【深入学习Java并发之一】并发学习总览

最新推荐文章于 2023-04-20 20:54:42 发布

AsceticW

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分类专栏： Java并发

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本文深入探讨并发编程的核心问题，包括线程安全、原子性、可见性和有序性，以及JMM如何确保这些属性。同时，详细介绍了Java提供的并发工具，如synchronized、volatile和JUC包中的高级组件，帮助读者理解并发程序设计。

一、并发的主题和三个问题

主题：线程安全

我们到底要干什么

从程序员的角度来讲，线程安全，即并发时必须保证多线程任务执行顺序的正确性。为了保证这个正确性：
· JMM（Java Memory Model）提供了一些保障：happens-before、as-if-serial机制；
· JMM提供了一些API：volatile、synchronized；
· JDK也提供了一些并发包：JUC（Java Util Concurrent）。

程序员在面对并发问题时，主要任务就是根据JVM和JDK提供的工具，对多个想要同时访问某资源的线程进行约束，从而保障并发的安全性。可以说，程序员编写并发程序，最重要的就是要保证并发安全。

线程安全是怎么做到的

到底怎么实现线程安全？应该用什么机制？换句话说，前面提到的我们应使用的工具，是怎么实现线程安全的？
· 阻塞同步（如synchronized、AQS同步器等）
· 非阻塞同步（一般采用CAS实现）
· 无同步方案（ThreadLocal等）

线程安全，说白了，就是希望各个线程按照顺序访问资源。那么最直接的思路，就是保证资源在同一时刻，只被一个线程占有，这就是同步；
阻塞同步和非阻塞同步，逻辑上来说是一样的，只是实现的方式有所区别：阻塞同步通过让在资源抢占过程中失败的线程进行挂起，来保证同步，本质上是一种悲观锁的思想；而非阻塞同步则是通过循环CAS的方式，尝试是否有线程在占用资源，有就进行下一次尝试，没有就占用资源，本质上是一种乐观锁的思想。

另外一个思路就是，回避并发。程序是由数据（meta data）和代码（code）组成的，线程安全保护是其中的数据。那么如果某方法不存在共享数据的访问，或者访问的数据可以在本线程内直接拿到，也算是解决了这个问题。
三个问题：原子性、可见性和有序性

什么是原子性、可见性和有序性，为什么要保证他们的实现

这三个问题是对线程安全的细化要求。
· 原子性：类似于数据库里的“事务”的概念，强调一系列操作的不可分割性。
若某操作不具备原子性，那么在并发的环境中，它在执行的过程中有可能被其他操作打断，出现“操作到一半”的数据暴露在其他线程面前的情况，所以，线程安全的操作需要实现原子性。

· 可见性：某线程对共享变量的修改须被其他线程得知。
可见性是相对于JMM中“所有对变量的读写都必须在工作内存中完成”来说的，即正常情况下，线程间互相不知道各自对变量的更改。所以若想同步，某线程对共享变量的修改须被其他线程得知，即实现可见性。

· 有序性：代码逻辑上的有序性。
有序性是相对于指令重排序和多线程并发访问的随机性来说的，正是这两个可能造成语句顺序混乱的机制，导致我们需要保证代码逻辑上的有序性，即实现有序性。
重要的话

在后面的讨论中，会对几乎所有并发工具进行讨论。讨论的主要思路就是
- 它采用了哪种机制（阻塞/非阻塞同步/无同步）？
- 它是否保证了上述三个性质？是怎么实现的？

二、JMM（Java Memory Model）对三个问题作出的保障

有序性保障——happens-before与重排序、并发访问

重排序
为了提高程序处理性能，编译器和处理器可能会对代码执行顺序进行乱序执行：
```
  int i = 5;//1
  int k = 1;//2
  int j = 5;//3
  i = 10;   //4
  k= i;     //5
```
在如上代码片中，1、2和3可以进行重排序。因为1和2都被赋值为了5，在机器码层面上，可以取出5这个值，依次赋给i和j，再执行给k赋为1的操作，这样少了一次5这个数字的取出操作。

但是，并不是所有语句都可以乱序排序的，要依照JMM提供的happens-before机制。JMM同时也规定并保证了常用的几种happens-before的实现。

happens-before
happens-before很简单，就是在语句顺序可能被打乱的前提下，保证程序逻辑的正确性，即保证程序的有序性。
换个角度，就是保证语句对其后的语句是可见的。换句话说，语句所造成的“影响”，应该被其后（可能受到它影响的）语句所得知。从这个角度来看，也保证了可见性。

比如上述代码片中，4与5就不可以进行重排序，因为语句5用到了语句4运行的结果，4的执行与否对5有“影响”。

JMM 对 happens-before的一些支持
- 程序顺序规则：一个线程中的操作 happens-before 其后任意操作
- 监视器规则：monitor锁的解锁 happens-before 之后对此锁的加锁
- volatile规则：volatile写 happens-before 其后对这个变量的volatile读
- start()规则：线程A执行ThreadB.start() 则 start() happens-before 线程B中的任意操作
- join()规则：线程A执行ThreadB.join() 则 B中任意操作 happens-before A从join语句中返回
- 传递性：A happens-before B 且 B happens-before C 则 A happens-before C
可以看出来，JMM对基本的程序逻辑有序进行了保证，也对sychronized和volatile关键字都进行了支持。
可见性的逻辑支持

JMM内存模型
主内存：各线程公用，存储了所有变量。
工作内存：各线程私有，保存着该线程可能用到的变量，拷贝自主内存。线程对变量的所有操作必须在工作线程内进行。

这种内存模型，可以通过工作内存与主内存的数据交互，来完成数据可见性的实现，事实上，volatile就是这么做的（后面再说）。
原子性的逻辑支持

锁或循环CAS
原子性的实现只能依靠锁（悲观/乐观）来实现，因为原子性要依赖于对资源的独占。
JVM提供的两种并发方法及其三个问题的解决

volatile
【深入学习并发之二】volatile关键字详解
synchronized
【深入学习并发之三】synchronized关键字详解