到这里,专栏的第一模块——并发编程的理论基础,我们已经讲解完了,总共12篇,不算少,但“跳出来,看全景”你会发现这12篇的内容基本上是一个“串行的故事”。所以,在学习过程中,建议你从一个个单一的知识和技术中“跳出来”,看全局,搭建自己的并发编程知识体系。
为了便于你更好地学习和理解,下面我会先将这些知识点再简单地为你“串”一下,咱们一起复习下;然后就每篇文章的课后思考题、留言区的热门评论,我也集中总结和回复一下。
那这个“串行的故事”是怎样的呢?
起源是一个硬件的核心矛盾:CPU与内存、I/O的速度差异,系统软件(操作系统、编译器)在解决这个核心矛盾的同时,引入了可见性、原子性和有序性问题,这三个问题就是很多并发程序的Bug之源。这,就是01的内容。
那如何解决这三个问题呢?Java语言自然有招儿,它提供了Java内存模型和互斥锁方案。所以,在02我们介绍了Java内存模型,以应对可见性和有序性问题;那另一个原子性问题该如何解决?多方考量用好互斥锁才是关键,这就是03和04的内容。
虽说互斥锁是解决并发问题的核心工具,但它也可能会带来死锁问题,所以05就介绍了死锁的产生原因以及解决方案;同时还引出一个线程间协作的问题,这也就引出了06这篇文章的内容,介绍线程间的协作机制:等待-通知。
你应该也看出来了,前六篇文章,我们更多地是站在微观的角度看待并发问题。而07则是换一个角度,站在宏观的角度重新审视并发编程相关的概念和理论,同时也是对前六篇文章的查漏补缺。
08介绍的管程,是Java并发编程技术的基础,是解决并发问题的万能钥匙。并发编程里两大核心问题——互斥和同步,都是可以由管程来解决的。所以,学好管程,就相当于掌握了一把并发编程的万能钥匙。
至此,并发编程相关的问题,理论上你都应该能找到问题所在,并能给出理论上的解决方案了。
而后在09、10和11我们又介绍了线程相关的知识,毕竟Java并发编程是要靠多线程来实现的,所以有针对性地学习这部分知识也是很有必要的,包括线程的生命周期、如何计算合适的线程数以及线程内部是如何执行的。
最后,在12我们还介绍了如何用面向对象思想写好并发程序,因为在Java语言里,面向对象思想能够让并发编程变得更简单。

经过这样一个简要的总结,相信你此时对于并发编程相关的概念、理论、产生的背景以及它们背后的关系已经都有了一个相对全面的认识。至于更深刻的认识和应用体验,还是需要你“钻进去,看本质”,加深对技术本身的认识,拓展知识深度和广度。
另外,在每篇文章的最后,我都附上了一个思考题,这些思考题虽然大部分都很简单,但是隐藏的问题却很容易让人忽略,从而不经意间就引发了Bug;再加上留言区的一些热门评论,所以我想着将这些隐藏的问题或者易混淆的问题,做一个总结也是很有必要的。
1. 用锁的最佳实践
例如,在《03 | 互斥锁(上):解决原子性问题》和《04 | 互斥锁(下):如何用一把锁保护多个资源?》这两篇文章中,我们的思考题都是关于如何创建正确的锁,而思考题里的做法都是错误的。
03的思考题的示例代码如下,synchronized (new Object()) 这行代码很多同学已经分析出来了,每次调用方法get()、addOne()都创建了不同的锁,相当于无锁。这里需要你再次加深一下记忆,“一个合理的受保护资源与锁之间的关联关系应该是N:1”。只有共享一把锁才能起到互斥的作用。
另外,很多同学也提到,JVM开启逃逸分析之后,synchronized (new Object()) 这行代码在实际执行的时候会被优化掉,也就是说在真实执行的时候,这行代码压根就不存在。不过无论你是否懂“逃逸分析”都不影响你学好并发编程,如果你对“逃逸分析”感兴趣,可以参考一些JVM相关的资料。
class SafeCalc {
long value = 0L;
long get() {
synchronized (new Object()) {
return value;
}
}
void addOne() {
synchronized (new Object()) {
value += 1;
}
}
}
04的思考题转换成代码,是下面这个样子。它的核心问题有两点:一个是锁有可能会变化,另一个是 Integer 和 String 类型的对象不适合做锁。如果锁发生变化,就意味着失去了互斥功能。 Integer 和 String 类型的对象在JVM里面是可能被重用的,除此之外,JVM里可能被重用的对象还有Boolean,那重用意味着什么呢?意味着你的锁可能被其他代码使用,如果其他代码 synchronized(你的锁),而且不释放,那你的程序就永远拿不到锁,这是隐藏的风险。
class Account {
// 账户余额
private Integer balance;
