Java并发编程之入门

前言

​ 并发编程并不是一门相对独立的学科,而是一个综合学科。并发编程相关的概念和技术看上非常零散,相关度也很低,总给你一种这样的感觉:我已经学习很多相关技术了,可还是搞不定并发编程。那如何才能学习好并发编程呢?

其实很简单,只要你能从两个方面突破一下就可以了。一个是“跳出来,看全景”,另一个是“钻进去,看本质”。

跳出来,看全景

​ 我们先说“跳出来”。你应该也知道,学习最忌讳的就是“盲人摸象”,只看到局部,而没有看到全局。所以,你需要从一个个单一的知识和技术中“跳出来”,高屋建瓴地看并发编程。当然,这首要之事就是你建立起一张全景图。

​ 不过,并发编程相关的知识和技术还真是错综复杂,时至今日也还没有一张普遍认可的全景图,也许这正是很多人在并发编程方面难以突破的原因吧。好在经过多年摸爬滚打,我自己已经“勾勒”出了一张全景图,不一定科学,但是在某种程度上我想它还是可以指导你学好并发编程的。

在我看来,并发编程领域可以抽象成三个核心问题:分工、同步和互斥。

分工

​ 所谓分工,类似于现实中一个组织完成一个项目,项目经理要拆分任务,安排合适的成员去完成。

​ 在并发编程领域,你就是项目经理,线程就是项目组成员。任务分解和分工对于项目成败非常关键,不过在并发领域里,分工更重要,它直接决定了并发程序的性能。在现实世界里,分工是很复杂的,著名数学家华罗庚曾用“烧水泡茶”的例子通俗地讲解了统筹方法(一种安排工作进程的数学方法),“烧水泡茶”这么简单的事情都这么多说道,更何况是并发编程里的工程问题呢。

​ 既然分工很重要又很复杂,那一定有前辈努力尝试解决过,并且也一定有成果。的确,在并发编程领域这方面的成果还是很丰硕的。Java SDK 并发包里的 Executor、Fork/Join、Future 本质上都是一种分工方法。除此之外,并发编程领域还总结了一些设计模式,基本上都是和分工方法相关的,例如生产者 - 消费者、Thread-Per-Message、Worker Thread 模式等都是用来指导你如何分工的。

​ 学习这部分内容,最佳的方式就是和现实世界做对比。例如生产者 - 消费者模式,可以类比一下餐馆里的大厨和服务员,大厨就是生产者,负责做菜,做完放到出菜口,而服务员就是消费者,把做好的菜给你端过来。不过,我们经常会发现,出菜口有时候一下子出了好几个菜,服务员是可以把这一批菜同时端给你的。其实这就是生产者 - 消费者模式的一个优点,生产者一个一个地生产数据,而消费者可以批处理,这样就提高了性能。

同步

​ 分好工之后,就是具体执行了。在项目执行过程中,任务之间是有依赖的,一个任务结束后,依赖它的后续任务就可以开工了,后续工作怎么知道可以开工了呢?这个就是靠沟通协作了,这是一项很重要的工作。

​ 在并发编程领域里的同步,主要指的就是线程间的协作,本质上和现实生活中的协作没区别,不过是一个线程执行完了一个任务,如何通知执行后续任务的线程开工而已。

​ 协作一般是和分工相关的。Java SDK 并发包里的 Executor、Fork/Join、Future 本质上都是分工方法,但同时也能解决线程协作的问题。例如,用 Future 可以发起一个异步调用,当主线程通过 get() 方法取结果时,主线程就会等待,当异步执行的结果返回时,get() 方法就自动返回了。主线程和异步线程之间的协作,Future 工具类已经帮我们解决了。除此之外,Java SDK 里提供的 CountDownLatch、CyclicBarrier、Phaser、Exchanger 也都是用来解决线程协作问题的。

​ 工作中遇到的线程协作问题,基本上都可以描述为这样的一个问题:当某个条件不满足时,线程需要等待,当某个条件满足时,线程需要被唤醒执行。例如,在生产者 - 消费者模型里,也有类似的描述,“当队列满时,生产者线程等待,当队列不满时,生产者线程需要被唤醒执行;当队列空时,消费者线程等待,当队列不空时,消费者线程需要被唤醒执行。”

​ 在 Java 并发编程领域,解决协作问题的核心技术是管程,上面提到的所有线程协作技术底层都是利用管程解决的。管程是一种解决并发问题的通用模型,除了能解决线程协作问题,还能解决下面我们将要介绍的互斥问题。可以这么说,管程是解决并发问题的万能钥匙。

所以说,这部分内容的学习,关键是理解管程模型,学好它就可以解决所有问题。其次是了解 Java SDK 并发包提供的几个线程协作的工具类的应用场景,用好它们可以妥妥地提高你的工作效率。

互斥

​ 分工、同步主要强调的是性能,但并发程序里还有一部分是关于正确性的,用专业术语叫“线程安全”。并发程序里,当多个线程同时访问同一个共享变量的时候,结果是不确定的。不确定,则意味着可能正确,也可能错误,事先是不知道的。而导致不确定的主要源头是可见性问题、有序性问题和原子性问题,为了解决这三个问题,Java 语言引入了内存模型,内存模型提供了一系列的规则,利用这些规则,我们可以避免可见性问题、有序性问题,但是还不足以完全解决线程安全问题。解决线程安全问题的核心方案还是互斥。

​ 所谓互斥,指的是同一时刻,只允许一个线程访问共享变量。

​ 实现互斥的核心技术就是锁,Java 语言里 synchronized、SDK 里的各种 Lock 都能解决互斥问题。虽说锁解决了安全性问题,但同时也带来了性能问题,那如何保证安全性的同时又尽量提高性能呢?可以分场景优化,Java SDK 里提供的 ReadWriteLock、StampedLock 就可以优化读多写少场景下锁的性能。还可以使用无锁的数据结构,例如 Java SDK 里提供的原子类都是基于无锁技术实现的。

​ 除此之外,还有一些其他的方案,原理是不共享变量或者变量只允许读。这方面,Java 提供了 Thread Local 和 final 关键字,还有一种 Copy-on-write 的模式。

​ 使用锁除了要注意性能问题外,还需要注意死锁问题。

​ 这部分内容比较复杂,往往还是跨领域的,例如要理解可见性,就需要了解一些 CPU 和缓存的知识;要理解原子性,就需要理解一些操作系统的知识;很多无锁算法的实现往往也需要理解 CPU 缓存。这部分内容的学习,需要博览群书,在大脑里建立起 CPU、内存、I/O 执行的模拟器。这样遇到问题就能得心应手了。

跳出来,看全景,可以让你的知识成体系,所学知识也融汇贯通起来,由点成线,由线及面,画出自己的知识全景图。

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posted @ 2019-03-10 22:21  被罚站的树  阅读(340)  评论(0编辑  收藏  举报