首页 » 文章 » java 并发编程学习1-- 全景图

Java 里 synchronized、wait()/notify() 相关的知识很琐碎,看懂难,会用更难。但实际上 synchronized、wait()、notify() 不过是操作系统领域里管程模型的一种实现而已,Java SDK 并发包里的条件变量 Condition 也是管程里的概念

1.并发编程可以总结为3个核心问题:分工、同步、互斥

  • 分工:指的是如何高效地拆解任务并分配给线程,类似于现实中一个组织完成一个项目,项目经理要拆分任务,安排合适的成员去完成。
  • 例如 Fork/Join 框架就是一种分工模式
  • 著名数学家华罗庚曾用“烧水泡茶”的例子通俗地讲解了统筹方法(一种安排工作进程的数学方法),“烧水泡茶”这么简单的事情都这么多说道,更何况是并发编程里的工程问题呢。
  • Java SDK 并发包里的 Executor、Fork/Join、Future 本质上都是一种分工方法。
  • 并发编程领域还总结了一些设计模式,基本上都是和分工方法相关的,例如生产者 - 消费者、Thread-Per-Message、Worker Thread 模式等都是用来指导你如何分工的。
  • 其实这就是生产者 - 消费者模式的一个优点,生产者一个一个地生产数据,而消费者可以批处理,这样就提高了性能。
  • 同步:指的是线程之间如何协作,分好工之后,就是具体执行了。在项目执行过程中,任务之间是有依赖的,一个任务结束后,依赖它的后续任务就可以开工了,后续工作怎么知道可以开工了呢?这个就是靠沟通协作了,这是一项很重要的工作。
  • 在并发编程领域里的同步,主要指的就是线程间的协作,本质上和现实生活中的协作没区别,不过是一个线程执行完了一个任务,如何通知执行后续任务的线程开工而已。
  • 协作一般是和分工相关的。Java SDK 并发包里的 Executor、Fork/Join、Future 本质上都是分工方法,但同时也能解决线程协作的问题。例如,用 Future 可以发起一个异步调用,当主线程通过 get() 方法取结果时,主线程就会等待,当异步执行的结果返回时,get() 方法就自动返回了。主线程和异步线程之间的协作,Future 工具类已经帮我们解决了。除此之外,Java SDK 里提供的 CountDownLatch、CyclicBarrier、Phaser、Exchanger 也都是用来解决线程协作问题的。
  • 工作中遇到的线程协作问题,基本上都可以描述为这样的一个问题:当某个条件不满足时,线程需要等待,当某个条件满足时,线程需要被唤醒执行。例如,在生产者 - 消费者模型里,也有类似的描述,“当队列满时,生产者线程等待,当队列不满时,生产者线程需要被唤醒执行;当队列空时,消费者线程等待,当队列不空时,消费者线程需要被唤醒执行。”
  • 在 Java 并发编程领域,解决协作问题的核心技术是管程monitor,上面提到的所有线程协作技术底层都是利用管程解决的。管程是一种解决并发问题的通用模型,除了能解决线程协作问题,还能解决下面我们将要介绍的互斥问题。可以这么说,管程是解决并发问题的万能钥匙。
  • 互斥则是保证同一时刻只允许一个线程访问共享资源,分工、同步主要强调的是性能,但并发程序里还有一部分是关于正确性的,用专业术语叫“线程安全”。
  • 并发程序里,当多个线程同时访问同一个共享变量的时候,结果是不确定的。不确定,则意味着可能正确,也可能错误,事先是不知道的。而导致不确定的主要源头是可见性问题、有序性问题和原子性问题
  • 为了解决这三个问题,Java 语言引入了内存模型,内存模型提供了一系列的规则,利用这些规则,我们可以避免可见性问题、有序性问题,但是还不足以完全解决线程安全问题。解决线程安全问题的核心方案还是互斥
  • 所谓互斥,指的是同一时刻,只允许一个线程访问共享变量。实现互斥的核心技术就是锁,
  • 虽说锁解决了安全性问题,但同时也带来了性能问题
  • Java SDK 里提供的 ReadWriteLock、StampedLock 就可以优化读多写少场景下锁的性能。还可以使用无锁的数据结构,例如 Java SDK 里提供的原子类都是基于无锁技术实现的。
  • 除此之外,还有一些其他的方案,原理是不共享变量或者变量只允许读。这方面,Java 提供了 Thread Local 和 final 关键字,还有一种 Copy-on-write 的模式。
  • 使用锁除了要注意性能问题外,还需要注意死锁问题。
  1. Java SDK 并发包其余的一部分则是并发容器和原子类,这些比较容易理解,属于辅助工具,其他语言里基本都能找到对应的。

添加新评论