作者 | 加多

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導讀：并發(fā)編程與 Java 中其他知識點相比較而言學習門檻較高，從而導致很多人望而卻步。但無論是職場面試，還是高并發(fā)/高流量系統(tǒng)的實現(xiàn)，都離不開并發(fā)編程，于是能夠真正掌握并發(fā)編程的人成為了市場迫切需求的人才。本文中，作者加多以通俗易懂的方式講解了多線程并發(fā)編程從入門到實踐需要掌握的理論知識與實際操作方法。

學習并發(fā)編程

Java 并發(fā)編程作為 Java 技術(shù)棧中的一根頂梁柱，其學習成本還是比較大的，很多人學習起來感到?jīng)]有頭緒、無從下手。那么學習并發(fā)編程是否有一些技巧在里面呢？

為了讓開發(fā)者從 Java 并發(fā)編程的苦海中解脫出來，大神 Doug Lea 特意為 Java 開發(fā)人員做了一件事情，那就是在 JDK 中提供了 Java 并發(fā)包（JUC）。

該包提供了常用的并發(fā)相關的工具類，比如鎖、并發(fā)安全的隊列、并發(fā)安全的列表、線程池、線程同步器等。有了 JUC 包，開發(fā)人員編寫并發(fā)程序的時候，就不再那么吃力了；但是工具雖好，如果你對其原理不了解，還是很容易犯錯，即：不懂原理多吃虧。

下面為大家舉三個例子進行說明：

• 最簡單的并發(fā)安全隊列 LinkedBlockingQueue，其 offer 與 put 方法的區(qū)別。什么時候用 offer，什么時候用 put，你可能在某個時間點知道，但是過一段時間可能就會忘記。但如果你對其原理了解，翻看下代碼，就可以知道：offer 是非阻塞的，隊列滿了，就丟棄當前元素；put 是阻塞的，隊列滿則會掛起當前線程進行等待；
• 使用線程池的時候，意在讓調(diào)用線程把任務放入線程池后直接返回，讓任務異步執(zhí)行。如果你沒注意拒絕策略為 CallerRunsPolicy，并且不知道線程池隊列滿后，拒絕策略的執(zhí)行是當前調(diào)用線程，那么你在拒絕策略里面就會做很耗時的動作，導致當前調(diào)用線程被阻塞很久；
• 當你使用 Executors.newFixedThreadPool 等創(chuàng)建線程池的時候，如果你不知道其內(nèi)部創(chuàng)建了一個無界隊列，那么當大量任務被投遞到創(chuàng)建的線程池里面后，可能就會造成 OOM（OutOfMemoryError）。另外當你不知道線程池里面的線程是用戶線程還是 deamon 線程的時候，且沒有調(diào)用線程池的 shutdown 方法，則創(chuàng)建線程池的應用也許就不能優(yōu)雅退出。

上面的幾個例子，意在說明雖然有了 JUC 包，但是不懂原理依然會很吃虧。那么我們?yōu)楹尾换ㄐr間來研究下 JUC 包重要組件的實現(xiàn)原理呢？

有人可能會說：我看了但看不懂，每個組件里面涉及的知識太多了。沒錯， JUC 包重要組件的實現(xiàn)的確是由并發(fā)編程基礎知識搭建起來的，所以大家在看組件實現(xiàn)原理前，應該先去把并發(fā)的相關基礎知識學好，然后由淺入深進行研究。

比如最基礎的線程基礎操作原語 notify/wait 系列，join 方法、sleep 方法、yeild 方法；線程中斷的理解；死鎖的產(chǎn)生與避免；什么時候是用戶線程、什么時候是 deamon 線程？什么是偽共享以及如何解決？Java 內(nèi)存模型是什么？什么是內(nèi)存不可見性以及如何避免？volatile 與 Synchronized 內(nèi)存語義是什么，它是用來解決什么問題的？什么是 CAS 操作，它的出現(xiàn)為了解決什么問題？ABA 問題是什么？什么是指令重排序，如何避免？什么是原子性操作？什么是獨占鎖，共享鎖，公平鎖，非公平鎖？······

如果你已經(jīng)掌握了上面列出的所有基礎知識，那么就可以先看 JUC 包中最簡單的基于 CAS 無鎖實現(xiàn)的原子性操作類如：AtomicLong 的實現(xiàn)?？赡苣銜兴蓡?#xff1a;其中的變量 value 為何使用 volatile 修飾（多線程下保證內(nèi)存可見性）？

接下來大家可以看到 JDK8 新增原子操作類 LongAdder，在非常高的并發(fā)請求下，AtomicLong 的性能會受影響，這是因為雖然 AtomicLong 使用無數(shù) CAS 算法，但是 CAS 失敗后還是通過無限循環(huán)的自旋鎖不斷嘗試的。在高并發(fā)下 N 多線程同時去操作一個變量，會造成大量線程 CAS 失敗，然后處于自旋狀態(tài)，這大大浪費了 cpu 資源。

既然 AtomicLong 性能是由于過多線程同時去競爭一個變量的更新而降低的，那么如果把一個變量分解為多個變量，讓同樣多的線程去競爭多個資源，性能問題不就解決了？JDK8 提供的 LongAdder 就是這個思路。看到這里大家或許會眼前一亮。

最后大家可以去看一下，比較簡單的并發(fā)安全基于寫時拷貝的 CopyOnWriteArrayList 的實現(xiàn)，以及探究其迭代器的弱一致性實現(xiàn)原理（即寫時拷貝）。

接下來進入核心環(huán)節(jié)，也就是對 JUC 包中鎖的研究。

一開始要先把 LockSupport 類研究透，即：鎖中讓線程掛起與喚醒的基礎設施。由于鎖是基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）實現(xiàn)的，所以肯定要先把 AQS 搞清楚。

