作者 | 加多

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導(dǎo)讀：并發(fā)編程與 Java 中其他知識點(diǎn)相比較而言學(xué)習(xí)門檻較高，從而導(dǎo)致很多人望而卻步。但無論是職場面試，還是高并發(fā)/高流量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，都離不開并發(fā)編程，于是能夠真正掌握并發(fā)編程的人成為了市場迫切需求的人才。本文中，作者加多以通俗易懂的方式講解了多線程并發(fā)編程從入門到實(shí)踐需要掌握的理論知識與實(shí)際操作方法。

學(xué)習(xí)并發(fā)編程

Java 并發(fā)編程作為 Java 技術(shù)棧中的一根頂梁柱，其學(xué)習(xí)成本還是比較大的，很多人學(xué)習(xí)起來感到?jīng)]有頭緒、無從下手。那么學(xué)習(xí)并發(fā)編程是否有一些技巧在里面呢？

為了讓開發(fā)者從 Java 并發(fā)編程的苦海中解脫出來，大神 Doug Lea 特意為 Java 開發(fā)人員做了一件事情，那就是在 JDK 中提供了 Java 并發(fā)包（JUC）。

該包提供了常用的并發(fā)相關(guān)的工具類，比如鎖、并發(fā)安全的隊(duì)列、并發(fā)安全的列表、線程池、線程同步器等。有了 JUC 包，開發(fā)人員編寫并發(fā)程序的時(shí)候，就不再那么吃力了；但是工具雖好，如果你對其原理不了解，還是很容易犯錯，即：不懂原理多吃虧。

下面為大家舉三個(gè)例子進(jìn)行說明：

• 最簡單的并發(fā)安全隊(duì)列 LinkedBlockingQueue，其 offer 與 put 方法的區(qū)別。什么時(shí)候用 offer，什么時(shí)候用 put，你可能在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)知道，但是過一段時(shí)間可能就會忘記。但如果你對其原理了解，翻看下代碼，就可以知道：offer 是非阻塞的，隊(duì)列滿了，就丟棄當(dāng)前元素；put 是阻塞的，隊(duì)列滿則會掛起當(dāng)前線程進(jìn)行等待；
• 使用線程池的時(shí)候，意在讓調(diào)用線程把任務(wù)放入線程池后直接返回，讓任務(wù)異步執(zhí)行。如果你沒注意拒絕策略為 CallerRunsPolicy，并且不知道線程池隊(duì)列滿后，拒絕策略的執(zhí)行是當(dāng)前調(diào)用線程，那么你在拒絕策略里面就會做很耗時(shí)的動作，導(dǎo)致當(dāng)前調(diào)用線程被阻塞很久；
• 當(dāng)你使用 Executors.newFixedThreadPool 等創(chuàng)建線程池的時(shí)候，如果你不知道其內(nèi)部創(chuàng)建了一個(gè)無界隊(duì)列，那么當(dāng)大量任務(wù)被投遞到創(chuàng)建的線程池里面后，可能就會造成 OOM（OutOfMemoryError）。另外當(dāng)你不知道線程池里面的線程是用戶線程還是 deamon 線程的時(shí)候，且沒有調(diào)用線程池的 shutdown 方法，則創(chuàng)建線程池的應(yīng)用也許就不能優(yōu)雅退出。

上面的幾個(gè)例子，意在說明雖然有了 JUC 包，但是不懂原理依然會很吃虧。那么我們?yōu)楹尾换ㄐr(shí)間來研究下 JUC 包重要組件的實(shí)現(xiàn)原理呢？

有人可能會說：我看了但看不懂，每個(gè)組件里面涉及的知識太多了。沒錯， JUC 包重要組件的實(shí)現(xiàn)的確是由并發(fā)編程基礎(chǔ)知識搭建起來的，所以大家在看組件實(shí)現(xiàn)原理前，應(yīng)該先去把并發(fā)的相關(guān)基礎(chǔ)知識學(xué)好，然后由淺入深進(jìn)行研究。

