Java并發(fā)編程一直是Java程序員必須懂但又是很難懂的技術(shù)內(nèi)容。這里不僅僅是指使用簡單的多線程編程，或者使用juc的某個類。當然這些都是并發(fā)編程的基本知識，除了使用這些工具以外，Java并發(fā)編程中涉及到的技術(shù)原理十分豐富。

　　于是乎，就誕生了想寫點東西記錄下，以提升理解和對并發(fā)編程的認知。為什么需要用到并發(fā)？凡事總有好壞兩面，之間的trade-off是什么，也就是說并發(fā)編程具有哪些挑戰(zhàn)？以及在進行并發(fā)編程時應(yīng)該了解和掌握的概念是什么？并發(fā)編程的三大特性是什么？這篇文章主要以這四個問題來談一談。

　　一.為什么要用到并發(fā)

　　一直以來，硬件的發(fā)展極其迅速，也有一個很著名的"摩爾定律"，可能會奇怪明明討論的是并發(fā)編程為什么會扯到了硬件的發(fā)展，這其中的關(guān)系應(yīng)該是多核CPU的發(fā)展為并發(fā)編程提供的硬件基礎(chǔ)。摩爾定律并不是一種自然法則或者是物理定律，它只是基于認為觀測數(shù)據(jù)后，對未來的一種預(yù)測。按照所預(yù)測的速度，我們的計算能力會按照指數(shù)級別的速度增長，不久以后會擁有超強的計算能力，正是在暢想未來的時候，2004年，Intel宣布4GHz芯片的計劃推遲到2005年，然后在2004年秋季，Intel宣布徹底取消4GHz的計劃，也就是說摩爾定律的有效性超過了半個世紀戛然而止。但是，聰明的硬件工程師并沒有停止研發(fā)的腳步，他們?yōu)榱诉M一步提升計算速度，而不是再追求單獨的計算單元，而是將多個計算單元整合到了一起，也就是形成了多核CPU。短短十幾年的時間，家用型CPU,比如Inteli7就可以達到4核心甚至8核心。而專業(yè)服務(wù)器則通常可以達到幾個獨立的CPU，每一個CPU甚至擁有多達8個以上的內(nèi)核。因此，摩爾定律似乎在CPU核心擴展上繼續(xù)得到體驗。因此，多核的CPU的背景下，催生了并發(fā)編程的趨勢，通過并發(fā)編程的形式可以將多核CPU的計算能力發(fā)揮到極致，性能得到提升。

　　頂級計算機科學(xué)家DonaldErvinKnuth如此評價這種情況：在我看來，這種現(xiàn)象（并發(fā)）或多或少是由于硬件設(shè)計者無計可施了導(dǎo)致的，他們將摩爾定律的責(zé)任推給了軟件開發(fā)者。

　　另外，在特殊的業(yè)務(wù)場景下先天的就適合于并發(fā)編程。比如在圖像處理領(lǐng)域，一張1024X768像素的圖片，包含達到78萬6千多個像素。即時將所有的像素遍歷一邊都需要很長的時間，面對如此復(fù)雜的計算量就需要充分利用多核的計算的能力。又比如當我們在網(wǎng)上購物時，為了提升響應(yīng)速度，需要拆分，減庫存，生成訂單等等這些操作，就可以進行拆分利用多線程的技術(shù)完成。面對復(fù)雜業(yè)務(wù)模型，并行程序會比串行程序更適應(yīng)業(yè)務(wù)需求，而并發(fā)編程更能吻合這種業(yè)務(wù)拆分。正是因為這些優(yōu)點，使得多線程技術(shù)能夠得到重視，也是一名Java學(xué)習(xí)者應(yīng)該掌握的：

　　充分利用多核CPU的計算能力；

　　方便進行業(yè)務(wù)拆分，提升應(yīng)用性能

　　二.并發(fā)編程有哪些挑戰(zhàn)

　　多線程技術(shù)有這么多的好處，難道就沒有一點缺點或者挑戰(zhàn)么，就在任何場景下就一定適用么？很顯然不是。

　　2.1頻繁的上下文切換

　　時間片是CPU分配給各個線程的時間，因為時間非常短，所以CPU不斷通過切換線程，讓我們覺得多個線程是同時執(zhí)行的，時間片一般是幾十毫秒。而每次切換時，需要保存當前的狀態(tài)起來，以便能夠進行恢復(fù)先前狀態(tài)，而這個切換時非常損耗性能，過于頻繁反而無法發(fā)揮出多線程編程的優(yōu)勢。通常減少上下文切換可以采用無鎖并發(fā)編程，CAS算法，使用最少的線程和使用協(xié)程。

