Java 并发知识梳理

概述

随着摩尔定律逐步失效，cpu 单核性能达到瓶颈，并发逐渐逐渐得到广泛应用，因而学习了解以及使用并发就显得十分重要。但并发相关的知识比较琐碎，不易系统学习，因而本篇文章参照王宝令老师《Java 并发编程》来勾勒出一张“并发全景图”。

是什么？

用学术定义来说就是

并发：同一时间段，多个任务都在执行 (单位时间内不一定同时执行)；

简单来说就是，同一个时间段，让计算机同时做多个事情。

说到 并发，不得不提就是 并行：

并行：单位时间内，多个任务同时执行。

两者大眼一看很像，仔细一想却并不相同，因为 并行 强调某个时间点多个任务同时执行，而 并发 强调的是一个时间段内多个任务都在执行。

怎么做？

大部分并发问题，最终都可以抽象成三类问题分工、同步和互斥。而且针对不同的问题有着不同的方式来解决，具体如下图所示：

分工

所谓 分工，类似于现实中一个组织完成一个项目，项目经理要拆分任务，安排合适的成员去完成。

在并发编程领域，你就是项目经理，线程就是项目组成员。任务分解和分工对于项目成败非常关键，不过在并发领域里，分工更重要，它直接决定了并发程序的性能，并且分工非常重要且复杂，因而 Java 并发包中有一系列方法来实现 分工：

• "Executor 与线程池"
• "ForkJoin"
• "Future 的使用"

基于分工思想设计的并发设计模式也有很多：

• "Guarded Supension 模式"
• "Balking 模式"
• "Threa-Per-Message 模式"
• "生产者-消费者模式"
• "Work Thread 模式"
• "两阶段终止模式"

同步

而 同步 更多描述的是一种协同关系，在分完工之后，具体执行时，任务之间会有依赖，一个任务之后完成之后，其他依赖它的任务才能开始进行，因而就引入的 同步 来协同各个任务之间的执行顺序。

针对该类问题，Java 也提供了一系列工具来辅助解决：

• "信号量（Semaphore）机制"
• "管程（Monitor）"
• "CountDownLatch"
• "CyclicBarrier"
• "Phaser"
• "Exchanger"

互斥

分工、同步主要为了充分发掘 CPU 的性能来解决问题，但并发问题中，还需要解决正确性问题，即保证 线程安全。

当多个线程同时访同一个变量时，最后执行的结果是不确定的，比如下边这段代码：

public class UnsafeSequence {
	private int value = 0;
	public int getNext() {
		return ++value;
	}
}

如果我们有多个线程同时调用 getNext() 时，多个线程之间推进顺序的不同可能会有不同的执行结果：

可能会是 2，递推顺序如下：

可能结果是 1，代码执行顺序如下：

因而结果是不确定的，也就是说结果可能是正确的（比如上边的程序执行结果为 2），可能是错误的（比如执行结果是 1），执行前是不知道的。而导致不确定的主要源头主要是三个问题可见性问题、有序性问题和原子性问题，为了解决这三个问题，Java 引入了内存模型，内存模型提供一系列规则利用这些规则，我们可以避免可见性问题、有序性问题，但是还不足以完全解决线程安全问题。解决线程安全问题的核心方案还是 互斥。

所谓互斥，指的是同一时刻，只允许一个线程访问共享变量。

实现互斥主要手段是互斥锁主要包含下边这些手段：

• Synchronized
• Lock
• 读写锁

除此之外，未来提高速度，也有一些无锁的方案：

• 不变模式
• 线程本地存储
• CAS
• Copy - on - Write
• 原子类

总结

本文主要从分工、同步和互斥三类问题展开，从解决对应问题角度出发大致梳理了 Java 并发知识的学习前景图。后续将分若干部分来讲对应的内容。

引用

1. 《深入理解 Java 虚拟机》
2. 《Java 并发实战》