并发编程这个技术领域已经发展了半个世纪了,相关的理论和技术纷繁复杂。那有没有一种核心技术可以很方便地解决我们的并发问题呢?这个问题如果让我选择,我一定会选择管程技术。Java 语言在 1.5 之前,提供的唯一的并发原语就是管程,而且 1.5 之后提供的 SDK 并发包,也是以管程技术为基础的。除此之外,C/C++、C# 等高级语言也都支持管程。

可以这么说,管程就是一把解决并发问题的万能钥匙。

在上一篇文章中,我们用 Account.class 作为互斥锁,来解决银行业务里面的转账问题,虽然这个方案不存在并发问题,但是所有账户的转账操作都是串行的,例如账户 A 转账户 B、账户 C 转账户 D 这两个转账操作现实世界里是可以并行的,但是在这个方案里却被串行化了,这样的话,性能太差。

试想互联网支付盛行的当下,8 亿网民每人每天一笔交易,每天就是 8 亿笔交易;每笔交易都对应着一次转账操作,8 亿笔交易就是 8 亿次转账操作,也就是说平均到每秒就是近 1 万次转账操作,若所有的转账操作都串行,性能完全不能接受。

缓存导致的可见性问题

在单核时代,所有的线程都是在一颗 CPU 上执行,CPU 缓存与内存的数据一致性容易解决。因为所有线程都是操作同一个 CPU 的缓存,一个线程对缓存的写,对另外一个线程来说一定是可见的。例如在下面的图中,线程 A 和线程 B 都是操作同一个 CPU 里面的缓存,所以线程 A 更新了变量 V 的值,那么线程 B 之后再访问变量 V,得到的一定是 V 的最新值(线程 A 写过的值)。

Atomic 原子类介绍

Atomic 翻译成中文是原子的意思。在化学上,我们知道原子是构成一般物质的最小单位,在化学反应中是不可分割的。在我们这里 Atomic 是指一个操作是不可中断的。即使是在多个线程一起执行的时候,一个操作一旦开始,就不会被其他线程干扰。

所以,所谓原子类说简单点就是具有原子/原子操作特征的类。

使用线程池的好处

池化技术相比大家已经屡见不鲜了,线程池、数据库连接池、Http 连接池等等都是对这个思想的应用。池化技术的思想主要是为了减少每次获取资源的消耗,提高对资源的利用率。

线程池提供了一种限制和管理资源(包括执行一个任务)。 每个线程池还维护一些基本统计信息,例如已完成任务的数量。

这里借用《Java 并发编程的艺术》提到的来说一下使用线程池的好处

  • 降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
  • 提高响应速度。当任务到达时,任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
  • 提高线程的可管理性。线程是稀缺资源,如果无限制的创建,不仅会消耗系统资源,还会降低系统的稳定性,使用线程池可以进行统一的分配,调优和监控。

JDK 提供的并发容器总结

JDK 提供的这些容器大部分在 java.util.concurrent 包中。

  • ConcurrentHashMap: 线程安全的 HashMap
  • CopyOnWriteArrayList: 线程安全的 List,在读多写少的场合性能非常好,远远好于 Vector.
  • ConcurrentLinkedQueue: 高效的并发队列,使用链表实现。可以看做一个线程安全的 LinkedList,这是一个非阻塞队列。
  • BlockingQueue: 这是一个接口,JDK 内部通过链表、数组等方式实现了这个接口。表示阻塞队列,非常适合用于作为数据共享的通道。
  • ConcurrentSkipListMap: 跳表的实现。这是一个 Map,使用跳表的数据结构进行快速查找。

synchronized 关键字

说一说自己对于 synchronized 关键字的了解

synchronized关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性,synchronized关键字可以保证被它修饰的方法或者代码块在任意时刻只能有一个线程执行。

另外,在 Java 早期版本中,synchronized属于重量级锁,效率低下,因为监视器锁(monitor)是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock 来实现的,Java 的线程是映射到操作系统的原生线程之上的。如果要挂起或者唤醒一个线程,都需要操作系统帮忙完成,而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到内核态,这个状态之间的转换需要相对比较长的时间,时间成本相对较高,这也是为什么早期的 synchronized 效率低的原因。庆幸的是在 Java 6 之后 Java 官方对从 JVM 层面对synchronized 较大优化,所以现在的 synchronized 锁效率也优化得很不错了。JDK1.6对锁的实现引入了大量的优化,如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的开销。

什么是线程和进程?

何为进程?

进程是程序的一次执行过程,是系统运行程序的基本单位,因此进程是动态的。系统运行一个程序即是一个进程从创建,运行到消亡的过程。

在 Java 中,当我们启动 main 函数时其实就是启动了一个 JVM 的进程,而 main 函数所在的线程就是这个进程中的一个线程,也称主线程。