Java 多线程与并发【原理第二部分笔记】

什么是Java内存模型中的happens-before

Java内存模型，即JMM，本身是一种抽象的概念，并不是真实存在的，他描述的是一组规则或者说是一种规范，通过这组规范定义了程序中各个变量（包括实例字段，静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式

JMM中的主内存

主内存主要存储的是Java的实例对象，其中还包括了类里面的成员变量，类信息，常量以及静态变量等等，其属于静态数据区，多线程并发操作时会引发线程安全的问题

JMM中的工作内存

其主要存储当前方法的所有的本地变量信息，本地变量信息对其他线程不可见，且还有字节码行号指示器以及native方法信息，其属于线程私有数据区域，不存在线程安全问题

JMM与Java内存区域划分是不同的概念层次

JMM描述的是一组规则，围绕着原子性，有序性以及可见性展开，其和Java内存区域的相似之处就是都存在共享区域和私有区域

主内存与工作内存的数据存储类型以及操作方式归纳

根据虚拟机规范，对于一个实例对象中的成员方法而言，如果方法变量中包含有基本数据类型本地变量的，这些本地变量将直接存储在工作内存的栈帧结构中，但是如果本地变量是引用类型的，那么引用将存储在工作内存中，实例存储在主内存中

但是对于成员变量，static变量以及类信息都会被存储在主内存中，需要注意的是，在主内存中的对象可以被多线程共享，主内存共享的方式就是线程各拷贝一份数据到工作内存，操作完成后刷新回主内存

JMM解决可见性问题

指令重排序的需要的条件

首先是，在单线程环境下不能改变程序运行的结果，其次就是存在数据依赖的不允许进行重排序，其实这两个可以合成一个，即无法通过happens-before原则推出来的，才能进行指令的重排序

happens-before关系以及概念

当a操作的结果需要对b操作可见的时候，我们就说，a和b存在happens-before的关系

如果两个操作不满足任意一个happens-before规则，那么这两个操作就没有顺序的保障，JVM可以对这两个操作进行重排序，如果操作A happens-before操作B，那么操作A在内存上所做的操作对操作B都是可见的，这就是happens-before的概念

happens-before的八大原则

1.程序次序规则︰一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作

2锁定规则︰一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作

3. volatile变量规则︰对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作

4.传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C

5.线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作

6.线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生

7.线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束，Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行

8.对象终结规则︰一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

volatile

在并发中很常见，其是JVM提供的轻量级同步机制，其作用有两个：一是可以保证被volatile修饰的共享变量对所有线程总是可见的，二是禁止指令重排序优化

volatile的可见性

我们需要意识到被volatile修饰的变量对所有的线程总是立即可见的，对volatile变量的所有的写操作都可以立即反应到其他线程中，但是对于volatile的运算操作在多线程的环境中并不一定是安全的

volatile变量为何立即可见？

当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的工作内存中的共享变量值刷新到主内存中，而在读取一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的工作内存置为无效

volatile如何禁止重排优化？

需要先知道内存屏障（memory barrier）这个概念，内存屏障保证了特定操作的执行顺序，并且还保证了某些变量的内存可见性

通过插入内存屏障指令禁止在内存屏障前后的指令执行重排序优化，也就是说，强制刷出各种CPU的缓存数据，因此任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本

volatile和synchronized的区别

volatile本质是在告诉JVM当前变量在寄存器（工作内存）中的值是不确定的，需要从主存中读取，synchronized则是锁定当前变量，只有当前线程可以访问该变量，其他线程被阻塞住直到该线程完成变量操作为止
volatile仅能使用在变量级别，synchronized则可以使用在变量、方法和类级别
volatile仅能实现变量的修改可见性，不能保证原子性，而synchronized则可以保证变量修改的可见性和原子性
volatile不会造成线程的阻塞，synchronized可能会造成线程的阻塞
volatile标记的变量不会被编译器优化，synchronized标记的变量可以被编译器优化

CAS

CAS是一种高效实现线程安全性的方法，它支持原子更新操作，适用于计数器，序列发生器等场景，属于乐观锁机制，号称lock-free

CAS操作失败时由开发者决定是否要继续尝试，还是说执行别的操作先

CAS在多数情况下对于开发者来说是透明的，J.U.C的atomic包提供了常用的原子性数据类型以及引用，数组等相关原子类型和更新操作工具，是很多线程安全程序的首选，像UNsafe类，虽然提供了CAS服务，但是因为能够操纵任意内存地址读写而由隐患

