Java併發編程的藝術-初步讀書記錄（持續更新。。。）

併發編程的挑戰

1. 上下文切換（減小）
• 無鎖併發編程
• 避免使用鎖，如將數據的ID按照Hash算法取模分段，不一樣的線程處理不一樣段的數據。（segement）
• CAS算法：Java的Atomic包使用CAS算法更新數據，不須要加鎖。Compare and swap
• 使用最少線程：避免建立不須要的線程。
• 協程：在單線程裏實現多任務的調度，並在單線程裏維持多個任務的切換。（缺實例說明）
2. 死鎖
• 避免死鎖
• 避免同一個線程同時獲取多個鎖。
• 避免一個線程在鎖內同時佔有多個資源，儘可能保證每一個鎖都只佔用一個資源。
• 嘗試使用定時鎖，使用lock.tryLock(timeout)來替代內部鎖機制。(待嘗試)
• 對於數據庫加鎖，加鎖和解鎖必須在一個數據庫鏈接裏，不然會出現鏈接失敗的狀況。
3. 資源限制

Java併發機制的實現

1. volatile的應用
• volatile的定義和實現
• 定義：Java編程語言容許線程訪問共享變量，爲了確保共享變量能被準確和一致地更新，線程應該確保經過排他鎖單獨得到這個變量。Java提供了volatile，在某些狀況下比鎖要更加方便。若是一個字段被聲明成volatile，Java線程內存模型確保全部線程看到這個變量的值是一致的。
• 實現原則：
• Lock前綴指令會引發處理器緩存回寫到內存。
• 一個處理器的緩存回寫到內存會致使其餘處理器的緩存無效。
2. synchronized的實現原理及應用
• synchronized實現同步的基礎：Java中的每個對象均可以當作鎖。具體表現爲：
• 對於普通同步方法，鎖是當前實例對象。
• 對於靜態同步方法，鎖是當前類的Class對象。
• 對於同步方法塊，鎖是Synchronized括號裏配置的對象。
• Java對象頭
• synchronized用的鎖是存在Java對象頭裏的。若是對象是數組類型，則虛擬機用3個字寬(Word)存儲對象頭，不然是2個字寬。32位虛擬機中，1字寬等於4字節。
• (待處理圖片)
• 鎖的升級與對比
• JavaSE1.6加入了"偏向鎖"和"輕量級鎖"。鎖4種狀態從低到高爲：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態和重量級鎖狀態，狀態會隨競爭狀況升級。鎖能夠升級但不能降級，目的是提升得到鎖和釋放鎖的效率。
• 鎖的優缺點對比：

•  

3. 原子操做的實現原理
• 即爲不可中斷 的一個或者一系列操做。

•  

4. Java如何實現原子操做
• 使用循環CAS實現原子操做
• CAS實現原子操做的三大問題
• ABA問題：cas在操做值的時候須要檢查值有沒有發生變化，沒有變化則更新，但若是一值原理爲A，變成B後又變成A，使用CAS檢查時發現值沒有變化，但實際上卻發生了變化。ABA問題的解決思路就是增長版本號，在變量前面加上版本號，每次變化則加1，那麼A-B-A則變爲1A-2B-3A。Java1.5開始，JDK的Atomic包裏提供了AtomicStampedReference來解決ABA問題。這個類的compareAndSet方法的做用是首先檢查當前引用是否等於預期引用，而且檢查當前標誌是否等於預期標誌，所有相等則以原子方式將改引用和該標記的值設置爲給定的更新值。
• 循環時間長開銷大：自旋CAS長時間不成功，會給CPU帶來很是大的執行開銷。（優化：使用JVM支持處理器的pause命令）
• 只能保證一個共享變量的原子操做：當對一個共享變量操做時，可使用循環CAS的方式保證原子操做，但對於多個共享變量時，沒法保證原子性，這時用鎖。 其餘辦法:將多個共享變量合併成一個用CAS操做。1.5後用AtomicReference來操做保證。
• 使用鎖機制來實現原子操做

Java內存模型

1. Java內存模型的基礎
• 併發編程模型的兩個關鍵問題
• 線程之間如何通訊
• 命令式編程中，通訊方式有兩種：共享內存和消息傳遞。在共享內存的併發模型裏，線程之間共享程序的公共狀態，經過寫-讀內存中的公共狀態進行隱式通訊。在消息傳遞的的併發模型裏，線程之間沒有公共狀態，線程之間經過消息傳遞來顯示進行通訊。
• 線程以前如何同步
• 同步是指程序中用於控制不一樣線程間操做發生相對順序的機制。在共享內存的併發模型中，同步是顯示進行的。
• Java採用的是共享內存模型，通訊是隱式進行的。
• Java內存模型的抽象結構
• 在Java中，全部實例域、靜態域和數組元素都存儲在堆內存中，堆內存在線程之間共享局部變量，方法定義參數和異常處理器參數不會在線程之間共享，它們不會有內存可見性問題，也不受內存模型的影響。
• Java線程之間的通訊由Java內存模型（JMM）控制，JMM決定一個線程對共享變量的寫入什麼時候對另外一個線程可見。從抽象的角度來看，JMM定義了線程和主內存之間的抽象關係：線程之間的共享變量存儲在主內存中，每一個線程都有一個私有的本地內存，本地內存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本。本地內存是JMM的一個抽象概念，並不真實存在。它涵蓋了緩存、寫緩衝區、寄存器以及其餘的硬件和編譯器優化。Java內存模型的抽象示意如圖3-1所示：

   

• 從圖3-1看到，若是A和B線程之間須要通訊的時候，必須經歷下面2個步驟
• 一、線程A把本地內存A中更新過的共享變量刷新到主內存中去。
• 二、線程B到主內存中讀取線程A以前已更新過的共享變量。
• 過程如圖所示

   

• 總結：JMM經過控制主內存與每一個線程的本地內存之間的交互，來爲Java提供內存可見性保證。
• 從源代碼到指令序列的重排序
• 在執行程序時，爲了提升性能，編譯器和處理器經常會對指令進行重排序，分爲如下3種
• 編譯器優化的重排序：編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，能夠從新安排語句的執行順序。
• 指令級並行的重排序： 現代處理器採用了指令級並行技術來將多條指令重疊執行。若是不存在數據依賴性，處理器能夠改變語句對應機器指令的執行順序。

• 內存系統的重排序： 因爲處理器使用緩存和讀/寫緩衝區，這使得加載和存儲操做看上去多是在亂序執行。