　　無鎖并發(fā)編程：可以參照concurrentHashMap鎖分段的思想，不同的線程處理不同段的數(shù)據(jù)，這樣在多線程競爭的條件下，可以減少上下文切換的時間。

　　CAS算法：利用Atomic下使用CAS算法來更新數(shù)據(jù)，使用了樂觀鎖，可以有效的減少一部分不必要的鎖競爭帶來的上下文切換

　　使用最少線程：避免創(chuàng)建不需要的線程，比如任務(wù)很少，但是創(chuàng)建了很多的線程，這樣會造成大量的線程都處于等待狀態(tài)

　　協(xié)程：在單線程里實現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度，并在單線程里維持多個任務(wù)間的切換

　　由于上下文切換也是個相對比較耗時的操作，所以在"java并發(fā)編程的藝術(shù)"一書中有過一個實驗，并發(fā)累加未必會比串行累加速度要快。可以使用Lmbench3測量上下文切換的時長vmstat測量上下文切換次數(shù)

　　2.2線程安全（死鎖）

　　多線程編程中最難以把握的就是臨界區(qū)線程安全問題，稍微不注意就會出現(xiàn)死鎖的情況，一旦產(chǎn)生死鎖就會造成系統(tǒng)功能不可用。

　　在上面的這個demo中，開啟了兩個線程threadA,threadB,其中threadA占用了resource_a,并等待被threadB釋放的resource_b。threadB占用了resource_b正在等待被threadA釋放的resource_a。因此threadA,threadB出現(xiàn)線程安全的問題，形成死鎖。同樣可以通過jps,jstack證明這種推論：

　　如上所述，完全可以看出當前死鎖的情況。

　　那么，通常可以用如下方式避免死鎖的情況：

　　避免一個線程同時獲得多個鎖；

　　避免一個線程在鎖內(nèi)部占有多個資源，盡量保證每個鎖只占用一個資源；

　　嘗試使用定時鎖，使用lock.tryLock(timeOut)，當超時等待時當前線程不會阻塞；

　　對于數(shù)據(jù)庫鎖，加鎖和解鎖必須在一個數(shù)據(jù)庫連接里，否則會出現(xiàn)解鎖失敗的情況

　　所以，如何正確的使用多線程編程技術(shù)有很大的學(xué)問，比如如何保證線程安全，如何正確理解由于JMM內(nèi)存模型在原子性，有序性，可見性帶來的問題，比如數(shù)據(jù)臟讀，DCL等這些問題（在后續(xù)篇幅會講述）。而在學(xué)習(xí)多線程編程技術(shù)的過程中也會讓你收獲頗豐。

　　2.3資源限制的挑戰(zhàn)

　　什么是資源限制

　　資源限制指在進行并發(fā)編程時，程序的執(zhí)行速度受限于計算機硬件資源或軟件資源。

　　硬件資源包括：帶寬的上傳下載速度、硬盤讀寫速度和CPU的處理速度等

　　軟件資源包括：線程池大小、數(shù)據(jù)庫的連接數(shù)等

　　資源限制引發(fā)的問題

　　在并發(fā)編程中，代碼執(zhí)行速度加快的原則是將代碼中的串行部分變成并行執(zhí)行，但有可能由于資源限制問題，導(dǎo)致程序仍按串行執(zhí)行，此時程序不僅不會變快，反而更慢，因為增加了上下文切換和資源調(diào)度的時間。

