Java并发-理论基础

来源：https://www.pdai.tech/md/java/thread/java-thread-x-theorty.html

1. Java多线程合理利用CPU资源，平衡CPU、I/O、内存三者之间的速度差异，提高系统性能。

2. CPU为了平衡和内存之间的速度差异引入缓存，会导致线程间对共享变量不可见性；为了平衡I/O差异使用进程和线程，分时利用CPU，会导致非原子操作被打断原有进度；为了使缓存能够更加合理使用在编译时优化指令时指令重排问题，会导致实际运行的指令乱序。这三种情况会造成线程不安全的问题出现。为了解决这三种问题，需要保证程序在多线程运行时的可见性、原子性、指令有序性。

3. 可见性：A线程修改共享变量之后，B立即可见。

4. Java提供volatile关键字保证可见性，被修饰的共享变量在修改后立即被更新到主内存中。

5. 原子性：CPU分时复用时，A线程程序具有原子性，不被B线程中断。

6. Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性的，其他程序可以通过synchronized和Lock来保证原子性。

7. 有序性：指令重排后程序仍然要向按照代码先后顺序执行一样。

8. 指令重排分为三种：编译器优化的重排序，不改变单线程程序语义情况下，重新安排语句执行顺序；指令级并行重排序，对不存在数据依赖的多条指令重叠执行；内存系统指令重排，处理器在使用缓存和读写缓冲区时的重排序。

9. Java源代码在经过编译器优化重排、指令级并行重排、内存系统重排之后得到最终执行的指令序列。

10. volatile关键字、synchronized、Lock也能保证指令有序性，禁止指令重排。

11. JVM规定的先行发生原则也能保证有序性（Happens-Before）

12. 单一线程原则：单线程内在程序前面的操作先于后面；管程锁定规则：对于同一个锁，前一个线程解锁操作发生在后一个线程上锁之前；volatile变量规则：对于volatile变量，写操作在读之前；线程启动规则：start()方法在线程内所有方法之前；线程加入规则：线程B的join(）返回之后，才能结束线程A；线程中断规则：interrupt()方法的调用先行于线程中断异常检测代码；对象终结规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）发生在finalize()方法之前；传递性：A在B之前，B在C之前，A也在C之前。

13. 不可变的类型：final修饰的基本数据类型、String、枚举类型、Number的部分子类（Long\Double\BigInteger\BigDecimal）

14. Collections.unmodifiableXXX()方法获取不可变集合。

15. 线程安全的实现方法：互斥同步，线程阻塞和唤醒会带来性能问题，是阻塞同步；非阻塞同步，比较并交换(Compare-and-Swap，CAS)。CAS 指令需要有 3 个操作数，分别是内存地址 V、旧的预期值 A 和新值 B。当执行操作时，只有当 V 的值等于 A，才将 V 的值更新为 B。CAS存在ABA问题。

16. 无同步方案：不涉及共享数据的方法，不需要多线程。多个线程访问同一个方法的局部变量时，不会出现线程安全问题，因为局部变量存储在虚拟机栈中，属于线程私有的。

17. 使用 java.lang.ThreadLocal 类来实现线程本地存储功能。在一些场景 (尤其是使用线程池) 下，由于 ThreadLocal.ThreadLocalMap 的底层数据结构导致 ThreadLocal 有内存泄漏的情况，应该尽可能在每次使用 ThreadLocal 后手动调用 remove()，以避免出现 ThreadLocal 经典的内存泄漏甚至是造成自身业务混乱的风险。