后端Java

2021-03-31

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Java并发

Catalogue

1. 进程与线程
2. 并行与并发
1. 2.1. 应用之异步调用（案例1）
2. 2.2. 应用之提高效率（案例1）
3. Java 线程
1. 3.1. 创建和运行线程
4. 共享模型之管程
5. 共享模型之内存
6. 共享模型之无锁
7. 共享模型之不可变
8. 共享模型之工具
9. 参考资料

进程与线程

进程

程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至 CPU，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的
当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程。
进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本、画图、浏览器等），也有的程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐、360 安全卫士等）

线程

一个进程之内可以分为一到多个线程。
一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行
Java 中，线程作为最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。在 windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器

二者对比

进程基本上相互独立的，而线程存在于进程内，是进程的一个子集
进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享
进程间通信较为复杂：
- 同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）
- 不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP
线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量
线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低

线程上下文切换（Thread Context Switch）

因为以下一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码

线程的 cpu 时间片用完
垃圾回收
有更高优先级的线程需要运行
线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法

当 Context Switch 发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应的概念就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条 jvm 指令的执行地址，是线程私有的，状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等，Context Switch 频繁发生会影响性能

并行与并发

单核 cpu 下，线程实际还是串行执行的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 cpu 的时间片（windows下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于 cpu 在线程间（时间片很短）的切换非常快，人类感觉是同时运行的。总结为一句话就是：微观串行，宏观并行，

一般会将这种线程轮流使用 CPU 的做法称为并发， concurrent

多核 cpu下，每个核（core）都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的。

引用 Go语言之父 Rob Pike 的一段描述：

并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力
并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力

例子

家庭主妇做饭、打扫卫生、给孩子喂奶，她一个人轮流交替做这多件事，这时就是并发
家庭主妇雇了个保姆，她们一起这些事，这时既有并发，也有并行（这时会产生竞争，例如锅只有一口，一个人用锅时，另一个人就得等待）
雇了3个保姆，一个专做饭、一个专打扫卫生、一个专喂奶，互不干扰，这时是并行

应用之异步调用（案例1）

以调用方角度来讲，如果

需要等待结果返回，才能继续运行就是同步
不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步

设计：多线程可以让方法执行变为异步的（即不要巴巴干等着）比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了 5 秒钟，如果没有线程调度机制，这 5 秒 cpu 什么都做不了，其它代码都得暂停…

比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程
tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程
ui 程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞 ui 线程

应用之提高效率（案例1）

充分利用多核 cpu 的优势，提高运行效率。想象下面的场景，执行 3 个计算，最后将计算结果汇总。

计算 1 花费 10 ms
计算 2 花费 11 ms
计算 3 花费 9 ms
汇总需要 1 ms

如果是串行执行，那么总共花费的时间是 10 + 11 + 9 + 1 = 31ms
但如果是四核 cpu，各个核心分别使用线程 1 执行计算 1，线程 2 执行计算 2，线程 3 执行计算 3，那么 3 个线程是并行的，花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间，即 11ms 最后加上汇总时间只会花费 12ms
注意: 需要在多核 cpu 才能提高效率，单核仍然时是轮流执行

结论:

单核 cpu 下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用cpu ，不至于一个线程总占用 cpu，别的线程没法干活
多核 cpu 可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的有些任务，经过精心设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率。但不是所有计算任务都能拆分（参考后文的【阿姆达尔定律】），也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义
IO 操作不占用 cpu，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO】，这时相当于线程虽然不用 cpu，但需要一直等待 IO 结束，没能充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞 IO】和【异步 IO】优化

Java 线程

创建和运行线程

方法一，直接使用 Thread

// 创建线程对象
Thread t = new Thread() {
 public void run() {
 // 要执行的任务
 }
};
// 启动线程
t.start();

方法二，使用 Runnable 配合 Thread，把【线程】和【任务】（要执行的代码）分开Thread 代表线程，Runnable 可运行的任务（线程要执行的代码）
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Runnable runnable = new Runnable() {
public void run(){
// 要执行的任务
}
};
// 创建线程对象
Thread t = new Thread( runnable );
// 启动线程
t.start();
原理之 Thread 与 Runnable 的关系

查看 Thread 的源码可知，Thread类中有一个Runnable类型的成员变量target，它的run方法中会判断target是否为null，不为null则调用run方法.
如上方法1是直接匿名类的方式重写了run方法.
如上方法2是实例化一个Runnable接口的实例，通过Thread构造方法传递给target.

使用Runnable有如下好处：

方法1 是把线程和任务合并在了一起，方法2 是把线程和任务分开了
用 Runnable 更容易与线程池等高级 API 配合
用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活

方法三，FutureTask 配合 Thread，FutureTask 能够接收 Callable 类型的参数，用来处理有返回结果的情况

// 创建任务对象
FutureTask<Integer> task3 = new FutureTask<>(() -> {
 log.debug("hello");
 return 100;
});

// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
new Thread(task3, "t3").start();
// 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
Integer result = task3.get();
log.debug("结果是:{}", result);

共享模型之管程

临界区 Critical Section

一个程序运行多个线程本身是没有问题的，问题出在多个线程访问共享资源

多个线程读共享资源其实也没有问题
在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题

一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区
例如，下面代码中的临界区：

static int counter = 0;
static void increment() 
// 临界区
{ 
 counter++; 
}
static void decrement() 
// 临界区
{ 
 counter--; 
}

竞态条件 Race Condition

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

synchronized 解决方案

应用之互斥

为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。

阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
非阻塞式的解决方案：原子变量

synchronized，即俗称的【对象锁】，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换

虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：

互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点

static int counter = 0;
static final Object room = new Object();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            synchronized (room) {
                counter++;
            }
        }
    }, "t1");
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            synchronized (room) {
                counter--;
            }
        }
    }, "t2");
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    log.debug("{}", counter);
}

你可以做这样的类比：synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间（room），有唯一入口（门）房间只能一次进入一人进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人

当线程 t1 执行到 synchronized(room) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行count++ 代码
这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，阻塞住了
这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦），这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得CPU时间片时会再次开门进入
当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码，这时候才会从 obj 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥匙给他。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的 count– 代码

