浅析 Java 并发编程(一)基础概念 & 理论

《浅析 Java 并发编程(一)基础概念 & 理论》

前言

学习Java并发编程,首先要搞清楚一些基础概念与理论,这有助于进一步的理解并发编程和写出正确有效的并发代码。本文是作者自己对Java并发编程的一些基础概念与理论的理解与总结,不对之处,望指出,共勉。

进程与线程

简而言之,进程是操作系统进行资源分配的基本单位,而线程是操作系统进行调度的基本单位,所有线程共享进程所拥有的资源。

推荐阅读:进程和线程之由来

为什么需要并发

CPU的处理速度越来越快,核心越来越多,但IO的速度相对CPU来说非常的缓慢(就像自行车与火箭)。CPU通过IO获取数据进行计算时经常需要等待,导致利用率很低,不能发挥自身速度的优势(就像一名程序员,一天可以完成一百个需求,公司却只给其配备一名产品经理,每天提一个需求)。而并发则可以更好的利用CPU,CPU同时为多个线程提供计算,当其中一个线程因IO等待时迅速切换至其他进程或线程(就像公司为这名程序员配备多名产品经理,不停的提需求,程序员不停的切换项目编写代码,充分压榨其劳动力)。

从另一种角度来说,并发其实是一种解耦合的策略,它帮助我们把做什么(目标)和什么时候做(时机)分开。这样做可以明显改进应用程序的吞吐量(获得更多的CPU调度时间)和结构(程序有多个部分在协同工作)。

并发程序的优势

  • 充分利用CPU(核心)的计算能力
  • 提高程序的吞吐量,改善性能

并发程序的劣势

  • 并发在CPU有很多空闲时间时能明显改进程序的性能,但当线程数量较多的时候,线程间频繁的调度切换反而会让系统的性能下降
  • 编写正确的并发程序是非常复杂的,即使对于很简单的问题
  • 测试并发程序是困难的,并发程序中的缺陷通常不易重现也不容易被发现

Java内存模型

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JMM

Java内存模型(Java Memory Model,JMM) 是对Java并发编程中线程与内存的关系的定义,即所有线程共享的数据(共享变量)存储在主内存(Main Memory) 中,每个线程都有自己的工作内存(Working Memory),线程的工作内存中保存了该线程使用到的共享数据的副本(从主内存复制而来),线程对数据的所有操作(读取、赋值等)都必须在自己的工作内存中进行,不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的数据,线程间数据的交互需要通过与主内存同步来完成。理解Java内存模型,对于编写正确的Java并发程序来说至关重要。

所有线程共享主内存,每个线程有自己的工作内存

refreshing local memory to/from main memory must comply to JMM rules

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编写Java并发程序需要考虑的问题

  • 共享性

当我们启动一个Java程序时,一个JVM进程随即被创建,操作系统为其分配系统资源,比如分配内存(堆、栈等)。由JVM内存模型得知堆是所有线程共享的,栈是线程私有的,如果多个线程对堆内的同一数据(通常为同一对象的成员变量)进行操作(读写)势必会造成数据紊乱。

当然,如果每个线程操作的始终是各自工作内存(线程栈)中的数据则不存在数据共享问题,比如通过方法参数传入数据、使用局部变量、创建新的实例。有过Java Web开发经验的人都知道,Servlet就是以单实例多线程的方式工作,和每个请求相关的数据都是通过Servlet的service方法(或者是doGetdoPost方法)的参数传入的。只要Servlet中的代码只使用局部变量,Servlet就不会导致同步问题。Spring MVC的控制器也是这么做的,从请求中获得的对象都是以方法的参数传入而不是作为类的成员,很明显Struts 2的做法就正好相反,因此Struts 2中作为控制器的Action类都是每个请求对应一个实例。

  • 互斥性

互斥性指的是同一时间只允许一个线程对共享数据进行操作,以保证线程安全,具有唯一性和排它性。在Java 中通常用锁来保证共享数据的互斥性,为了提高效率通常允许多个线程同时对数据进行读操作,但同一时间内只允许一个线程对数据进行写操作,所以锁又分为共享锁和排它锁,也叫做读锁和写锁。对于使用不变模式(被 final 修饰)的共享数据,则无需关心互斥性,因为其只允许线程对其进行读操作。(不变模式也是并发编程时可以考虑的一种设计。让对象的状态是不变的,如果希望修改对象的状态,就会创建对象的副本并将改变写入副本而不改变原来的对象,这样就不会出现状态不一致的情况,因此不变对象是线程安全的。Java中我们使用频率极高的String类就采用了这样的设计)

  • 原子性

原子性指的是对数据的操作是一个独立的、不可分割的整体。换句话说,就是一次操作,是一个连续不可中断的过程,数据不会执行的一半的时候被其他线程所修改。比如,我们经常使用的整数i++ 的操作,其实需要分成三个步骤:(1)读取整数i 的值;(2)对i进行加一操作;(3)将结果写回内存。在多线程下该操作便会出现原子性问题,不能获得预期的值。

  • 可见性

可见性指的是当一个线程对共享数据进行更改时,其他线程对更改后的数据是可见的(立即对数据进行同步)。Java提供了volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时,它会保证线程工作内存中修改的值会立即被更新到主内存中,其他线程也会将主内存中的新值同步至工作内存,需要注意的是volatile并不能保证原子性。

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如上图所示,如果可见性得到保证,那么当线程1将X的值更改为2时,线程2内的X值也将同步为2,否则线程2内的X值仍为1。

  • 有序性

为了提高性能,编译器和处理器可能会对指令做重排序,重排序通常可以分为下面三种

  1. 编译级别的重排序,比如编译器的优化
  2. 指令级重排序,比如CPU指令执行的重排序
  3. 内存系统的重排序,比如缓存和读写缓冲区导致的重排序

有序性指的就是在多线程并发的情况下,代码实际执行的顺序、结果和单线程是一样的,不会因为重排序的问题导致结果不可预知。

注:水平有限,可能理解的不够透彻,有兴趣的可以看看 Doug LeaSynchronization and the Java Memory Model,我想没有谁比他理解的更透彻了。

Java中创建线程的方式

  • 继承java.lang.Thread

    public static void method1() {
          class Task extends Thread {
    
              @Override
              public void run() {
                  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Started");
              }
          }
    
          new Task().start();
      }
  • 实现java.lang.Runnable接口(推荐)

    public static void method2() {
          class Task implements Runnable {
    
              @Override
              public void run() {
                  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Started");
              }
          }
          new Thread(new Task()).start();
      }
  • 实现java.util.concurrent.Callable接口(推荐)

    public static void method3() {
          class Task implements Callable {
    
              @Override
              public Object call() throws Exception {
                  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Started");
                  //求和
                  return 1 + 1;
              }
          }
    
          ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(1);
          Future future = es.submit(new Task());
          try {
              System.out.println("Calculate Completed Sum:" + future.get());
          } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
              e.printStackTrace();
          }
          es.shutdown();
      }

    查看该部分源码

参考

    原文作者:JVM
    原文地址: https://juejin.im/entry/59424ba4da2f600067577212
    本文转自网络文章,转载此文章仅为分享知识,如有侵权,请联系博主进行删除。
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