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并发编程大纲

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并发编程

为什么需要并发编程

目的

提高系统性能

本质

软件是一组特定计算机指令的集合，是架构在硬件之上的对特定业务的一种表达和计算的抽象；所以并发编程底层的焦点就是如何执行；也就是cpu如果管理指令的执行；cpu时间分片来管理线程执行

并发编程优势

1. 资源利用率

   cpu 多核资源；线程运行到需要等待的时候，等待的同时，执行其它程序

2. 公平性

   用户和程序对计算机拥有同等的使用权；一种高效的运行方式就是通过粗粒度的时间分片，是这些用户和程序能共享计算机资源

3. 便利性

   建模简单性、异步事件的简化

4. 提高相应速度

编发编程带来的问题

1. 线程安全问题

   共享变量的控制

2. 活跃性

   线程安全关注的是程序不会产生意想不到的结果；活跃性关注的是线程总是向正确的方向执行；

   所以会出现死锁(资源共享竞争)、饥饿(线程永远执行不到，优先级底等)、活锁(没有导致阻塞，但是重复尝试-失败-尝试-失败)等现象

3. 性能问题

   活跃性意味着某件正确的事情最终会发生；而性能则是关注是希望正确的事情尽快的发生。

线程安全

当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行，并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同，这个类都能表现出正确的行为，那么就称这个类时线程安全的。

编写线程安全代码核心

对状态的操作进行管理；特别是对共享的和可变的状态访问

共享：可以由多个线程同时访问

可变：变量的值在其生命周期内可以发成变化

一个对象是否需要时线程安全的，取决于它是否被多个线程访问

线程安全-共享变量控制

1. 不在线程之间共享该状态变量
2. 将状态变量修改为不可变的变量
3. 在访问状态变量时使用同步

没有共享变量的对象，称为无状态对象；无状态对象一定是线程安全的

如何保证线程安全

1. 同步

   • 加锁

   • volatile (cas)

   加锁机制既可以保证可见性又可以确保原子性，而volatile变量只能确保可见性

   避免使用同步的方式就是不共享数据(线程封闭)

   线程封闭：封闭在线程中的对象不会从线程中逸出(如:线程池、ThreadLocal)

   • 栈封闭：只能通过局部变量才能访问对象(基本类型)
   • ThreadLocal

2. 使用不可变对象

   不可变对象，只有一种状态，并且该状态有构造函数来控制

3. 原子性

   竟态条件：不恰当的执行时序而出现不正确的结果(共享状态发生了竞争)

   常见的竟态条件类型就是"先检查后执行"(如单例)

   如何避免竞态条件

   复合操作：包含了一组必须以原子方式执行的操作以确保线程安全(先检查后执行以原子方式执行，单例的双重校验)

   如何保证原子性呢

   锁来保护状态

   内置锁(Synchronized)

   同步(Synchronized)除了实现原子性，还有另外一个重要的方面：内存可见性

   加锁的含义不仅仅局限于互斥行为，还包括内存可见性

4. 可见性

   锁

   volatile

   final （安全发布）

5. 顺序性

   happen-before

发布对象

发布对象：是一个对象能够被当前范围之外的代码所使用

对象逃逸：一种错误的发布。当一个对象还没有构建完成时，就使他被其它线程所见

安全发布对象

1. 在静态初始化块函数中初始化一个对象引用
2. 将对象的引用保存到volatile类型域或者AtomicReference对象中
3. 将对象的引用保存到某个正确构造对象的final类型域中
4. 将对象的引用保存到一个由锁保护的域中

 

知识体系

• 线程安全
• 线程封闭
• 线程调度
• 同步容器
• 并发容器
• JMM
• AQS
• JUC

高并发解决思路

• 扩容
• 缓存
• 队列
• 拆分
• 服务降级与熔断
• 数据库分库分表

概念

并发

同时拥有两个或者多个线程，如果程序在单核处理器上运行，多个线程将交替执行，这些线程是同时“存在”的，每个线程都处于执行过程中的某个状态，如果运行在多核处理器上，此时，程序中的每个线程都将分配到一个处理器核上，因此可以同时运行。

高并发

高并发(High Concurrency)是互联网分布式系统架构中必须考虑的因素之一，通常指，通过设计保证系统同时并行处理很多请求。

并发和高并发区别

并发：多个线程操作相同的资源，保证线程安全，合理使用资源

高并发：服务能同时处理很多请求，提供程序性能

JMM(Java Memory Model)规定

规定了一个线程如何和何时由其他线程修改过后的共享变量的值，以及在必须时如何同步的访问共享变量

jvm堆：java运行时的数据区，由垃圾回收来负责的；可以动态分配内存大小，对象生存期无效告诉编译器；正是因为动态分配内存，所以存储数据会慢些

栈：存取速度比堆要快，仅此与计算机的寄存器；主要存储基本变量和堆中的引用地址

java内存模型的-同步八种操作

lock(锁定)：作用与主内存的变量，把一个变量表示为一条线程独占状态

unlock(解锁)：作用与主内存的变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才以被其它线程锁定

read(读取)：作用与主内存的变量，把一个变量从主内存传入到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用

load(载入)：作用与工作内存的变量，它把read操作从从内存中得到的变量放入工作内存的变量副本中

use(使用)：作用与工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎

assign(赋值)：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量

store(存储)：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作

write(写入)：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中

并发测试工具

• Postman: http请求模拟工具
• Apache Bench(AB)：Apache附带的工具，测试网站性能
• Jmetter：Apache组织开发的压力测试工具

线程安全性

当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些进程将如何交替执行，并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同，这个类都能表现出正确的行为，那么就成这个类时线程安全的。

原子性：提供互斥访问，同一时刻只能有一个线程来对它进行操作

可见性：一个线程对主内存的修改可以及时的被其它线程观察到

有序性：一个线程观察其它线程中的指令执行顺序，由于指令重排序的存在，该观察结构一般杂乱无序