思考：synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换或交错执行造成问题。

面向对象改进: 把需要保护的共享变量放入一个类

class Room {
    int value = 0;

    public void increment() {
        synchronized (this) {
            value++;
        }
    }

    public void decrement() {
        synchronized (this) {
            value--;
        }
    }

    public int get() {
        synchronized (this) {
            return value;
        }
    }
}

@Slf4j
public class Test1 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Room room = new Room();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                room.increment();
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                room.decrement();
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("count: {}", room.get());
    }
}

变量的线程安全分析

成员变量和静态变量是否线程安全？

如果它们没有共享，则线程安全
如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况
- 如果只有读操作，则线程安全
- 如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

局部变量是否线程安全？

局部变量是线程安全的
但局部变量引用的对象则未必
- 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
- 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

如下类是线程安全的，因为：

list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享
method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象，method3 的参数分析与 method2 相同
method2 和 method3 访问修饰符是private，不能被其他类访问，所以不会造成list引用逃逸

class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }
    private void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }
}

考虑method2、method3访问修饰符改为public时，是否带来安全问题

有其它线程调用 method2 和 method3，会拿到list引用造成逃逸
在情况1 的基础上，为 ThreadSafe 类添加子类，子类覆盖 method2 或 method3 方法，也会得到list引用造成逃逸，即

class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
    @Override
    public void method3(ArrayList<String> list) {
        new Thread(() -> {
            list.remove(0);
        }).start();
    }
}

从这个例子可以看出 private 或 final 提供【安全】的意义所在，请体会开闭原则中的【闭】

常见线程安全类

String
Integer
StringBuffer
Random
Vector
Hashtable
java.util.concurrent 包下的类

这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。
也可以理解为它们的每个方法是原子的，但注意它们多个方法的组合不是原子的，如下操作是安全的：

Hashtable table = new Hashtable();

new Thread(()->{
 table.put("key", "value1");
}).start();

new Thread(()->{
 table.put("key", "value2");
}).start();

线程安全类方法的组合，下面代码不是线程安全的：

Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2
if( table.get("key") == null) {
    table.put("key", value);
}

不可变类线程安全性：String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的
有同学或许有疑问，String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值啊，那么这些方法又是如何保证线程安全的呢？
类似如下，每次会构造一个新对象

public class Immutable{
    private int value = 0;

    public Immutable(int value){
        this.value = value;
    }
    
    public int getValue(){
        return this.value;
    }
    
    public Immutable add(int v){
        return new Immutable(this.value + v);
    } 
}

实例分析

todo

卖票、转账实例

todo

Monitor 概念

原理之 Monitor(锁)
原理之 synchronized
原理之 synchronized 进阶

wait/notify

原理之 wait / notify

它们都是线程之间进行协作的手段，都属于 Object 对象的方法。必须获得此对象的锁，才能调用这几个方法:

obj.wait() 会释放对象的锁，进入 WaitSet 等待区，从而让其他线程就机会获取对象的锁。无限制等待，直到notify 为止
obj.wait(long n) 有时限的等待, 到 n 毫秒后结束等待，或是被 notify
obj.notify() 在 object 上正在 waitSet 等待的线程中挑一个唤醒
obj.notifyAll() 让 object 上正在 waitSet 等待的线程全部唤醒

sleep(long n) 和 wait(long n) 的区别

sleep 是 Thread 方法，而 wait 是 Object 的方法
sleep 不需要强制和 synchronized 配合使用，但 wait 需要和 synchronized 一起用
sleep 在睡眠的同时，不会释放对象锁的，但 wait 在等待的时候会释放对象锁
它们状态 TIMED_WAITING

模式之保护性暂停
模式之生产者消费者
原理之join

Park/Unpark

它们是 LockSupport 类中的方法

LockSupport.park(); 暂停当前线程，内部是调用Unsafe.park()
LockSupport.unpark(暂停线程对象); 恢复某个线程的运行，内部是调用UNSAFE.unpark(thread);

基本使用1：先 park 再 unpark

Thread t1 = new Thread(() -> {
    log.debug("start...");
    sleep(1);
    log.debug("park...");
    LockSupport.park();
    log.debug("resume...");
},"t1");
t1.start();

sleep(2);
log.debug("unpark...");
LockSupport.unpark(t1);

输出：
18:42:52.585 c.TestParkUnpark [t1] - start... 
18:42:53.589 c.TestParkUnpark [t1] - park... 
18:42:54.583 c.TestParkUnpark [main] - unpark... 
18:42:54.583 c.TestParkUnpark [t1] - resume...

基本使用2：先 unpark 再 park

Thread t1 = new Thread(() -> {
    log.debug("start...");
    sleep(2);
    log.debug("park...");
    LockSupport.park();
    log.debug("resume...");
}, "t1");
t1.start();

sleep(1);
log.debug("unpark...");
LockSupport.unpark(t1);

输出：
18:43:50.765 c.TestParkUnpark [t1] - start... 
18:43:51.764 c.TestParkUnpark [main] - unpark... 
18:43:52.769 c.TestParkUnpark [t1] - park... 
18:43:52.769 c.TestParkUnpark [t1] - resume...

与 Object 的 wait & notify 相比

wait，notify 和 notifyAll 必须配合 Object Monitor 一起使用，而 park，unpark 不必
park & unpark 是以线程为单位来【阻塞】和【唤醒】线程，而 notify 只能随机唤醒一个等待线程，notifyAll 是唤醒所有等待线程，就不那么【精确】
park & unpark 可以先 unpark，而 wait & notify 不能先 notify

原理之 park & unpark

重新理解线程状态转换

todo

多把锁

一间大屋子有两个功能：睡觉、学习，互不相干。
现在小南要学习，小女要睡觉，但如果只用一间屋子（一个对象锁）的话，那么并发度很低
解决方法是准备多个房间（多个对象锁）

活跃性

死锁
有这样的情况：一个线程需要同时获取多把锁，这时就容易发生死锁
t1 线程获得 A对象锁，接下来想获取 B对象的锁，t2 线程获得 B对象锁，接下来想获取 A对象的锁，如下所示：

