漫谈Java高并发方案-华为开发者话题

所有示例代码,请见/下载于

https://github.com/Wasabi1234/concurrency

1 基本概念

1.1 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地换入或者换出内存,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.

1.2 高并发( High Concurrency)

互联网分布式系统架构设计中必须考虑的因素之一，通常是指，通过设计保证系统能够同时并行处理很多请求.

1.3 区别与联系

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，提高程序性能

2 CPU

2.1 CPU 多级缓存

为什么需要CPU cache
CPU的频率太快了，快到主存跟不上
如此,在处理器时钟周期内，CPU常常需要等待主存，浪费资源。所以cache的出现，是为了缓解CPU和内存之间速度的不匹配问题(结构:cpu-> cache-> memory ).
CPU cache的意义
1) 时间局部性
如果某个数据被访问，那么在不久的将来它很可能被再次访问
2) 空间局部性
如果某个数据被访问，那么与它相邻的数据很快也可能被访问

2.2 缓存一致性(MESI)

用于保证多个 CPU cache 之间缓存共享数据的一致
M-modified被修改
该缓存行只被缓存在该 CPU 的缓存中,并且是被修改过的,与主存中数据是不一致的,需在未来某个时间点写回主存,该时间是允许在其他CPU 读取主存中相应的内存之前,当这里的值被写入主存之后,该缓存行状态变为 E
E-exclusive独享
缓存行只被缓存在该 CPU 的缓存中,未被修改过,与主存中数据一致
可在任何时刻当被其他 CPU读取该内存时变成 S 态,被修改时变为 M态
S-shared共享
该缓存行可被多个 CPU 缓存,与主存中数据一致
I-invalid无效

乱序执行优化
处理器为提高运算速度而做出违背代码原有顺序的优化

并发的优势与风险

3 项目准备

3.1 项目初始化

3.2 并发模拟-Jmeter压测

3.3 并发模拟-代码

CountDownLatch

Semaphore(信号量)

以上二者通常和线程池搭配

下面开始做并发模拟

运行发现结果随机,所以非线程安全

4线程安全性

4.1 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，那么就称这个类是线程安全的

4.2 原子性

4.2.1 Atomic 包

AtomicXXX:CAS,Unsafe.compareAndSwapInt
提供了互斥访问，同一时刻只能有一个线程来对它进行操作

AtomicReference,AtomicReferenceFieldUpdater

AtomicBoolean

AtomicStampReference : CAS的 ABA 问题

4.2.2 锁

synchronized:依赖 JVM
修饰代码块:大括号括起来的代码，作用于调用的对象
修饰方法: 整个方法，作用于调用的对象

修饰静态方法:整个静态方法，作用于所有对象

synchronized 修正计数类方法

修饰类:括号括起来的部分，作用于所有对象
子类继承父类的被 synchronized 修饰方法时,是没有 synchronized 修饰的!!!

Lock: 依赖特殊的 CPU 指令,代码实现

4.2.3 对比

synchronized: 不可中断锁，适合竞争不激烈，可读性好
Lock: 可中断锁，多样化同步，竞争激烈时能维持常态
Atomic: 竞争激烈时能维持常态，比Lock性能好; 只能同步一
个值

4.3 可见性

一个线程对主内存的修改可以及时的被其他线程观察到

4.3.1 导致共享变量在线程间不可见的原因

线程交叉执行
重排序结合线程交叉执行
共享变量更新后的值没有在工作内存与主存间及时更新

4.3.2 可见性之synchronized

JMM关于synchronized的规定
线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存
线程加锁时，将清空工作内存中共享变量的值，从而使
用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值(加锁与解锁是同一把锁)

4.3.3 可见性之volatile

通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现
对volatile变量写操作时，会在写操作后加入一条store
屏障指令，将本地内存中的共享变量值刷新到主内存
对volatile变量读操作时，会在读操作前加入一条load
屏障指令，从主内存中读取共享变量

volatile使用

volatile boolean inited = false;
//线程1:
context = loadContext();
inited= true;
// 线程2:
while( !inited ){
 sleep();
}
doSomethingWithConfig(context)

4.4 有序性

一个线程观察其他线程中的指令执行顺序，由于指令重排序的存在，该观察结果一般杂乱无序

JMM允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性

4.4.1 happens-before 规则

5发布对象

5.1 安全发布对象

7 AQS

7.1 介绍

使用Node实现FIFO队列，可以用于构建锁或者其他同步装置的基础框架
利用了一个int类型表示状态
使用方法是继承
子类通过继承并通过实现它的方法管理其状态{acquire 和release} 的方法操纵状态
可以同时实现排它锁和共享锁模式(独占、共享)
同步组件