// 账户密码
private String password;
// 取款
void withdraw(Integer amt) {
synchronized(balance) {
if (this.balance > amt){
this.balance -= amt;
}
}
}
// 更改密码
void updatePassword(String pw){
synchronized(password) {
this.password = pw;
}
}
}
通过这两个反例,我们可以总结出这样一个基本的原则:锁,应是私有的、不可变的、不可重用的。我们经常看到别人家的锁,都长成下面示例代码这样,这种写法貌不惊人,却能避免各种意想不到的坑,这个其实就是最佳实践。最佳实践这方面的资料推荐你看《Java安全编码标准》这本书,研读里面的每一条规则都会让你受益匪浅。
// 普通对象锁
private final Object
lock = new Object();
// 静态对象锁
private static final Object
lock = new Object();
2. 锁的性能要看场景
《05 | 一不小心就死锁了,怎么办?》的思考题是比较while(!actr.apply(this, target));这个方法和synchronized(Account.class)的性能哪个更好。
这个要看具体的应用场景,不同应用场景它们的性能表现是不同的。在这个思考题里面,如果转账操作非常费时,那么前者的性能优势就显示出来了,因为前者允许A->B、C->D这种转账业务的并行。不同的并发场景用不同的方案,这是并发编程里面的一项基本原则;没有通吃的技术和方案,因为每种技术和方案都是优缺点和适用场景的。
3. 竞态条件需要格外关注
《07 | 安全性、活跃性以及性能问题》里的思考题是一种典型的竞态条件问题(如下所示)。竞态条件问题非常容易被忽略,contains()和add()方法虽然都是线程安全的,但是组合在一起却不是线程安全的。所以你的程序里如果存在类似的组合操作,一定要小心。
void addIfNotExist(Vector v,
Object o){
if(!v.contains(o)) {
v.add(o);
}
}
这道思考题的解决方法,可以参考《12 | 如何用面向对象思想写好并发程序?》,你需要将共享变量v封装在对象的内部,而后控制并发访问的路径,这样就能有效防止对Vector v变量的滥用,从而导致并发问题。你可以参考下面的示例代码来加深理解。
class SafeVector{
private Vector v;
// 所有公共方法增加同步控制
synchronized
void addIfNotExist(Object o){
if(!v.contains(o)) {
v.add(o);
}
}
}
4. 方法调用是先计算参数
不过,还有同学对07文中所举的例子有疑议,认为set(get()+1);这条语句是进入set()方法之后才执行get()方法,其实并不是这样的。方法的调用,是先计算参数,然后将参数压入调用栈之后才会执行方法体,方法调用的过程在11这篇文章中我们已经做了详细的介绍,你可以再次重温一下。
while(idx++ < 10000) {
set(get()+1);
}
先计算参数这个事情也是容易被忽视的细节。例如,下面写日志的代码,如果日志级别设置为INFO,虽然这行代码不会写日志,但是会计算"The var1:" + var1 + ", var2:" + var2的值,因为方法调用前会先计算参数。
logger.debug("The var1:" +
var1 + ", var2:" + var2);
更好地写法应该是下面这样,这种写法仅仅是讲参数压栈,而没有参数的计算。使用{}占位符是写日志的一个良好习惯。
logger.debug("The var1:{}, var2:{}",
var1, var2);
5. InterruptedException异常处理需小心
《 09 | Java线程(上):Java线程的生命周期》的思考题主要是希望你能够注意InterruptedException的处理方式。当你调用Java对象的wait()方法或者线程的sleep()方法时,需要捕获并处理InterruptedException异常,在思考题里面(如下所示),本意是通过isInterrupted()检查线程是否被中断了,如果中断了就退出while循环。当其他线程通过调用th.interrupt().来中断th线程时,会设置th线程的中断标志位,从而使th.isInterrupted()返回true,这样就能退出while循环了。