ReentrantLock

同步模式之顺序控制

共享模型之内存

上一章讲解的 Monitor 主要关注的是访问共享变量时，保证临界区代码的原子性
这一章我们进一步深入学习共享变量在多线程间的【可见性】问题与多条指令执行时的【有序性】问题

Java 内存模型

JMM 即 Java Memory Model，它定义了主存、工作内存抽象概念，底层对应着 CPU 寄存器、缓存、硬件内存、CPU 指令优化等。体现在以下几个方面

原子性 - 保证指令不会受到线程上下文切换的影响
可见性 - 保证指令不会受 cpu 缓存的影响
有序性 - 保证指令不会受 cpu 指令并行优化的影响

可见性

先来看一个现象，main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见，导致了 t 线程无法停止：

static boolean run = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t = new Thread(()->{
        while(run){
            // ....
        }
    });
    t.start();

    sleep(1);
    run = false; // 线程t不会如预想的停下来
}

初始状态， t 线程刚开始从主内存读取了 run 的值到工作内存。
因为 t 线程要频繁从主内存中读取 run 的值，JIT 编译器会将 run 的值缓存至自己工作内存中的高速缓存中，减少对主存中 run 的访问，提高效率
1 秒之后，main 线程修改了 run 的值，并同步至主存，而 t 是从自己工作内存中的高速缓存中读取这个变量的值，结果永远是旧值

解决方法: volatile（易变关键字），它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存

可见性 vs 原子性

可见性保证的是在多个线程之间，一个线程对 volatile 变量的修改对另一个线程可见，不能保证原子性，比较一下两个线程一个 i++ 一个 i– ，只能保证看到最新值，不能解决指令交错
synchronized 语句块既可以保证代码块的原子性，也同时保证代码块内变量的可见性。但缺点是synchronized 是属于重量级操作，性能相对更低

如果在前面示例的死循环中加入 System.out.println() 会发现即使不加 volatile 修饰符，线程 t 也能正确看到对 run 变量的修改了，想一想为什么？
因为println中加了synchronized，如下所示：

public void println(boolean x) {
    synchronized (this) {
        print(x);
        newLine();
    }
}

原理之 CPU 缓存结构
模式之两阶段终止
模式之 Balking

有序性

JVM 会在不影响正确性的前提下，可以调整语句的执行顺序，这种特性称之为『指令重排』，多线程下『指令重排』会影响正确性。
为什么要有重排指令这项优化呢？从 CPU执行指令的原理来理解一下吧

原理之指令级并行

诡异的结果

int num = 0;
boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {
    if(ready) {
        r.r1 = num + num;
    } else {
        r.r1 = 1;
    }
}
// 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) {
    num = 2;
    ready = true;
}

I_Result 是一个对象，有一个属性 r1 用来保存结果，问，可能的结果有几种？

有同学这么分析

情况1：线程1 先执行，这时 ready = false，所以进入 else 分支结果为 1
情况2：线程2 先执行 num = 2，但没来得及执行 ready = true，线程1 执行，还是进入 else 分支，结果为1
情况3：线程2 执行到 ready = true，线程1 执行，这回进入 if 分支，结果为 4（因为 num 已经执行过了）
但结果还有可能是 0，这种情况下是：线程2 执行 ready = true，切换到线程1，进入 if 分支，相加为 0，再切回线程2 执行 num = 2

这种现象叫做指令重排，是 JIT 编译器在运行时的一些优化，这个现象需要通过大量测试才能复现：
借助 java 并发压测工具 jcstress https://wiki.openjdk.java.net/display/CodeTools/jcstress
我们能发现不同情况出现的次数，出现结果为 0 的情况很少，但是出现了

解决方法：volatile 修饰ready变量，可以禁用指令重排，volatile 的底层实现原理是内存屏障，Memory Barrier（Memory Fence）

对 volatile 变量的写指令后会加入写屏障，写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
对 volatile 变量的读指令前会加入读屏障，读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

原理之 volatile

happens-before

happens-before 规定了对共享变量的写操作对其它线程的读操作可见，它是可见性与有序性的一套规则总结，抛开以下 happens-before 规则，JMM 并不能保证一个线程对共享变量的写，对于其它线程对该共享变量的读可见

程序次序规则：在一个线程内一段代码的执行结果是有序的。就是还会指令重排，但是随便它怎么排，结果是按照我们代码的顺序生成的不会变。
管程锁定规则：对于使用synchronized时的同一个锁对象m，线程解锁 m 之前对变量的写，对于接下来对 m 加锁的其它线程对该变量的读可见
volatile变量规则：线程对 volatile 变量的写，对接下来其它线程对该变量的读可见
线程启动规则：线程 start 前对变量的写，该线程 start 后对该变量的读可见
线程结束规则：线程结束前对变量的写，对其它线程得知它结束后的读可见（比如其它线程调用 t1.isAlive() 或 t1.join()等待它结束）
线程中断规则：线程 t1 打断 t2（interrupt）前对变量的写，对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见（通过t2.interrupted 或 t2.isInterrupted）
传递性规则：具有传递性，如果 x hb-> y 并且 y hb-> z 那么有 x hb-> z ，配合 volatile 的防指令重排，有下面的例子
对象终结规则：一个对象的初始化的完成，也就是构造函数执行的结束一定先发生于它的finalize()方法。

同步模式之 Balking
模式之线程安全的单例

共享模型之无锁

CAS 与 volatile
原子整数
原子引用
原子累加器
Unsafe

问题提出

有如下需求，保证 account.withdraw 取款方法的线程安全

interface Account {
    // 获取余额
    Integer getBalance();

    // 取款
    void withdraw(Integer amount);

    /**
     * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
     * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
     */
    static void demo(Account account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(account.getBalance()
                + " cost: " + (end - start) / 1000_000 + " ms");
    }
}

原有实现并不是线程安全的

class AccountUnsafe implements Account {
    private Integer balance;

    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }

    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance;
    }

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        balance -= amount;
    }
}

为什么不安全? withdraw 方法字节码指令如下：

ALOAD 0                                                         // <- this
ALOAD 0
GETFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance : Ljava/lang/Integer;  // <- this.balance
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue ()I                    // 拆箱
ALOAD 1                                                         // <- amount
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue ()I                    // 拆箱
ISUB                                                            // 减法
INVOKESTATIC java/lang/Integer.valueOf (I)Ljava/lang/Integer;   // 结果装箱
PUTFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance : Ljava/lang/Integer;  // -> this.balance

