《Java 并发编程的艺术》读书笔记

方鹏飞 魏鹏 程晓明 机械工业出版社 2020 年 12 月第 1 版

第 1 章 并发编程的挑战 (多线程会出现什么问题)

• 上下文切换过多, 解决: 1) 无锁; 2) CAS; 3) 减少线程; 4) 协程;

  ## 查看线程 dump 信息:
  grep java.lang.Thread.State %{stack.dump} | awk '{print $2$3$4$5}' | sort | uniq -c

• 死锁

• 软硬件资源限制

第 2 章 Java 并发机制的底层实现原理 (多线程相关操作)

volatile

• 将当前处理器的缓存行回写到内存;
• 使其他处理器缓存了该内存地址的数据无效;

synchronized

• 插入字节码 monitorenter 和 monitorexit
• 锁保存在对象头中

锁

• 偏向锁: 同一线程不需要进行 CAS 操作来加锁和解锁
• 轻量级锁: 使用 CAS 来加锁和解锁, 获取锁不成功时, 会自旋等待
• 重量级锁: 使用 monitor, 获取锁不成功时, 挂起线程

原子操作

• CAS
• ABA 问题, 使用版本号解决, AtmoicStampedReference

第 3 章 Java 内存模型 (JVM 如何支持多线程) —- 重点

线程之间如何通信

• 共享内存（Java采用）
• 消息传递

指令重排

• 编译器优化的重排（编译器重排）
• 指令级并行的重排（处理器重排）
• 内存系统的重排（处理器重排）

数据依赖性

• 写后读
• 写后写
• 读后写

内存屏障（禁止处理器重排）

• LoadLoad：装载先于装载
• StoreStore：存储先于存储
• LoadStore：装载先于存储
• StoreLoad：同时具备以上效果

happens-before规则

• 源于JSR-133（JDK5），the first is visible to and ordered before the scond
• 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before 于该线程中的后续操作
• monitor锁规则：一个锁的解锁，happens-before 于对这个锁的加锁
• volatile变量规则：volatile变量的写，happens-before 于同一个 volatile 变量的读
• start() 规则：线程 A 的 ThreadB.start() 操作，happens-before 于线程 B 中的任意操作
• join() 规则：线程 B 的任意操作，happens-before 于线程 A 的 ThreadB.join() 操作
• 传递性

volatile的内存语义

• volatile的写相当于线程发送消息（变量刷新到主内存）
• volatile的读相当于线程接收消息（从主内存中读取变量）

锁的内存语义

• 锁的释放相当于线程发送消息（变量刷新到主内存）
• 锁的获取相当于线程接收消息（从主内存中读取变量）

concurrent包的实现

• 声明共享变量为volatile
• 使用 CAS 的原子条件更新来实现线程之间的同步
• 配合 volatile 的读/写和 CAS 所具有的 volatile 读写内存语义来实现线程之间的通信

final的内存语义

• 构造函数内对一个 final 域的写入，happens-before 于把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量
• 初次读一个包含 final 域的对象的引用，happens-before 于初次读这个 final 域

双重检查锁定（DCL）的问题

• 创建对象可以分解为三个指令，1）分配内存；2）初始化；3）赋值给引用变量
• 指令2 和 指令3 可能出现重排，导致线程拿到未初始化的对象

解决 DCL 问题

• 使用volatile，禁止指令重排
• 使用类初始化机制

JMM（Java 内存模型）

• JMM屏蔽了不同处理器内存模型的差异，为程序员呈现一个一致的内存模型

第 4 章 Java 并发编程基础 (线程的实现)

线程的状态

• NEW：初始状态
• RUNNABLE：运行状态（RUNNING、READY）
• BLOCKED：阻塞状态，线程阻塞于锁，线程处在对象的同步队列中
• WAITING：等待状态，等待其他线程通知或中断，线程处在对象的等待队列中
• TIME_WAITING：超时等待状态
• TERMINATED：终止状态

启动和终止线程

• 子线程会继承父线程的daemon、priority、inheritableThreadLocal
• suspend()、resume() 调用后不会释放锁，因此弃用，使用 wait()、notify() 替代
• stop() 调用后不会保证线程资源的正常释放，因此弃用，使用 interrupt() 替代

等待/通知机制

• wait()、notify()、notifyAll() 调用前需要先对调用对象加锁
• wait() 调用后，释放锁，将当前线程放入对象的等待队列
• notify()、notifyAll() 调用后，不会释放锁，将等待队列中的线程移到同步队列
• wait() 方法返回的前提是重新获得调用对象的锁

第 5 章 Java 中的锁

队列同步器（AQS）

• 面向同步工具的实现者
• 提供同步状态管理、线程的排队、等待与唤醒等底层操作
• 维护一个FIFO双向队列来管理线程
• 可创建多个条件等待队列

实现

• 定义内部类继承 AQS 并实现它的抽象方法，利用 AQS 实现锁的语义
• 重入锁
• 读写锁

第 6 章 Java 并发容器和框架

ConcurrentHashMap

• HashMap 在并发执行 put 操作时会导致 Entry 链表出现环，形成死循环
• 锁分段技术有效提升并发访问率

ConcurrentLinkedQueue

• 使用循环 CAS 的方式实现非阻塞式线程安全队列

阻塞队列

• ArrayBlockingQueue：由数组组成的有界阻塞队列
• LinkedBlockingQueue：由链表组成的无界阻塞队列
• PriorityBlockingQueue：支持优先级排序的无界阻塞队列
• DelayQueue：使用优先级队列实现的无界阻塞队列，支持延时获取元素
• SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列
• LinkedTransferQueue：：由链表组成的无界阻塞队列
• LinkedBlockingDeque：：由链表组成的双向阻塞队列

Fork/Join 框架

• 某个线程从其他队列里窃取任务来执行

第 7 章 Java 中的原子操作类

原子更新基本类型

• AtomicBoolean
• AtomicInteger
• AtomicLong

原子更新数组

• AtomicIntegerArray
• AtomicLongArray
• AtomicReferenceArray

原子更新引用类型

• AtomicReference
• AtomicReferenceFieldUpdater
• AtomicMarkableReference

原子更新字段

• AtomicIntegerFieldUpdater
• AtomicLongFieldUpdater
• AtomicStampedReference

第 8 章 Java 中的并发工具类

• CountDownLatch：允许一个或多个线程等待其他线程完成操作
• CyclicBarrier：让一组线程到达一个屏障时被阻塞，直到最后一个线程到达
• Semaphore：控制同时访问特定资源的线程数量
• Exchanger：线程之间通过同步点彼此交换数据

第 9 章 Java 中的线程池 (ThreadPoolExecutor)

任务队列（用于保存等待执行的任务的阻塞队列）

• ArrayBlockingQueue
• LinkedBlockingQueue
• SynchronousQueue
• PriorityBlockingQueue

拒绝策略（队列和线程池饱满后对新任务的策略）

• AbortPolicy：直接抛出异常
• CallerRunsPolicy：只用调用者所在的线程来执行任务
• DiscardOldPolicy：丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务
• DiscardPolicy：不处理，直接丢弃

第 10 章 Executor 框架 (线程池框架)

• Executor：基础接口，将任务的提交和任务的执行分离开来
• ThreadPoolExecutor：实现Executor，用来执行被提交的任务
• Runnable 和 Callable：被执行的任务
• Future 和 FutureTask：任务执行结果

第 11 章 Java 并发编程实践 (应用与问题定位)

• 生产者和消费者模式
• 异步任务池