Java并发编程概览

主要知识

• 多线程基础核心 → Synchronized实现原理 → Volatile实现原理 → JMM和指令重排
• JUC → 原子类与CAS实现原理 → 锁与AQS实现原理→ 并发工具类→ 并发容器→ 阻塞队列→ 线程池

多线程相关概念

线程和进程

• 进程：是指内存中运行的一个应用程序，每个进程都有自己独立的内存空间；进程也是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位；系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过 程。
• 线程：是进程中的一个执行单元，负责当前进程中任务的执行。一个进程在其执行过程中，会产生很多个线程。

进程与线程区别

• 进程：有独立内存空间，每个进程中的数据空间都是独立的。
• 线程：多线程之间堆空间与方法区是共享的，但每个线程的栈空间、程序计数器是独立的，线程消耗的资源比进程小的多。

并发与并行

• 并发（Concurrent）：同一时间段，多个任务都在执行 ，单位时间内不⼀定同时执行。
• 并行（Parallel）：单位时间内，多个任务同时执行，单位时间内一定是同时执行。并行上限取决于CPU核数（CPU时间片内50ms）

注意：并发是一种能力，而并行是一种手段。当我们的系统拥有了并发的能力后，代码如果跑在多核CPU上就可以并行运行。所以咱们会说高并发处理，而不会说高并行处理。并行处理是基于硬件CPU的是固定的，而并发处理的能力是可以通过设计编码进行提高的。

线程上下文切换

一个CPU内核，同一时刻只能被一个线程使用。为了提升CPU利用率，CPU采用了时间片算法将CPU时间片轮流分配给多个线程，每个线程分配了一个时间片（几十毫秒/线程），线程在时间片内，使用CPU执行任务。当时间片用完后，线程会被挂起，然后把 CPU 让给其它线程。

• CPU切换线程，会把当前线程的执行位置记录下来，用于下次执行时找到准确位置。
• 线程执行位置的记录与加载过程就叫做上下文切换。
• 线程执行位置记录在程序计数器

上下文切换过程

1. 挂起当前任务任务，将这个任务在 CPU 中的状态（上下文）存储于内存中的某处。
2. 恢复一个任务，在内存中检索下一个任务的上下文并将在 CPU 的寄存器中恢复。
3. 跳转到程序计数器所指定的位置（即跳转到任务被中断时的代码行）。

线程上下文切换会有什么问题呢？

过多的线程并行执行会导致CPU资源的争抢，产生频繁的上下文切换，常常表现为高并发执行时，RT延长。因此，合理控制上下文切换次数，可以提高多线程应用的运行效率。（也就是说线程并不是越多越好，要合理的控制线程的数量。）

• 直接消耗：指的是CPU寄存器需要保存和加载，系统调度器的代码需要执行
• 间接消耗：指的是多核的cache之间得共享数据，间接消耗对于程序的影响要看线程工作区操作数据的大小

线程安全问题

什么是线程安全问题

• 多个线程同时执行，可能会运行同一行代码，如果程序每次运行结果与单线程执行结果一致，且变量的预期值也一样，就是线程安全的，反之则是线程不安全。

引发线程安全问题的根本原因：多个线程共享变量

• 如果多个线程对共享变量只有读操作，无写操作，那么此操作是线程安全的
• 如果多个线程同时执行共享变量的写和读操作，则操作不是线程安全的

解决线程安全问题，Java给出了各种办法

• 同步机制Synchronized
• Volatile关键字：内存屏障
• 原子类：CAS
• 锁：AQS
• 并发容器

线程并发三大特性

原子性

• 分时复用引起：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：一个系列指令代码，要么全执行，要么都不执行，执行过程不能被打断

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    x = 10;        //语句1: 直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中
    y = x;         //语句2: 包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。
    x++;           //语句3： x++包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值。
    x = x + 1;     //语句4： 同语句3

可见性

• 为什么会出现不可见问题呢？因为Java内存模型（JMM）, CPU缓存引起：CPU增加了缓存，以均衡与内存的速度差异导致。
• 当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即看到

有序性

• 重排序引起：由于编译程序指令重排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：程序代码按照先后顺序执行

要想多线程程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

线程的一生

常用属性

• 线程名称
• 线程ID：ThreadID = tid
• 线程优先级：Priority

常用方法

• 线程让步：yield()
• 让线程休眠的方法：sleep()
• 等待线程执行终止的方法： join()
• 线程中断interrupt()
• 等待与通知系列函数wait()、notify()、notifyAll()

线程从出生到死亡会出现六种状态

• ①New（新建）、②Runnable（可运行） 、③Terminated（终止）
• ④Blocked（锁阻塞）、⑤Waiting（无限等待）、⑥Timed_Waiting（超时等待）

wait与sleep()的区别

• 主要区别：sleep()方法没有释放锁，wait()方法释放了锁
• 两者都可以暂停线程执行：wait()常用于线程间交互/通信，sleep()用于暂停线程执行
• wait()方法被调用后，需要别的线程调用同一个对象的notify和notifyAll。超时苏醒使用wait(long)方法
• sleep()方法执行完成后，线程会自动苏醒。

多线程源码剖析

Java线程是通过start()方法启动，启动后会执行run()方法Thread究竟是如何执行run()方法呢？

1. 线程类被JVM加载时会绑定native方法与对应的C++方法
2. Java线程调用start方法：start方法 ==> native state0方法 ==> JVM_StartThread ==> 创建JavaThread::JavaThread线程
3. 创建OS线程，并指定OS线程的运行入口：创建JavaThread::JavaThread线程 ==> 创建OS线程os::create_thread ==> 指定OS线程执行入口Java线程的run方法
4. 启动OS线程，运行时会调用指定的运行入口run()方法。至此，实现一个的线程运行
5. 创建线程的时候使用的是互斥锁MutexLocker操作系统（互斥量），所以说创建线程性能很差