多线程执行时，指令交错导致

解决思路1-锁

给withdraw方法加synchronized

解决思路2-无锁

class AccountSafe implements Account {
    private AtomicInteger balance;

    public AccountSafe(Integer balance) {
        this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }

    @Override
    public Integer getBalance() {
        return balance.get();
    }

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        while (true) {
            int prev = balance.get();
            int next = prev - amount;
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
        // 可以简化为下面的方法
        // balance.addAndGet(-1 * amount);
    }
}

CAS 与 volatile

前面看到的 AtomicInteger 的解决方法，内部并没有用锁来保护共享变量的线程安全。那么它是如何实现的呢？

其中的关键是 compareAndSet，它的简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作。
其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交换】的原子性。
在多核状态下，某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。

CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果

获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。
它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取
它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见。
volatile 仅仅保证了共享变量的可见性，让其它线程能够看到最新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）

为什么无锁效率高

无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，稍后可以再次重试，而 synchronized 会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。打个比喻线程就好像高速跑道上的赛车，高速运行时，速度超快，一旦发生上下文切换，就好比赛车要减速、熄火，等被唤醒又得重新打火、启动、加速… 恢复到高速运行，代价比较大
但无锁情况下，线程仍然要服从CPU时间片使用的调度，即CPU时间片用完还是会发生上下文切换的。

CAS 的特点：

结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下。
CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。
synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。
CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，请仔细体会这两句话的意思
- 因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
- 但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

原子整数

J.U.C 并发包提供了：AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong

以 AtomicInteger 为例

AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
// 获取并自增（i = 0, 结果 i = 1, 返回 0），类似于 i++
System.out.println(i.getAndIncrement());
// 自增并获取（i = 1, 结果 i = 2, 返回 2），类似于 ++i
System.out.println(i.incrementAndGet());
// 自减并获取（i = 2, 结果 i = 1, 返回 1），类似于 --i
System.out.println(i.decrementAndGet());
// 获取并自减（i = 1, 结果 i = 0, 返回 1），类似于 i--
System.out.println(i.getAndDecrement());
// 获取并加值（i = 0, 结果 i = 5, 返回 0）
System.out.println(i.getAndAdd(5));
// 加值并获取（i = 5, 结果 i = 0, 返回 0）
System.out.println(i.addAndGet(-5));
// 获取并更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.getAndUpdate(p -> p - 2));
// 更新并获取（i = -2, p 为 i 的当前值, 结果 i = 0, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.updateAndGet(p -> p + 2));
// 获取并计算（i = 0, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 10, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
// getAndUpdate 如果在 lambda 中引用了外部的局部变量，要保证该局部变量是 final 的
// getAndAccumulate 可以通过 参数1 来引用外部的局部变量，但因为其不在 lambda 中因此不必是 final
System.out.println(i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x));
// 计算并获取（i = 10, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 0, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.accumulateAndGet(-10, (p, x) -> p + x));

原子引用

为什么需要原子引用类型？

AtomicReference
AtomicMarkableReference
AtomicStampedReference

下面通过实例说明AtomicReference用法，之前Account的余额是整数，现改为BigDecimal


public interface DecimalAccount {
    // 获取余额
    BigDecimal getBalance();

    // 取款
    void withdraw(BigDecimal amount);

    /**
     * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
     * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
     */
    static void demo(DecimalAccount account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(BigDecimal.TEN);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        System.out.println(account.getBalance());
    }
}

解决思路1-锁

class DecimalAccountSafeLock implements DecimalAccount {
    private final Object lock = new Object();
    BigDecimal balance;

    public DecimalAccountSafeLock(BigDecimal balance) {
        this.balance = balance;
    }

    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance;
    }

    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        synchronized (lock) {
            BigDecimal balance = this.getBalance();
            this.balance = balance.subtract(amount);
        }
    }
}

解决思路2-使用 CAS

public class DecimalAccountSafeCas implements DecimalAccount {
    AtomicReference<BigDecimal> ref;

    public DecimalAccountSafeCas(BigDecimal balance) {
        ref = new AtomicReference<>(balance);
    }

    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return ref.get();
    }

    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        while (true) {
            BigDecimal prev = ref.get();
            BigDecimal next = prev.subtract(amount);
            if (ref.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}

ABA 问题及解决

ABA 问题: 如下代码主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又改回 A 的情况

static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    log.debug("main start...");
    // 获取值 A
    // 这个共享变量被它线程修改过？
    String prev = ref.get();
    other();
    sleep(1);

    // 尝试改为 C
    log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C"));
}

private static void other() {
    new Thread(() -> {
        log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));
    }, "t1").start();
    
    sleep(0.5);

    new Thread(() -> {
        log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));
    }, "t2").start();
}

如果主线程希望：只要有其它线程【动过了】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号
可通过AtomicStampedReference来实现

static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    log.debug("main start...");
    // 获取值 A
    String prev = ref.getReference();
    // 获取版本号
    int stamp = ref.getStamp();
    log.debug("版本 {}", stamp);

    // 如果中间有其它线程干扰，发生了 ABA 现象
    other();
    
    sleep(1);
    // 尝试改为 C
    log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));  // change A->C false
}

private static void other() {
    new Thread(() -> {
        log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B",
                ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
        log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
    }, "t1").start();

    sleep(0.5);
    new Thread(() -> {
        log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A",
                ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
        log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
    }, "t2").start();
}

AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如： A -> B -> A -> C ，通过AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次。
但是有时候，并不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心是否更改过，所以就有了AtomicMarkableReference，用一个布尔值来表示是否被修改过。

原子数组

AtomicIntegerArray
AtomicLongArray
AtomicReferenceArray

todo

字段更新器

AtomicReferenceFieldUpdater // 域字段
AtomicIntegerFieldUpdater
AtomicLongFieldUpdater

利用字段更新器，可以针对对象的某个域（Field）进行原子操作，只能配合 volatile 修饰的字段使用，否则会出现异常

class Test5 {
    private volatile int field;