　　如何解決資源限制的問題

　　對于硬件資源限制：考慮使用集群方式并行執(zhí)行程序。

　　對于軟件資源限制：考慮使用資源池將資源復(fù)用，例如數(shù)據(jù)庫連接池等

　　資源限制情況下進行并發(fā)編程

　　根據(jù)不同的資源限制調(diào)整程序的并發(fā)度。

　　三.應(yīng)該了解的概念

　　3.1同步VS異步

　　同步和異步通常用來形容一次方法調(diào)用。同步方法調(diào)用一開始，調(diào)用者必須等待被調(diào)用的方法結(jié)束后，調(diào)用者后面的代碼才能執(zhí)行。而異步調(diào)用，指的是，調(diào)用者不用管被調(diào)用方法是否完成，都會繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼，當被調(diào)用的方法完成后會通知調(diào)用者。比如，在超時購物，如果一件物品沒了，你得等倉庫人員跟你調(diào)貨，直到倉庫人員跟你把貨物送過來，你才能繼續(xù)去收銀臺付款，這就類似同步調(diào)用。而異步調(diào)用了，就像網(wǎng)購，你在網(wǎng)上付款下單后，什么事就不用管了，該干嘛就干嘛去了，當貨物到達后你收到通知去取就好。

　　3.2并發(fā)與并行

　　并發(fā)和并行是十分容易混淆的概念。并發(fā)指的是多個任務(wù)交替進行，而并行則是指真正意義上的“同時進行”。實際上，如果系統(tǒng)內(nèi)只有一個CPU，而使用多線程時，那么真實系統(tǒng)環(huán)境下不能并行，只能通過切換時間片的方式交替進行，而成為并發(fā)執(zhí)行任務(wù)。真正的并行也只能出現(xiàn)在擁有多個CPU的系統(tǒng)中。

　　3.3阻塞和非阻塞

　　阻塞和非阻塞通常用來形容多線程間的相互影響，比如一個線程占有了臨界區(qū)資源，那么其他線程需要這個資源就必須進行等待該資源的釋放，會導(dǎo)致等待的線程掛起，這種情況就是阻塞，而非阻塞就恰好相反，它強調(diào)沒有一個線程可以阻塞其他線程，所有的線程都會嘗試地往前運行。

　　3.4臨界區(qū)

　　臨界區(qū)用來表示一種公共資源或者說是共享數(shù)據(jù)，可以被多個線程使用。但是每個線程使用時，一旦臨界區(qū)資源被一個線程占有，那么其他線程必須等待。

　　四.并發(fā)編程的三大特性

　　并發(fā)編程有三大特性：原子性、可見性、有序性。

　　原子性：是指在一次操作或多次操作中，要么所有的操作都得到執(zhí)行，要么都不執(zhí)行。【類似于事務(wù)】

　　JMM只保證了基本讀取和賦值的原子性操作

　　多個原子性操作的組合不再是原子性操

　　可以使用synchronized/lock保證某些代碼片段的原子性

　　對于int等類型的自增操作，可以通過java.util.concurrent.atomic.*保證原子性

　　可見性：是指一個線程對共享變量進行了修改，其他線程可以立即看到修改后的值。

　　有序性：是指代碼在執(zhí)行過程中的先后順序是有序的。【Java編譯器會對代碼進行優(yōu)化，執(zhí)行順序可能與開發(fā)者編寫的順序不同（指令重排）】

　　并發(fā)編程時，保證三大特性的方式有三種：

　　1、使用volatile關(guān)鍵字修飾變量

　　當一個變量被volatile關(guān)鍵字修飾時，對于共享變量的讀操作會直接在主存中進行，對于共享變量的寫操作是先修改本地內(nèi)存，修改結(jié)束后直接刷到主存中。（未被volatile修飾的變量被修改后，什么時候最新值會被刷到主存中是不確定的）

　　2、使用synchronized關(guān)鍵字修飾方法或代碼塊

　　synchronized關(guān)鍵字能保證同一時刻只有一個線程獲得鎖然后執(zhí)行同步方法，并且確保鎖釋放之前，會將修改的變量刷入主存。

　　3、使用JUC提供的顯式鎖Lock

　　Lock能保證同一時刻只有一個線程獲得鎖然后執(zhí)行同步方法，并且確保鎖釋放之前，會將修改的變量刷入主存。

　　最后

　　本文主要對Java并發(fā)編程開發(fā)需要的知識點作了簡單的講解，這里每一個知識點都可以用一篇文章去講解，由于篇幅原因不能對每一個知識點都詳細介紹，我相信通過本文你會對Java的并發(fā)編程會有更近一步的了解。如果您有哪些不明白，不懂的，可以登錄動力節(jié)點IT培訓(xùn)官網(wǎng)，咨詢在線客服老師。