你將會發(fā)現(xiàn) AQS ?中維持了一個單一的狀態(tài)信息 state, 可以通過 getState，setState，compareAndSetState 函數(shù)修改其值。

對于 ReentrantLock 的實現(xiàn)來說，state 可以用來表示當前線程獲取鎖的可重入次數(shù)；對于讀寫鎖 ReentrantReadWriteLock 來說，state 的高 16 位表示讀狀態(tài)，也就是獲取該讀鎖的次數(shù)，低 16 位表示獲取到寫鎖線程的可重入次數(shù)；對于 semaphore 來說，state 用來表示當前可用信號的個數(shù)；對于 FutuerTask 來說，state 用來表示任務狀態(tài)（例如還沒開始，運行，完成，取消）；對于 CountDownlatch 和 CyclicBarrie 來說，state 用來表示計數(shù)器當前的值。

AQS 有個內(nèi)部類 ConditionObject 是用來結(jié)合鎖實現(xiàn)線程同步，ConditionObject 可以直接訪問 AQS 對象內(nèi)部的變量，比如 state 狀態(tài)值和 AQS 隊列。ConditionObject 是條件變量，每個條件變量對應著一個條件隊列 (單向鏈表隊列)，用來存放調(diào)用條件變量的 await() 方法后被阻塞的線程。

AQS 類并沒有提供可用的 tryAcquire 和 tryRelease，正如 AQS 是鎖阻塞和同步器的基礎框架，tryAcquire 和 tryRelease 需要有具體的子類來實現(xiàn)。子類在實現(xiàn) tryAcquire 和 tryRelease 的時候，要根據(jù)具體場景使用 CAS 算法嘗試修改狀態(tài)值 state, 成功則返回 true, 否則返回 false。子類還需要定義在調(diào)用 acquire 和 release 方法的時候 ，state 狀態(tài)值的增減代表什么含義。

比如繼承自 AQS 實現(xiàn)的獨占鎖 ReentrantLock，定義當 status 為 0 的時候表示鎖空閑；為 1 的時候表示鎖已經(jīng)被占用。在重寫 tryAcquire 的時候，內(nèi)部需要使用 CAS 算法，查看當前 status 是否為 0，如果為 0 則使用 CAS 設置為 1，并設置當前線程的持有者為當前線程，返回 true；如果 CAS 失敗則返回 false。

ReentrantLock?在實現(xiàn) tryRelease 的時候，內(nèi)部需要使用 CAS 算法把當前 status 的值從 1 修改為 0，并設置當前鎖的持有者為 null，然后返回 true, 如果 cas 失敗則返回 false。

知道 AQS 是什么后，下面先看最簡單的獨占鎖 ReentrantLock。你可以先畫出其類圖結(jié)構(gòu)，看看有哪些變量和方法，將會發(fā)現(xiàn)它有著公平鎖與獨占鎖之分（回顧基礎篇）。

類圖中狀態(tài)值 state 代表線程獲取該鎖的可重入次數(shù)，當一個線程第一次獲取該鎖時， state 的值為 0；第二次獲取后，該鎖狀態(tài)值為 1，這就是可重入次數(shù)。然后加大難度，看看讀寫鎖 ReentrantReadWriteLock 是怎么實現(xiàn)讀寫分離、增加并發(fā)度的，別忘了還有 JDK 新增的 StampedLock 。

等鎖研究完了，就可以對并發(fā)隊列進行研究了。其中，隊列要分為基于 CAS 的無阻塞隊列 ConcurrentLinkedQueue ?和其他基于鎖的阻塞隊列。先看比較簡單的 ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue，ConcurrentLinkedQueue，別忘了還有高級的優(yōu)先級隊列 PriorityBlockingQueue 和延遲隊列 DelayQueue。

好像少了線程池？線程池主要解決兩個問題：

• 當執(zhí)行大量異步任務的時候，線程池能夠提供較好的性能；在不使用線程池且需要執(zhí)行異步任務時，直接 new 一線程進行運行，線程的創(chuàng)建和銷毀是需要開銷的。線程池里面的線程是可復用的，不會每次執(zhí)行異步任務時候都重新創(chuàng)建和銷毀線程；
• 線程池提供了一種資源限制和管理的手段。比如可以限制線程的個數(shù)、動態(tài)新增線程等，每個 ThreadPoolExecutor 也保留了一些基本的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如：當前線程池完成的任務數(shù)目等。

前面講解過 Java 中線程池 ThreadPoolExecutor 原理的探究，ThreadPoolExecutor 是 Executors 工具類里的一部分功能。下面介紹另外一部分功能，也就是 ScheduledThreadPoolExecutor 的實現(xiàn)，它是一個可以指定一定延遲時間后或者定時進行任務調(diào)度執(zhí)行的線程池。

JUC 中重要的高級線程同步器 CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 也不能忽略，這些高級的同步器會大大簡化我們編寫線程同步任務的門檻、降低我們的出錯率。

雖然 Java 并發(fā)編程內(nèi)容很廣，但還是有一些規(guī)則可以遵循，比如線程。線程池創(chuàng)建的時候要指定名稱以便排查問題，線程池使用完畢記得關閉，ThreadLocal 使用完畢記得調(diào)用 remove 清理，SimpleDateFormat 類是線程不安全的等等。

總結(jié)

如果你對上面的內(nèi)容感興趣，但對學并發(fā)無從下手，那么機會來了！《Java并發(fā)編程之美》這本書，就是按照以上的思路來編寫的，該書在京東上被列為 10 大精選書籍之一。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Java 并发编程-不懂原理多吃亏（送书福利）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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