    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerFieldUpdater fieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Test5.class, "field");
        Test5 test5 = new Test5();
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 0, 10);
        // 修改成功 field = 10
        System.out.println(test5.field);
        // 修改成功 field = 20
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 20);
        System.out.println(test5.field);
        // 修改失败 field = 20
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 30);
        System.out.println(test5.field);
    }
}

原子累加器

累加器性能比较

public static void main(String[] args) {
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        demo(() -> new LongAdder(), adder -> adder.increment());
    }

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        demo(() -> new AtomicLong(), adder -> adder.getAndIncrement());
    }
}

private static <T> void demo(Supplier<T> adderSupplier, Consumer<T> action) {
    T adder = adderSupplier.get();
    long start = System.nanoTime();
    List<Thread> ts = new ArrayList<>();
    // 4 个线程，每人累加 50 万
    for (int i = 0; i < 40; i++) {
        ts.add(new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 500000; j++) {
                action.accept(adder);
            }
        }));
    }
    ts.forEach(t -> t.start());
    ts.forEach(t -> {
        try {
            t.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    long end = System.nanoTime();
    System.out.println(adder + " cost:" + (end - start) / 1000_000);
}

输出：
20000000 cost:462
20000000 cost:56
20000000 cost:51
20000000 cost:49
20000000 cost:50

20000000 cost:627
20000000 cost:615
20000000 cost:635
20000000 cost:592
20000000 cost:479

性能提升的原因很简单，就是在有竞争时，设置多个累加单元，Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加Cell[1]… 最后将结果汇总。这样它们在累加时操作的不同的 Cell 变量，因此减少了 CAS 重试失败，从而提高性能。
LongAdder 是并发大师 @author Doug Lea （大哥李）的作品，设计的非常精巧。

原理之伪共享
LongAdder 源码

Unsafe

Unsafe 对象提供了非常底层的，操作内存、线程的方法，Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获得


import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;

public class UnsafeAccessor {
    static Unsafe unsafe;

    static {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    static Unsafe getUnsafe() {
        return unsafe;
    }
}

Unsafe CAS 操作:

@Data
class Student {
    volatile int id;
    volatile String name;
}

Unsafe unsafe = UnsafeAccessor.getUnsafe();
Field id = Student.class.getDeclaredField("id");
Field name = Student.class.getDeclaredField("name");

// 获得成员变量的偏移量
long idOffset = UnsafeAccessor.unsafe.objectFieldOffset(id);
long nameOffset = UnsafeAccessor.unsafe.objectFieldOffset(name);
Student student = new Student();

// 使用 cas 方法替换成员变量的值
UnsafeAccessor.unsafe.compareAndSwapInt(student, idOffset, 0, 20); // 返回 true
UnsafeAccessor.unsafe.compareAndSwapObject(student, nameOffset, null, "张三"); // 返回 true
System.out.println(student);

输出：Student(id=20, name=张三)
```        

使用自定义的 AtomicData 实现之前线程安全的原子整数 Account 实现
```java
class AtomicData {
    private volatile int data;
    static final Unsafe unsafe;
    static final long DATA_OFFSET;

    static {
        unsafe = UnsafeAccessor.getUnsafe();
        try {
            // data 属性在 DataContainer 对象中的偏移量，用于 Unsafe 直接访问该属性
            DATA_OFFSET = unsafe.objectFieldOffset(AtomicData.class.getDeclaredField("data"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    public AtomicData(int data) {
        this.data = data;
    }

    public void decrease(int amount) {
        int oldValue;
        while (true) {
            // 获取共享变量旧值，可以在这一行加入断点，修改 data 调试来加深理解
            oldValue = data;
            // cas 尝试修改 data 为 旧值 + amount，如果期间旧值被别的线程改了，返回 false
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue - amount)) {
                return;
            }
        }
    }

    public int getData() {
        return data;
    }
}

Account.demo(new Account() {
    AtomicData atomicData = new AtomicData(10000);
    @Override
    public Integer getBalance() {
        return atomicData.getData();
    }
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        atomicData.decrease(amount);
    }
});

共享模型之不可变

不可变类的使用
不可变类设计
无状态类设计

日期转换的问题

下面的代码在运行时，由于 SimpleDateFormat 不是线程安全的

SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    new Thread(() -> {
        try {
            log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
        } catch (Exception e) {
            log.error("{}", e);
        }
    }).start();
}

思路 - 同步锁: 这样虽能解决问题，但带来的是性能上的损失，并不算很好

SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
for (int i = 0; i < 50; i++) {
    new Thread(() -> {
        synchronized (sdf) {
            try {
                log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
            } catch (Exception e) {
                log.error("{}", e);
            }
        }
    }).start();
}

思路 - 不可变: 如果一个对象在不能够修改其内部状态（属性），那么它就是线程安全的，因为不存在并发修改啊！这样的对象在Java 中有很多，例如在 Java 8 后，提供了一个新的日期格式化类：

DateTimeFormatter dtf = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd");
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    new Thread(() -> {
        LocalDate date = dtf.parse("2018-10-01", LocalDate::from);
        log.debug("{}", date);
    }).start();
}

可以看 DateTimeFormatter 的文档：

1 2	@implSpec This class is immutable and thread-safe.

不可变对象，实际是另一种避免竞争的方式。

不可变设计

另一个大家更为熟悉的 String 类也是不可变的，以它为例，说明一下不可变设计的要素

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];

    ...
}

final 的使用

发现String该类、类中所有属性都是 final 的

属性用 final 修饰保证了该属性是只读的，不能修改
类用 final 修饰保证了该类中的方法不能被覆盖，防止子类无意间破坏不可变性

保护性拷贝

但有同学会说，使用字符串时，也有一些跟修改相关的方法啊，比如 substring 等，那么下面就看一看这些方法是如何实现的，就以 substring 为例：

public String substring(int beginIndex) {
    if (beginIndex < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
    }
    int subLen = value.length - beginIndex;
    if (subLen < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
    }
    return (beginIndex == 0) ? this : new String(value, beginIndex, subLen);
}

发现其内部是调用 String 的构造方法创建了一个新字符串，再进入这个构造看看，是否对 final char[] value 做出了修改：

public String(char value[], int offset, int count) {
    if (offset < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
    }
    if (count < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
    }
    // Note: offset or count might be near -1>>>1.
    if (offset > value.length - count) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
    }
    this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
}