Thread th = Thread.currentThread();
while(true) {
if(th.isInterrupted()) {
break;
}
// 省略业务代码无数
try {
Thread.sleep(100);
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}
这看上去一点问题没有,实际上却是几乎起不了作用。原因是这段代码在执行的时候,大部分时间都是阻塞在sleep(100)上,当其他线程通过调用th.interrupt().来中断th线程时,大概率地会触发InterruptedException 异常,在触发InterruptedException 异常的同时,JVM会同时把线程的中断标志位清除,所以这个时候th.isInterrupted()返回的是false。
正确的处理方式应该是捕获异常之后重新设置中断标志位,也就是下面这样:
try {
Thread.sleep(100);
}catch(InterruptedException e){
// 重新设置中断标志位
th.interrupt();
}
6. 理论值 or 经验值
《10 | Java线程(中):创建多少线程才是合适的?》的思考题是:经验值为“最佳线程=2 * CPU的核数 + 1”,是否合理?
从理论上来讲,这个经验值一定是靠不住的。但是经验值对于很多“I/O耗时 / CPU耗时”不太容易确定的系统来说,却是一个很好到初始值。
我们曾讲到最佳线程数最终还是靠压测来确定的,实际工作中大家面临的系统,“I/O耗时 / CPU耗时”往往都大于1,所以基本上都是在这个初始值的基础上增加。增加的过程中,应关注线程数是如何影响吞吐量和延迟的。一般来讲,随着线程数的增加,吞吐量会增加,延迟也会缓慢增加;但是当线程数增加到一定程度,吞吐量就会开始下降,延迟会迅速增加。这个时候基本上就是线程能够设置的最大值了。
实际工作中,不同的I/O模型对最佳线程数的影响非常大,例如大名鼎鼎的Nginx用的是非阻塞I/O,采用的是多进程单线程结构,Nginx本来是一个I/O密集型系统,但是最佳进程数设置的却是CPU的核数,完全参考的是CPU密集型的算法。所以,理论我们还是要活学活用。
总结
这个模块,内容主要聚焦在并发编程相关的理论上,但是思考题则是聚焦在细节上,我们经常说细节决定成败,在并发编程领域尤其如此。理论主要用来给我们提供解决问题的思路和方法,但在具体实践的时候,还必须重点关注每一个细节,哪怕有一个细节没有处理好,都会导致并发问题。这方面推荐你认真阅读《Java安全编码标准》这本书,如果你英文足够好,也可以参考这份文档。
最后总结一句,学好理论有思路,关注细节定成败。
欢迎在留言区与我分享你的想法,也欢迎你在留言区记录你的思考过程。感谢阅读,如果你觉得这篇文章对你有帮助的话,也欢迎把它分享给更多的朋友。
精选留言
2019-03-28 00:32:34
2019-03-30 11:07:38
1、产生并发的原因:cpu、内存、磁盘速度的差异,在硬件和软件方面解决速度差异引发的并发问题,cpu缓存->可见性,线程切换->原子性,编译优化->重排序,引发并发问题的根源。
2、并发的解决:可见性解决方法->volatile、synchronized,原子性的解决方法->互斥锁,重排序->volatile,禁掉编译优化
3、解决并发原子性产生的问题:死锁,死锁产生的所有条件->①资源互斥②不能抢占③占有且等待④循环等待,死锁的解决办法->①按锁的顺序获取②增加锁的分配器。
4、宏观角度分析,以上都是从微观角度进行分析并发问题,宏观,即安全问题,性能问题,活跃性问题
5、本质看问题,管程
6、实际看问题,java生命周期,线程数的分配,线程的执行
7、以子之矛攻子之盾,面向对象解决并发问题, 属性final、私有、只有getter方法没有setter方法,属性的赋值,深复制再进行操作等等
2019-03-28 09:55:48
老师讲解的非常不错,单看每一节,觉得自己已略一二,学完这节才发现要自己的知识点要串起来,整体了解并发
2019-05-17 15:10:36
2019-03-28 12:27:19
2019-08-26 08:13:19
2019-03-28 07:51:31
2019-07-28 21:05:03
2019-03-28 09:38:30
2019-03-28 10:16:16
String s2 = "lock";
这两个是一个对象,即重用了。代码上看起来是操作了一个,其实是操作了两个。
2019-12-12 16:42:42
如果两个引用指向的值不同就没有问题,当两个引用指向的值相同就有问题了
这样理解对吗?
