節點設置一個屏障，全部線程運行到此處會阻塞等待，其實就是等待在一個condition的隊列中，而且每當有一個線程到達，state -=1 則當全部線程到達時,state = 0，則喚醒condition隊列的全部結點，去執行後面的代碼。

3 samphere

samphere也是使用AQS的共享模式實現的，與countlatch大同小異，再也不贅述。

4 exchanger

exchanger就比較複雜了。使用exchanger時會開闢一段空間用來讓兩個線程進行交互操做，這個空間通常是一個棧或隊列，一個線程進來時先把數據放到這個格子裏，而後阻塞等待其餘線程跟他交換，若是另外一個線程也進來了，就會讀取這個數據，並把本身的數據放到對方線程的格子裏，而後雙雙離開。固然使用棧和隊列的交互是不一樣的，使用棧的話匹配的是最晚進來的一個線程，隊列則相反。

原子數據類型

原子數據類型基本都是經過cas操做實現的，避免併發操做時出現的安全問題。

同步容器

同步容器主要就是concurrenthashmap了，在集合類中我已經講了chm了，因此在這裏簡單帶過，chm1.7經過分段鎖來實現鎖粗化，使用的死LLock鎖，而1.8則改用synchronized和cas的結合，性能更好一些。

還有就是concurrentlinkedlist，ConcurrentSkipListMap與CopyOnWriteArrayList。

第一個鏈表也是經過cas和synchronized實現。

而concurrentskiplistmap則是一個跳錶，跳錶分爲不少層，每層都是一個鏈表，每一個節點能夠有向下和向右兩個指針，先經過向右指針進行索引，再經過向下指針細化搜索，這個的搜索效率是很高的，能夠達到logn，而且它的實現難度也比較低。經過跳錶存map就是把entry節點放在鏈表中了。查詢時按照跳錶的查詢規則便可。

CopyOnWriteArrayList是一個寫時複製鏈表，查詢時不加鎖，而修改時則會複製一個新list進行操做，而後再賦值給原list便可。適合讀多寫少的場景。

阻塞隊列

BlockingQueue 實現之 ArrayBlockingQueue

1. ArrayBlockingQueue其實就是數組實現的阻塞隊列，該阻塞隊列經過一個lock和兩個condition實現，一個condition負責從隊頭插入節點，一個condition負責隊尾讀取節點，經過這樣的方式能夠實現生產者消費者模型。   

BlockingQueue 實現之 LinkedBlockingQueue

1. LinkedBlockingQueue是用鏈表實現的阻塞隊列，和arrayblockqueue有所區別，它支持實現爲無界隊列，而且它使用兩個lock和對應的condition搭配使用，這是由於鏈表能夠同時對頭部和尾部進行操做，而數組進行操做後可能還要執行移位和擴容等操做。
2. 因此鏈表實現更靈活，讀寫分別用兩把鎖，效率更高。

BlockingQueue 實現之 SynchronousQueue

1. SynchronousQueue實現是一個不存儲數據的隊列，只會保留一個隊列用於保存線程節點。詳細請參加上面的exchanger實現類，它就是基於SynchronousQueue設計出來的工具類。

BlockingQueue 實現之 PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue

1.     PriorityBlockingQueue是一個支持優先級的無界隊列。默認狀況下元素採起天然順序排列，也能夠經過比較器comparator來指定元素的排序規則。元素按照升序排列。

DelayQueue

1.     DelayQueue是一個支持延時獲取元素的無界阻塞隊列。隊列使用PriorityQueue來實現。隊列中的元素必須實現Delayed接口，在建立元素時能夠指定多久才能從隊列中獲取當前元素。只有在延遲期滿時才能從隊列中提取元素。咱們能夠將DelayQueue運用在如下應用場景：
2.     緩存系統的設計：能夠用DelayQueue保存緩存元素的有效期，使用一個線程循環查詢DelayQueue，一旦能從DelayQueue中獲取元素時，表示緩存有效期到了。
3.     定時任務調度。使用DelayQueue保存當天將會執行的任務和執行時間，一旦從DelayQueue中獲取到任務就開始執行，從好比TimerQueue就是使用DelayQueue實現的。

