Java 并发 - 理论基础

本文从理论的角度引入并发安全问题以及JMM应对并发问题的原理。@立刀旁

• Java 并发 - 理论基础
  • 带着BAT大厂的面试问题去理解
  • 为什么需要多线程
  • 线程不安全示例
  • 并发出现问题的根源: 并发三要素
    • 可见性: CPU缓存引起
    • 原子性: 分时复用引起
    • 有序性: 重排序引起
  • JAVA是怎么解决并发问题的: JMM(Java内存模型)
    • 关键字: volatile、synchronized 和 final
    • Happens-Before 规则
      • 1. 单一线程原则
      • 2. 管程锁定规则
      • 3. volatile 变量规则
      • 4. 线程启动规则
      • 5. 线程加入规则
      • 6. 线程中断规则
      • 7. 对象终结规则
      • 8. 传递性
  • 线程安全: 不是一个非真即假的命题
    • 1. 不可变
    • 2. 绝对线程安全
    • 3. 相对线程安全
    • 4. 线程兼容
    • 5. 线程对立
  • 线程安全的实现方法
    • 1. 互斥同步
    • 2. 非阻塞同步
    • 3. 无同步方案

# 带着BAT大厂的面试问题去理解

提示

请带着这些问题继续后文，会很大程度上帮助你更好的理解并发理论基础。@pdai

• 多线程的出现是要解决什么问题的?
• 线程不安全是指什么? 举例说明
• 并发出现线程不安全的本质什么? 可见性，原子性和有序性。
• Java是怎么解决并发问题的? 3个关键字，JMM和8个Happens-Before
• 线程安全是不是非真即假? 不是
• 线程安全有哪些实现思路?
• 如何理解并发和并行的区别?

# 为什么需要多线程

众所周知，CPU、内存、I/O 设备的速度是有极大差异的，为了合理利用 CPU 的高性能，平衡这三者的速度差异，计算机体系结构、操作系统、编译程序都做出了贡献，主要体现为:

• CPU 增加了缓存，以均衡与内存的速度差异；// 导致 可见性问题
• 操作系统增加了进程、线程，以分时复用 CPU，进而均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异；// 导致 原子性问题
• 编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理地利用。// 导致 有序性问题

# 线程不安全示例

如果多个线程对同一个共享数据进行访问而不采取同步操作的话，那么操作的结果是不一致的。

以下代码演示了 1000 个线程同时对 cnt 执行自增操作，操作结束之后它的值有可能小于 1000。

public class ThreadUnsafeExample {

    private int cnt = 0;

    public void add() {
        cnt++;
    }

    public int get() {
        return cnt;
    }
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    final int threadSize = 1000;
    ThreadUnsafeExample example = new ThreadUnsafeExample();
    final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
    ExecutorService executorService = Ex