比如最基礎(chǔ)的線程基礎(chǔ)操作原語 notify/wait 系列，join 方法、sleep 方法、yeild 方法；線程中斷的理解；死鎖的產(chǎn)生與避免；什么時(shí)候是用戶線程、什么時(shí)候是 deamon 線程？什么是偽共享以及如何解決？Java 內(nèi)存模型是什么？什么是內(nèi)存不可見性以及如何避免？volatile 與 Synchronized 內(nèi)存語義是什么，它是用來解決什么問題的？什么是 CAS 操作，它的出現(xiàn)為了解決什么問題？ABA 問題是什么？什么是指令重排序，如何避免？什么是原子性操作？什么是獨(dú)占鎖，共享鎖，公平鎖，非公平鎖？······

如果你已經(jīng)掌握了上面列出的所有基礎(chǔ)知識，那么就可以先看 JUC 包中最簡單的基于 CAS 無鎖實(shí)現(xiàn)的原子性操作類如：AtomicLong 的實(shí)現(xiàn)?？赡苣銜兴蓡?#xff1a;其中的變量 value 為何使用 volatile 修飾（多線程下保證內(nèi)存可見性）？

接下來大家可以看到 JDK8 新增原子操作類 LongAdder，在非常高的并發(fā)請求下，AtomicLong 的性能會受影響，這是因?yàn)殡m然 AtomicLong 使用無數(shù) CAS 算法，但是 CAS 失敗后還是通過無限循環(huán)的自旋鎖不斷嘗試的。在高并發(fā)下 N 多線程同時(shí)去操作一個(gè)變量，會造成大量線程 CAS 失敗，然后處于自旋狀態(tài)，這大大浪費(fèi)了 cpu 資源。

既然 AtomicLong 性能是由于過多線程同時(shí)去競爭一個(gè)變量的更新而降低的，那么如果把一個(gè)變量分解為多個(gè)變量，讓同樣多的線程去競爭多個(gè)資源，性能問題不就解決了？JDK8 提供的 LongAdder 就是這個(gè)思路。看到這里大家或許會眼前一亮。

最后大家可以去看一下，比較簡單的并發(fā)安全基于寫時(shí)拷貝的 CopyOnWriteArrayList 的實(shí)現(xiàn)，以及探究其迭代器的弱一致性實(shí)現(xiàn)原理（即寫時(shí)拷貝）。

接下來進(jìn)入核心環(huán)節(jié)，也就是對 JUC 包中鎖的研究。

一開始要先把 LockSupport 類研究透，即：鎖中讓線程掛起與喚醒的基礎(chǔ)設(shè)施。由于鎖是基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）實(shí)現(xiàn)的，所以肯定要先把 AQS 搞清楚。

你將會發(fā)現(xiàn) AQS ?中維持了一個(gè)單一的狀態(tài)信息 state, 可以通過 getState，setState，compareAndSetState 函數(shù)修改其值。

對于 ReentrantLock 的實(shí)現(xiàn)來說，state 可以用來表示當(dāng)前線程獲取鎖的可重入次數(shù)；對于讀寫鎖 ReentrantReadWriteLock 來說，state 的高 16 位表示讀狀態(tài)，也就是獲取該讀鎖的次數(shù)，低 16 位表示獲取到寫鎖線程的可重入次數(shù)；對于 semaphore 來說，state 用來表示當(dāng)前可用信號的個(gè)數(shù)；對于 FutuerTask 來說，state 用來表示任務(wù)狀態(tài)（例如還沒開始，運(yùn)行，完成，取消）；對于 CountDownlatch 和 CyclicBarrie 來說，state 用來表示計(jì)數(shù)器當(dāng)前的值。

AQS 有個(gè)內(nèi)部類 ConditionObject 是用來結(jié)合鎖實(shí)現(xiàn)線程同步，ConditionObject 可以直接訪問 AQS 對象內(nèi)部的變量，比如 state 狀態(tài)值和 AQS 隊(duì)列。ConditionObject 是條件變量，每個(gè)條件變量對應(yīng)著一個(gè)條件隊(duì)列 (單向鏈表隊(duì)列)，用來存放調(diào)用條件變量的 await() 方法后被阻塞的線程。

AQS 類并沒有提供可用的 tryAcquire 和 tryRelease，正如 AQS 是鎖阻塞和同步器的基礎(chǔ)框架，tryAcquire 和 tryRelease 需要有具體的子類來實(shí)現(xiàn)。子類在實(shí)現(xiàn) tryAcquire 和 tryRelease 的時(shí)候，要根據(jù)具體場景使用 CAS 算法嘗試修改狀態(tài)值 state, 成功則返回 true, 否則返回 false。子類還需要定義在調(diào)用 acquire 和 release 方法的時(shí)候 ，state 狀態(tài)值的增減代表什么含義。