结果发现也没有，构造新字符串对象时，会生成新的 char[] value，对内容进行复制。这种通过创建副本对象来避免共享的手段称之为【保护性拷贝（defensive copy）】

模式之享元
原理之final

无状态

因为成员变量保存的数据也可以称为状态信息，因此没有成员变量就称之为【无状态】
在 web 阶段学习时，设计 Servlet 时为了保证其线程安全，都会有这样的建议，不要为 Servlet 设置成员变量，这种没有任何成员变量的类是线程安全的

共享模型之工具

线程池 ThreadPoolExecutor

线程池状态：ThreadPoolExecutor 中用一个AtomicInteger类型的私有final成员变量ctl的高 3 位来表示线程池状态，低 29 位表示线程数量

RUNNING：高3位111，接受新任务，处理阻塞队列中的任务
SHUTDOWN：高3位000，不接受新任务，但会处理阻塞队列任务
STOP：高3位001，中断正在执行的任务，并抛弃阻塞队列任务
TIDYING: 高3位010，任务执行完毕，活动线程为0即将进入终结
TERMINATED：高3位011，终结状态

将线程池状态与线程个数合二为一的目的就是可以用一次 cas 原子操作进行赋值

// c 为旧值， ctlOf 返回结果为新值
ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workerCountOf(c))));

// rs 为高 3 位代表线程池状态， wc 为低 29 位代表线程个数，ctl 是合并它们
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

构造方法如下：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, // 核心线程数目, 最多保留的线程数
                            int maximumPoolSize, // 最大线程数目
                            long keepAliveTime, // 生存时间 - 针对救急线程
                            TimeUnit unit, // 时间单位 - 针对救急线程
                            BlockingQueue<Runnable> workQueue, // 阻塞队列
                            ThreadFactory threadFactory, // 线程工厂 - 可以为线程创建时起个好名字
                            RejectedExecutionHandler handler)  // 拒绝策略

工作方式：

线程池中刚开始没有线程，当一个任务提交给线程池后，线程池会创建一个新线程来执行任务。
当线程数达到 corePoolSize 并没有线程空闲，这时再加入任务，新加的任务会被加入workQueue 队列排队，直到有空闲的线程。
如果队列选择了有界队列，那么任务超过了队列大小时，会创建 maximumPoolSize - corePoolSize 数目的线程来救急。
如果线程到达 maximumPoolSize 仍然有新任务这时会执行拒绝策略。拒绝策略 jdk 提供了 4 种实现，其它著名框架也提供了实现
- AbortPolicy 让调用者抛出 RejectedExecutionException 异常，这是默认策略
- CallerRunsPolicy 让调用者运行任务
- DiscardPolicy 放弃本次任务
- DiscardOldestPolicy 放弃队列中最早的任务，本任务取而代之
- Dubbo 的实现，在抛出 RejectedExecutionException 异常之前会记录日志，并 dump 线程栈信息，方便定位问题
- Netty 的实现，是创建一个新线程来执行任务
- ActiveMQ 的实现，带超时等待（60s）尝试放入队列，类似我们之前自定义的拒绝策略
- PinPoint 的实现，它使用了一个拒绝策略链，会逐一尝试策略链中每种拒绝策略
当高峰过去后，超过corePoolSize 的救急线程如果一段时间没有任务做，需要结束节省资源，这个时间由keepAliveTime 和 unit 来控制。

根据这个构造方法，JDK Executors 类中提供了众多工厂方法来创建各种用途的线程池

newFixedThreadPool

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

核心线程数 == 最大线程数（没有救急线程被创建），因此也无需超时时间
阻塞队列是无界的，可以放任意数量的任务

评价：适用于任务量已知，相对耗时的任务

newCachedThreadPool

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                    60L, TimeUnit.SECONDS,
                                    new SynchronousQueue<Runnable>());
}

核心线程数是 0，最大线程数是 Integer.MAX_VALUE，救急线程的空闲生存时间是 60s，意味着全部都是救急线程（60s 后可以回收）且救急线程可以无限创建
队列采用了 SynchronousQueue 实现特点是，它没有容量，没有线程来取是放不进去的（一手交钱、一手交货）

评价：整个线程池表现为线程数会根据任务量不断增长，没有上限，当任务执行完毕，空闲 1分钟后释放线程。适合任务数比较密集，但每个任务执行时间较短的情况

newSingleThreadExecutor

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

自己创建一个单线程串行执行任务，如果任务执行失败而终止那么没有任何补救措施，而线程池还会新建一个线程，保证池的正常工作
使用场景：希望多个任务排队执行。线程数固定为 1，任务数多于 1 时，会放入无界队列排队。任务执行完毕，这唯一的线程也不会被释放。

Executors.newSingleThreadExecutor() 线程个数始终为1，不能修改，其中 FinalizableDelegatedExecutorService 应用的是装饰器模式，只对外暴露了 ExecutorService 接口，因此不能调用 ThreadPoolExecutor 中特有的方法
Executors.newFixedThreadPool(1) 初始时为1，以后还可以修改对外暴露的是 ThreadPoolExecutor 对象，可以强转后调用 setCorePoolSize 等方法进行修改

提交任务方式

// 执行任务
void execute(Runnable command);

// 提交任务 task，用返回值 Future 获得任务执行结果
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);

// 提交 tasks 中所有任务
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException;

// 提交 tasks 中所有任务，带超时时间
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

// 提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks) throws InterruptedException, ExecutionException;

// 提交 tasks 中所有任务，哪个任务先成功执行完毕，返回此任务执行结果，其它任务取消，带超时时间
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

关闭线程池

shutdown()

/*
线程池状态变为 SHUTDOWN
- 不会接收新任务
- 但已提交任务会执行完
- 此方法不会阻塞调用线程的执行
*/
public void shutdown() {
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        checkShutdownAccess(); 
        advanceRunState(SHUTDOWN); // 修改线程池状态SHUTDOWN
        interruptIdleWorkers(); // 仅会打断空闲线程
        onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
    tryTerminate(); // 尝试终结(没有运行的线程可以立刻终结，如果还有运行的线程也不会等)
}

shutdownNow()