CountDownLatch

package com.mmall.concurrency.example.aqs;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

import java.util.concurrent.ExecutorService;

import java.util.concurrent.Executors;

/**

@author shishusheng
*/
@Slf4j
public class CountDownLatchExample1 {
private final static int threadCount = 200;
public static void main(String[] args) throws Exception {

ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
 final int threadNum = i;
 exec.execute(() -> {
 try {
 test(threadNum);
 } catch (Exception e) {
 log.error('exception', e);
 } finally {
 countDownLatch.countDown();
 }
 });
}
countDownLatch.await();
log.info('finish');
exec.shutdown();

}
private static void test(int threadNum) throws Exception {
Thread.sleep(100);
log.info('{}', threadNum);
Thread.sleep(100);
}
}
package com.mmall.concurrency.example.aqs;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

import java.util.concurrent.ExecutorService;

import java.util.concurrent.Executors;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**

指定时间内处理任务
@author shishusheng
*/
@Slf4j
public class CountDownLatchExample2 {
private final static int threadCount = 200;
public static void main(String[] args) throws Exception {

ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
 final int threadNum = i;
 exec.execute(() -> {
 try {
 test(threadNum);
 } catch (Exception e) {
 log.error('exception', e);
 } finally {
 countDownLatch.countDown();
 }
 });
}
countDownLatch.await(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
log.info('finish');
exec.shutdown();

}
private static void test(int threadNum) throws Exception {
Thread.sleep(100);
log.info('{}', threadNum);
}
}

##Semaphore用法
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/4685968-e6cbcd4254c642c5.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/4685968-dbefbf2c76ad5a2a.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/4685968-41f5f5a5fd135804.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)
##CycliBarrier

package com.mmall.concurrency.example.aqs;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

import java.util.concurrent.ExecutorService;

import java.util.concurrent.Executors;

/**

@author shishusheng
*/
@Slf4j
public class CyclicBarrierExample1 {
private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);
public static void main(String[] args) throws Exception {

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
 final int threadNum = i;
 Thread.sleep(1000);
 executor.execute(() -> {
 try {
 race(threadNum);
 } catch (Exception e) {
 log.error('exception', e);
 }
 });
}
executor.shutdown();

}
private static void race(int threadNum) throws Exception {
Thread.sleep(1000);
log.info('{} is ready', threadNum);
barrier.await();
log.info('{} continue', threadNum);
}
}

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/4685968-4fb51fa4926fd70e.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)

package com.mmall.concurrency.example.aqs;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

import java.util.concurrent.ExecutorService;

import java.util.concurrent.Executors;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**

@author shishusheng
*/
@Slf4j
public class CyclicBarrierExample2 {
private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);
public static void main(String[] args) throws Exception {

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
 final int threadNum = i;
 Thread.sleep(1000);
 executor.execute(() -> {
 try {
 race(threadNum);
 } catch (Exception e) {
 log.error('exception', e);
 }
 });
}
executor.shutdown();

}
private static void race(int threadNum) throws Exception {
Thread.sleep(1000);
log.info('{} is ready', threadNum);
try {
barrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
} catch (Exception e) {
log.warn('BarrierException', e);
}
log.info('{} continue', threadNum);
}
}

![await 超时导致程序抛异常](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/4685968-0f899c23531f8ee8.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)

package com.mmall.concurrency.example.aqs;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.ExecutorService;

import java.util.concurrent.Executors;

import java.util.concurrent.Semaphore;

/**

@author shishusheng
*/
@Slf4j
public class SemaphoreExample3 {
private final static int threadCount = 20;
public static void main(String[] args) throws Exception {

ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
 final int threadNum = i;
 exec.execute(() -> {
 try {
 // 尝试获取一个许可
 if (semaphore.tryAcquire()) {
 test(threadNum);
 // 释放一个许可
 semaphore.release();
 }
 } catch (Exception e) {
 log.error('exception', e);
 }
 });
}
exec.shutdown();

}
private static void test(int threadNum) throws Exception {
log.info('{}', threadNum);
Thread.sleep(1000);
}

}

#9 线程池
##9.1 newCachedThreadPool
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/4685968-1122da7a48223ba1.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)
##9.2 newFixedThreadPool
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/4685968-0ea942bf12e5210f.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)
##9.3 newSingleThreadExecutor
看出是顺序执行的
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/4685968-989d59429f589403.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)
##9.4 newScheduledThreadPool
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/4685968-f7536ec7a1cf6ecc.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/4685968-c90e09d5bfe707e6.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)
#10 死锁
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/4685968-461f6a4251ae8ca4.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/4685968-46d58773e597195f.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)