比如繼承自 AQS 實(shí)現(xiàn)的獨(dú)占鎖 ReentrantLock，定義當(dāng) status 為 0 的時(shí)候表示鎖空閑；為 1 的時(shí)候表示鎖已經(jīng)被占用。在重寫 tryAcquire 的時(shí)候，內(nèi)部需要使用 CAS 算法，查看當(dāng)前 status 是否為 0，如果為 0 則使用 CAS 設(shè)置為 1，并設(shè)置當(dāng)前線程的持有者為當(dāng)前線程，返回 true；如果 CAS 失敗則返回 false。

ReentrantLock?在實(shí)現(xiàn) tryRelease 的時(shí)候，內(nèi)部需要使用 CAS 算法把當(dāng)前 status 的值從 1 修改為 0，并設(shè)置當(dāng)前鎖的持有者為 null，然后返回 true, 如果 cas 失敗則返回 false。

知道 AQS 是什么后，下面先看最簡單的獨(dú)占鎖 ReentrantLock。你可以先畫出其類圖結(jié)構(gòu)，看看有哪些變量和方法，將會發(fā)現(xiàn)它有著公平鎖與獨(dú)占鎖之分（回顧基礎(chǔ)篇）。

類圖中狀態(tài)值 state 代表線程獲取該鎖的可重入次數(shù)，當(dāng)一個(gè)線程第一次獲取該鎖時(shí)， state 的值為 0；第二次獲取后，該鎖狀態(tài)值為 1，這就是可重入次數(shù)。然后加大難度，看看讀寫鎖 ReentrantReadWriteLock 是怎么實(shí)現(xiàn)讀寫分離、增加并發(fā)度的，別忘了還有 JDK 新增的 StampedLock 。

等鎖研究完了，就可以對并發(fā)隊(duì)列進(jìn)行研究了。其中，隊(duì)列要分為基于 CAS 的無阻塞隊(duì)列 ConcurrentLinkedQueue ?和其他基于鎖的阻塞隊(duì)列。先看比較簡單的 ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue，ConcurrentLinkedQueue，別忘了還有高級的優(yōu)先級隊(duì)列 PriorityBlockingQueue 和延遲隊(duì)列 DelayQueue。

好像少了線程池？線程池主要解決兩個(gè)問題：

• 當(dāng)執(zhí)行大量異步任務(wù)的時(shí)候，線程池能夠提供較好的性能；在不使用線程池且需要執(zhí)行異步任務(wù)時(shí)，直接 new 一線程進(jìn)行運(yùn)行，線程的創(chuàng)建和銷毀是需要開銷的。線程池里面的線程是可復(fù)用的，不會每次執(zhí)行異步任務(wù)時(shí)候都重新創(chuàng)建和銷毀線程；
• 線程池提供了一種資源限制和管理的手段。比如可以限制線程的個(gè)數(shù)、動態(tài)新增線程等，每個(gè) ThreadPoolExecutor 也保留了一些基本的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如：當(dāng)前線程池完成的任務(wù)數(shù)目等。

前面講解過 Java 中線程池 ThreadPoolExecutor 原理的探究，ThreadPoolExecutor 是 Executors 工具類里的一部分功能。下面介紹另外一部分功能，也就是 ScheduledThreadPoolExecutor 的實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)可以指定一定延遲時(shí)間后或者定時(shí)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度執(zhí)行的線程池。

JUC 中重要的高級線程同步器 CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 也不能忽略，這些高級的同步器會大大簡化我們編寫線程同步任務(wù)的門檻、降低我們的出錯率。

雖然 Java 并發(fā)編程內(nèi)容很廣，但還是有一些規(guī)則可以遵循，比如線程。線程池創(chuàng)建的時(shí)候要指定名稱以便排查問題，線程池使用完畢記得關(guān)閉，ThreadLocal 使用完畢記得調(diào)用 remove 清理，SimpleDateFormat 類是線程不安全的等等。

總結(jié)

如果你對上面的內(nèi)容感興趣，但對學(xué)并發(fā)無從下手，那么機(jī)會來了！《Java并發(fā)編程之美》這本書，就是按照以上的思路來編寫的，該書在京東上被列為 10 大精選書籍之一。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Java 并发编程-不懂原理多吃亏（送书福利）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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