/*
线程池状态变为 STOP
- 不会接收新任务
- 会将队列中的任务返回
- 并用 interrupt 的方式中断正在执行的任务
*/
public List<Runnable> shutdownNow() {
    List<Runnable> tasks;
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        checkShutdownAccess();
        advanceRunState(STOP); // 修改线程池状态STOP
        interruptWorkers(); // 打断所有线程
        tasks = drainQueue(); // 获取队列中剩余任务,最后返回
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
    tryTerminate();
    return tasks;
}

其他方法

// 不在 RUNNING 状态的线程池，此方法就返回 true
boolean isShutdown();

// 线程池状态是否是 TERMINATED
boolean isTerminated();

// 调用 shutdown 后，由于调用线程并不会等待所有任务运行结束，因此如果它想在线程池 TERMINATED 后做些事情，可以利用此方法等待
boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

模式之 Worker Thread

ScheduledThreadPoolExecutor

在『任务调度线程池』功能加入之前，可以使用 java.util.Timer 来实现定时功能，Timer 的优点在于简单易用，但由于所有任务都是由同一个线程来调度，因此所有任务都是串行执行的，同一时间只能有一个任务在执行，前一个任务的延迟或异常都将会影响到之后的任务。

public static void main(String[] args) {
    Timer timer = new Timer();
    TimerTask task1 = new TimerTask() {
        @Override
        public void run() {
            log.debug("task 1");
            sleep(2);
        }
    };
    TimerTask task2 = new TimerTask() {
        @Override
        public void run() {
            log.debug("task 2");
        }
    };
    
    // 使用 timer 添加两个任务，希望它们都在 1s 后执行
    // 但由于 timer 内只有一个线程来顺序执行队列中的任务，因此『任务1』的延时，影响了『任务2』的执行
    timer.schedule(task1, 1000); // 1s后开始执行
    timer.schedule(task2, 1000); // 3s后开始执行
}

使用 ScheduledExecutorService 改写后，1s后两个任务同时开始执行：

ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(2);
        
// 添加两个任务，希望它们都在 1s 后执行
executor.schedule(() -> {
    System.out.println("任务1，执行时间：" + new Date());
    try {
        Thread.sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
    }
}, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);

executor.schedule(() -> {
    System.out.println("任务2，执行时间：" + new Date());
}, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);

scheduleAtFixedRate 例子：

ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
log.debug("start...");

pool.scheduleAtFixedRate(() -> {
    log.debug("running...");
}, 1, 1, TimeUnit.SECONDS); // 第1个1是首次延迟时间，第2个1是周期执行时间

scheduleAtFixedRate 例子（任务执行时间超过了间隔时间）：

ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
log.debug("start...");

pool.scheduleAtFixedRate(() -> {
    log.debug("running...");
    sleep(2);
}, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);

输出分析：一开始，延时 1s，接下来，由于任务执行时间 > 间隔时间，间隔被『撑』到了 2s

scheduleWithFixedDelay 例子：

ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
log.debug("start...");

pool.scheduleWithFixedDelay(()-> {
    log.debug("running...");
    sleep(2);
}, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);

输出分析：一开始，延时 1s，scheduleWithFixedDelay 的间隔是 上一个任务结束后开始计时延时时间，然后下一个任务开始，所以间隔都是 3s

ScheduledThreadPoolExecutor构造方法

public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
    super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
            new DelayedWorkQueue());
}

评价: 整个线程池表现为：线程数固定，任务数多于线程数时，会放入无界队列排队。任务执行完毕，这些线程也不会被释放。用来执行延迟或反复执行的任务

正确处理执行任务异常

方法1：主动捉异常

ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
pool.submit(() -> {
    try {
        log.debug("task1");
        int i = 1 / 0;
    } catch (Exception e) {
        log.error("error:", e);
    }
});

方法2：使用 Future

ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
Future<Boolean> f = pool.submit(() -> {
    log.debug("task1");
    int i = 1 / 0;
    return true;
});
log.debug("result:{}", f.get());

应用之定时任务

Tomcat 线程池

todo

Fork/Join

Fork/Join 是 JDK 1.7 加入的新的线程池实现，它体现的是一种分治思想，适用于能够进行任务拆分的 cpu 密集型运算
所谓的任务拆分，是将一个大任务拆分为算法上相同的小任务，直至不能拆分可以直接求解。跟递归相关的一些计算，如归并排序、斐波那契数列、都可以用分治思想进行求解
Fork/Join 在分治的基础上加入了多线程，可以把每个任务的分解和合并交给不同的线程来完成，进一步提升了运算效率
Fork/Join 默认会创建与 cpu 核心数大小相同的线程池

使用: 提交给 Fork/Join 线程池的任务需要继承 RecursiveTask（有返回值）或 RecursiveAction（没有返回值），例如下面定义了一个对 1~n 之间的整数求和的任务

class AddTask1 extends RecursiveTask<Integer> {
    int n;

    public AddTask1(int n) {
        this.n = n;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "{" + n + '}';
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        // 如果 n 已经为 1，可以求得结果了
        if (n == 1) {
            log.debug("join() {}", n);
            return n;
        }

        // 将任务进行拆分(fork)
        AddTask1 t1 = new AddTask1(n - 1);
        t1.fork();
        log.debug("fork() {} + {}", n, t1);

        // 合并(join)结果
        int result = n + t1.join();
        log.debug("join() {} + {} = {}", n, t1, result);
        return result;
    }
}

// 提交给 ForkJoinPool 来执行，计算1-5个数的和
public static void main(String[] args) {
    ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool(4);
    System.out.println(pool.invoke(new AddTask1(5)));
}

用图表示如下：

改进：

class AddTask3 extends RecursiveTask<Integer> {

    int begin;
    int end;

    public AddTask3(int begin, int end) {
        this.begin = begin;
        this.end = end;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "{" + begin + "," + end + '}';
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        // 5, 5
        if (begin == end) {
            log.debug("join() {}", begin);
            return begin;
        }
        // 4, 5
        if (end - begin == 1) {
            log.debug("join() {} + {} = {}", begin, end, end + begin);
            return end + begin;
        }