線程池

類圖

首先看看executor接口，只提供一個run方法，而他的一個子接口executorservice則提供了更多方法，好比提交任務，結束線程池等。

而後抽象類abstractexecutorservice提供了更多的實現了，最後咱們最常使用的類ThreadPoolExecutor就是繼承它來的。

ThreadPoolExecutor能夠傳入多種參數來自定義實現線程池。

而咱們也可使用Executors中的工廠方法來實例化經常使用的線程池。

經常使用線程池

好比newFixedThreadPool

newSingleThreadExecutor newCachedThreadPool

newScheduledThreadPool等等，這些線程池便可以使用submit提交有返回結果的callable和futuretask任務，經過一個future來接收結果，或者經過callable中的回調函數call來回寫執行結果。也能夠用execute執行無返回值的runable任務。

在探討這些線程池的區別以前，先看看線程池的幾個核心概念。

1 任務隊列：線程池中維護了一個任務隊列，每當向線程池提交任務時，任務加入隊列。

2 工做線程：也叫worker，從線程池中獲取任務並執行，執行後被回收或者保留，因狀況而定。

3 核心線程數和最大線程數，核心線程數是線程池須要保持存活的線程數量，以便接收任務，最大線程數是能建立的線程數上限。

4 newFixedThreadPool能夠設置固定的核心線程數和最大線程數，一個任務進來之後，就會開啓一個線程去執行，而且這部分線程不會被回收，當開啓的線程達到核心線程數時，則把任務先放進任務隊列。當任務隊列已滿時，纔會繼續開啓線程去處理，若是線程總數打到最大線程數限制，任務隊列又是滿的時候，會執行對應的拒絕策略。

5 拒絕策略通常有幾種經常使用的，好比丟棄任務，丟棄隊尾任務，回退給調用者執行，或者拋出異常，也可使用自定義的拒絕策略。

6 newSingleThreadExecutor是一個單線程執行的線程池，只會維護一個線程，他也有任務隊列，當任務隊列已滿而且線程數已是1個的時候，再提交任務就會執行拒絕策略。

7 newCachedThreadPool比較特別，第一個任務進來時會開啓一個線程，然後若是線程還沒執行完前面的任務又有新任務進來，就會再建立一個線程，這個線程池使用的是無容量的SynchronousQueue隊列，要求請求線程和接受線程匹配時纔會完成任務執行。因此若是一直提交任務，而接受線程來不及處理的話，就會致使線程池不斷建立線程，致使cpu消耗很大。

8 ScheduledThreadPoolExecutor內部使用的是delayqueue隊列，內部是一個優先級隊列priorityqueue，也就是一個堆。經過這個delayqueue能夠知道線程調度的前後順序和執行時間點。

Fork/Join框架

又稱工做竊取線程池。

咱們在大學算法課本上，學過的一種基本算法就是：分治。其基本思路就是：把一個大的任務分紅若干個子任務，這些子任務分別計算，最後再Merge出最終結果。這個過程一般都會用到遞歸。

而Fork/Join其實就是一種利用多線程來實現「分治算法」的並行框架。

另一方面，能夠把Fori/Join看做一個單機版的Map/Reduce，只不過這裏的並行不是多臺機器並行計算，而是多個線程並行計算。

1 與ThreadPool的區別經過上面例子，咱們能夠看出，它在使用上，和ThreadPool有共同的地方，也有區別點： （1） ThreadPool只有「外部任務」，也就是調用者放到隊列裏的任務。 ForkJoinPool有「外部任務」，還有「內部任務」，也就是任務自身在執行過程當中，分裂出」子任務「，遞歸，再次放入隊列。 （2）ForkJoinPool裏面的任務一般有2類，RecusiveAction/RecusiveTask，這2個都是繼承自FutureTask。在使用的時候，重寫其compute算法。

2 工做竊取算法上面提到，ForkJoinPool裏有」外部任務「，也有「內部任務」。其中外部任務，是放在ForkJoinPool的全局隊列裏面，而每一個Worker線程，也有一個本身的隊列，用於存放內部任務。

3 竊取的基本思路就是：當worker本身的任務隊列裏面沒有任務時，就去scan別的線程的隊列，把別人的任務拿過來執行

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做者黃小斜，斜槓青年，某985碩士，阿里研發工程師，於2018 年秋招拿到 BAT 頭條、網易、滴滴等 8 個大廠 offer

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