在Java9以后，可以使用variable handle api来代替Unsafe

CAS思想

其包含三个操作数——内存位置（V），预期原值（A）和新值（B），执行的时候，将内存位置的值与预期原值的值进行比较，如果相匹配，那么处理器就会将该位置的值更新为新值，否则处理器不做任何操作

CAS缺点

1.如果循环时间长的话，开销就会很大

2.只能保证一个共享变量的原子操作

3.有ABA问题，解决问题的方法是atomicstampedreference

Java线程池

开发者一般会利用executors创建不同的线程池满足不同场景的需求，目前有五种不同的线程池创建配置

1. newFixedThreadPool(int nThreads)，指定工作线程数量的线程池

2. newCachedThreadPool()，处理大量短时间工作任务的线程池

(1)试图缓存线程并重用，当无缓存线程可用时，就会创建新的工作线程

(2)如果线程闲置的时间超过阈值，则会被终止并移出缓存﹔

(3)系统长时间闲置的时候，不会消耗什么资源

3. newSingleThreadExecutor()，创建唯一的工作者线程来执行任务，如果线程异常结束，会有另一个线程取代它

4.newSingleThreadScheduledExecutor()与newScheduledThreadPool(int corePoolSize），定时或者周期性的工作调度，两者的区别在于单一工作线程还是多个线程

5. newWorkStealingPool()，内部会构建ForkJoinPool，利用working-stealing算法，并行地处理任务，不保证处理顺序

Fork/join框架

是一个把大任务分割成若干的小任务并行执行，最终汇总每一个小任务结果后得到大任务结果的框架，可以使用work-stealing算法（某个线程从其他队列里窃取任务来执行）来调整

为什么要使用线程池？

1.降低资源消耗

2.提高线程的可管理性

Executor的框架

J.U.C的三个Executor接口

1.Executor：运行新任务的简单接口，将任务提交和任务执行细节解耦

2.executorservice：具备管理执行器和任务生命周期的方法，提交任务机制更加的完善

3.scheduledexecutorservice：支持future和定期执行任务

threadpoolexecutor

这是最基础的

threadpoolexecutor的构造函数

1.corepoolsize：核心线程数量

2.maximumpoolsize：线程不够用的时候能够创建的最大线程数

3.workqueue：任务等待队列

4.keepalivetime：抢占的顺序不一定，看运气

5.threadfactory：创建新线程，executors.defaultthreadfactory（）

handle：线程池的饱和策略

1.AbortPolicy:直接抛出异常，这是默认策略

2.CallerRunsPolicy:用调用者所在的线程来执行任务

3.DiscardOldestPolicy:丢弃队列中靠最前的任务，并执行当前任务

4.DiscardPolicy:直接丢弃任务

5.实现RejectedExecutionHandler接口的自定义handler

新任务提交execute执行后的判断

如果运行的线程少于corePoolSize，则创建新线程来处理任务，即使线程池中的其他线程是空闲的

如果线程池中的线程数量大于等于corePoolSize且小于maximumPoolSize，则只有当workQueue满时才创建新的线程去处理任务，如果设置的corePoolSize和maximumPoolSize相同，则创建的线程池的大小是固定的，这时如果有新任务提交，若workQueue未满，则将请求放入workQueue中，等待有空闲的线程去从workQueue中取任务并处理

如果运行的线程数量大于等于maximumPoolSize，这时如果workQueue已经满了，则通过handler所指定的策略来处理任务

线程池的状态

有五种状态，分别是running，shutdown，stop，tidying以及terminated，具体来说

RUNNING：能接受新提交的任务，并且也能处理阻塞队列中的任务

SHUTDOWN：不再接受新提交的任务，但可以处理存量任务

STOP：不再接受新提交的任务，也不处理存量任务

TIDYING：所有的任务都已终止

TERMINATED：terminated()方法执行完后进入该状态

五种状态的转换图

工作线程的生命周期

线程池的大小怎么选定？

一般有两种CPU密集型和I/O密集型

CPU密集型：线程数=按照核数或者核数+1设定

I/O密集型：线程数=CPU核数*(1＋平均等待时间/平均工作时间)