2019-03-28 10:15:17
2019-04-07 21:25:06
2019-03-29 08:56:55
2019-03-28 07:56:05
2020-09-23 08:53:11
a、cpu缓存导致可见性问题。cpu、内存、i/o设备速度差异,cpu增加了缓存来平衡速度差异,就是cpu会使用缓存,多核情况下就会产生可见性问题。
b、多线程切换导致原子性问题。cpu能保证的原子性操作是一条指令,而不是编程语言的一条语句。往往编程语言的一条指令包含多条cpu指令,这点往往产生误导性。
c、编译优化带来有序性问题。为了更好的使用cpu缓存,编译器会优化指令执行顺序,指令重排序导致了顺序性问题。
2、java引入内存模型解决并发问题(可见性、原子性、有序性),实际上就是按需禁用缓存和编译优化,具体就是synchronized、final、volatile,以及happens-before规则。
a、程序顺序性规则。按照程序顺序,happens-before后续的操作。
b、volatile规则。对volatile变量的写操作happens-before后续对这个volatile变量的读操作。
c、传递性规则。a happens-before b,b happens-before c,那么a happens-before c。
d、管程中锁的规则。一个锁的解锁操作happens-before后续这个锁的加锁操作。
e、线程start规则。A启动子线程B,B能看到启动前主线程的操作。
f、线程join规则。A线程调用B线程的join方法,B线程完成后,A线程能看到B线程的操作。
3、解决方法原子性问题,保证中间状态对外可见。使用互斥锁可以保证原子性。锁和受保护资源一定要对应,切不可出现用自家锁保护他家财产的可笑用法。解决可见性问题,使用volatile、synchronized都能保证可见性。volatile可以保证
4、a、死锁产生的4个条件:1、互斥,X、Y资源只能同时被一个线程占有。2、不可抢占,A线程不可强行抢夺B线程占有的资源。3、占有且等待。A线程占用资源X,再去获取Y资源的时候不释放X。4、循环等待。A线程占用资源X,等待资源Y,线程B占用资源Y,等待资源X。
b、破环2、3、4这三个条件中的任何一个,都可以防止死锁。对于条件3,可以一次性获取全部的资源,这样就不存在等待了。对于条件2,可以尝试如果再去获取资源而得不到的时候释放自身占有的资源。对于条件4,可以按照统一的资源顺序获取锁。
5、a、宏观看问题,并发问题主要解决三大问题,安全性(原子性、可见性、有序性)、活跃性问题(死锁、活锁、线程饥饿)、性能问题(使用锁过度导致串行范围过大)。
b、解决安全性问题:可以使用使用互斥锁。
c、解决活跃性问题:死锁:打破死锁的三个必要条件中的一个。活锁:可以让线程随机等待一个时间后再执行。线程饥饿:引发线程饥饿的问题可能是线程优先级比较低,如果cpu比较繁忙,那么低优先级的线程获得执行的机会很小。或者获取锁的线程执行时间过长。
d、解决性能问题:锁的细粒度尽量减少,减少串行度。
2020-06-19 16:43:11
2020-06-15 16:04:03
再就是文章写的逻辑非常绕, 讲得好乏味, 比看康德, 黑格尔 休谟的哲学书籍还难懂 . . .
2019-08-13 10:13:57
2019-03-28 23:18:05