java并发 一 概念和原理

一、概念

1、所有的并发只有2种：互斥（某种锁） +同步（某种条件）

2、互斥：只允许一个线程访问，jvm在调度时间片时使用

3、同步：应用间的协调，是应用为了实现某种逻辑而写的，一般基于互斥实现

4、POSIX中定义的工具：内存barrier（避免多核cache导致的不一致）、mutex、condition、readwritelock、semaphore

5、管程 monitor，把pv操作、加解锁抽象成数据结构，而不是散列在线程的代码里

6、io缓存：cpu用DMA缓存到内核，之后拷贝到用户空间，比不用缓存好的地方：不用多次分配和释放内存；可以一次让磁盘读入整个块；在读入的时候，使用更少的cpu干预。

7、内存映射：内核和用户空间使用同一个缓存，省了拷贝过程

8、JAVA NIO 直接buffer：不需要走jvm的堆，使用OS的内存

二、一些常识

1、Waiting VS blocked

waiting：程序员写的等待逻辑，切换时间片

blocked：io操作，竞争厉害的synchronized，sleep 等，导致线程等候，是jvm实现的

2、yield：还是runnable，但是暂时让jvm调度别人

3、java使用多线程的好处：

1>充分利用多核cpu 2>多个操作并发进行，提高响应速度，避免消息被堵住 3> 多线程IO的好处是可以充分利用内存cache和DMA，IO里面的逻辑可以并行。

4、使用多线程的坏处：1>上下文切换有成本(几十个到几百个clock)：CPU寄存器需要保存和加载，系统调度器的代码需要执行，多核cache之间的共享数据 2> 占内存。3> IO DMA无法并行的情况下，多线程会降低吞吐率。

5、linux的"时间片"默认是0.75ms到6ms

6、main中没有非daemon线程时，会退出jvm进程；

7、安全的终止：在while循环里检查状态，而不是调用stop

 

三、java提供的工具（cache cas mutex/condition）

1、volatile（无锁）：使寄存器缓存行失效，强制别的线程重新读内存（适用于一个线程写，多个线程读）

2、synchronized 互斥的逻辑，某种类型的锁（类似于管程）,对应于上面的互斥。jvm的实现非常高效，具体的实现如下：

1》默认偏向锁：单线程执行时连lock的调用都不需要，直接在object的头部记录一个状态即可，实现层面仅仅添加了一个monitorenter指令。适合于大多数情况下，synchronized修饰的代码块都是单线程执行的情况，也可以认为是对单线程情况的优化。

2》轻量级锁(可重入、不可中断、非公平)：有别的线程来竞争时升级为轻量级锁，用自旋（cpu空转）来等待别的线程释放锁（不切换时间片），适合于很快就会获得锁的情况（等一会时，这个时间片还没有结束）(jvm内部全部是轻量级锁)

3》重量级锁：自旋的时间很久时，使用重量级锁，需要切换时间片，避免空转(线程变为blocked)

3、原子操作 atomixXXX cas自旋的方式实现(不加锁)

4、wait（释放锁）/notify 对应于同步

程序员控制的线程之间的交互同步，而不是jvm的时间片调度。条件一定要加锁使用。wait会释放相应的锁，但是notify不会，notify执行后不会马上回到wait，而是等待竞争到锁之后才执行到wait的逻辑，获得条件后还需要检查状态。notify使线程由等待条件变成等待锁。

WaitQueue->SynchronizedQueue中

synchronized(lock){while(!flag){lock.wait();} do();}

synchronized(lock){change();lock.notifyall();}

5、piped 用于线程间传递数据（基于共享内存）

6、Thread类（只有wait释放锁）

join 内部也是加锁（synchronized）,循环判断，wait

sleep/yield 让出cpu时间片，不释放锁

7、锁的公平性（fair）:释放后一定放到队尾部，获取时一定从前往后；不公平获取，看上一次是否获取过。

8、线程挂起的原因：io、没有抢到时间片、没有获得锁

四、工具的扩展

1、锁：某种意义上的串行化。syncronized固化了使用方式，使用简单，但是不灵活。除了基本的同步需要，锁需要考虑 可重入？公平？互斥还是读写？非阻塞？超时？线程获取锁时是否可中断（不是一直阻塞在那）？更细的粒度？（默认全部是乐观锁） 这些灵活性通过java5的concurrent.lock包来实现（自己处理加解锁和死锁）。lock接口的灵活性 try lockInterruptibly r/w timeout

2、Synchronized语义：可重入、非公平、互斥、阻塞（不可中断，sleep时还会阻塞别的线程，自己死了锁还被保持着）、不能超时

3、锁的粒度：volatile < atomicXXX < CAS < 各种lock < wait

4、lock的扩展

ReentrantLock：可重入（递归），可中断(可实现获取就独占)

ReentrantReadWriteLock：读多写少时，粒度小，性能高。

StampedLock：避免太多读线程，使得写线程很难调度到，有写时应该先允许写，之后重新读就好了，考虑的是公平性

    AbstractQueuedSynchronizer：管理互斥共享阻塞队列、等候队列。tryacquire(Shared) getExclusiveQueuedThreads

isHeldExclusively release

阻塞的线程，是否响应中断？Interruptibly（不会移除同步队列）acquire 同步获取，得不到阻塞

5、wait/notify的扩展

      LockSupport：等待和解除等待（没有wait/notify时序要求）

park:  等待条件，不需要在unpark之前，

unpark: 释放一个条件

      condition：支持多个队列、超时和中断，synchronizer内部类

await（释放锁）：怎么返回？被signal或被中断

signal：等待队列-->同步队列，只有再次获得锁才会执行wait后续的操作

 

总结：ReentrantReadWriteLock/StampedLock;condition/LockSupport