        // 1 5
        int mid = (end + begin) / 2; // 3
        AddTask3 t1 = new AddTask3(begin, mid); // 1,3
        t1.fork();
        AddTask3 t2 = new AddTask3(mid + 1, end); // 4,5
        t2.fork();
        log.debug("fork() {} + {} = ?", t1, t2);

        int result = t1.join() + t2.join();
        log.debug("join() {} + {} = {}", t1, t2, result);
        return result;
    }
}

// 提交给 ForkJoinPool 来执行，计算1-10个数的和
public static void main(String[] args) {
    ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool(4);
    System.out.println(pool.invoke(new AddTask3(1, 10)));
}

用图表示如下：

J.U.C

AQS 原理
ReentrantLock 原理

读写锁

应用之缓存
读写锁原理

StampedLock

Semaphore

Semaphore 应用
Semaphore 原理

CountdownLatch

应用之同步等待多线程准备完毕
应用之同步等待多个远程调用结束

CyclicBarrier

CyclicBarrier内部使用ReentrantLock和Condition组合实现。

线程安全集合类概述

线程安全集合类可以分为三大类：

遗留的线程安全集合如 Hashtable ， Vector，方法都用synchronize修饰
使用 Collections 装饰的线程安全集合，通过this加synchronize锁，方法还是调用被装饰集合的相应方法
- Collections.synchronizedCollection
- Collections.synchronizedList
- Collections.synchronizedMap
- Collections.synchronizedSet
- Collections.synchronizedNavigableMap
- Collections.synchronizedNavigableSet
- Collections.synchronizedSortedMap
- Collections.synchronizedSortedSet
java.util.concurrent.*

重点介绍 java.util.concurrent.* 下的线程安全集合类，可以发现它们有规律，里面包含三类关键词：locking、CopyOnWrite、Concurrent

Blocking 大部分实现基于锁，并提供用来阻塞的方法
CopyOnWrite 之类容器修改开销相对较重
Concurrent 类型的容器
- 内部很多操作使用 cas 优化，一般可以提供较高吞吐量
- 遍历时弱一致性，例如，当利用迭代器遍历时，如果容器发生修改，迭代器仍然可以继续进行遍历，这时内容是旧的
- 求大小弱一致性，size 操作未必是 100% 准确

PS: 对于非安全容器来讲，遍历时如果发生了修改，使用 fail-fast 机制也就是让遍历立刻失败，抛出ConcurrentModificationException，不再继续遍历

ConcurrentHashMap

BlockingQueue

ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue 的设计与 LinkedBlockingQueue 非常像，也是

两把【锁】，同一时刻，可以允许两个线程同时（一个生产者与一个消费者）执行
dummy 节点的引入让两把【锁】将来锁住的是不同对象，避免竞争，只是这【锁】使用了 cas 来实现

事实上，ConcurrentLinkedQueue 应用还是非常广泛的，例如之前讲的 Tomcat 的 Connector 结构时，Acceptor 作为生产者向 Poller 消费者传递事件信息时，正是采用了ConcurrentLinkedQueue 将 SocketChannel 给 Poller 使用

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArraySet 是它的马甲
底层实现采用了写入时拷贝的思想，增删改操作会将底层数组拷贝一份，更改操作在新数组上执行，这时不影响其它线程的并发读，读写分离，适合『读多写少』的应用场景。

新增实现如下，这里的源码版本是 Java 8，使用的是可重入锁，在 Java 11 中使用的是 synchronized

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray(); // 获取旧的数组
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 拷贝新的数组（这里是比较耗时的操作，但不影响其它读线程）
        newElements[len] = e;  // 添加新元素
        setArray(newElements);  // 替换旧的数组
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

其它读操作并未加锁，例如foreach：

public void forEach(Consumer<? super E> action) {
    if (action == null) throw new NullPointerException();
    Object[] elements = getArray();
    int len = elements.length;
    for (int i = 0; i < len; ++i) {
        @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) elements[i];
        action.accept(e);
    }
}

它的读取是弱一致性的，如下以get为例说明：

上图两个线程分别执行get(0)和remove(0)，执行流程如下时，就会出现读取弱一致性问题

线程0获取旧数组的地址
线程1获取旧数组，并copy一份新的
线程1移除0下标处元素，更新容器中的数组引用为新数组地址
线程0此时还是持有旧地址，所以还能获取到1，造成不一致

迭代器弱一致性

CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
Iterator<Integer> iter = list.iterator();

new Thread(() -> {
    list.remove(0); // 此处会拷贝新数组
    System.out.println(list);
}).start();

Thread.sleep(1000);

while (iter.hasNext()) {
    System.out.println(iter.next()); // 此处遍历的旧数组
}

不要觉得弱一致性就不好

数据库的 MVCC 都是弱一致性的表现
并发高和一致性是矛盾的，需要权衡

进程与线程

进程

线程

二者对比

线程上下文切换（Thread Context Switch）

并行与并发

应用之异步调用（案例1）

应用之提高效率（案例1）

Java 线程

创建和运行线程

共享模型之管程

临界区 Critical Section

竞态条件 Race Condition

synchronized 解决方案

变量的线程安全分析

常见线程安全类

实例分析

卖票、转账实例

Monitor 概念

wait/notify

Park/Unpark

重新理解线程状态转换

多把锁

活跃性

ReentrantLock

共享模型之内存

Java 内存模型

可见性

有序性

诡异的结果

happens-before

共享模型之无锁

问题提出

解决思路1-锁

解决思路2-无锁

CAS 与 volatile

原子整数

原子引用

ABA 问题及解决

原子数组

字段更新器

原子累加器

Unsafe

共享模型之不可变

日期转换的问题

不可变设计

final 的使用

保护性拷贝

无状态

共享模型之工具

线程池 ThreadPoolExecutor

newFixedThreadPool

newCachedThreadPool

newSingleThreadExecutor

提交任务方式

关闭线程池

ScheduledThreadPoolExecutor

正确处理执行任务异常

Tomcat 线程池

Fork/Join

J.U.C

读写锁

StampedLock

Semaphore

CountdownLatch

CyclicBarrier

线程安全集合类概述

ConcurrentHashMap

BlockingQueue

ConcurrentLinkedQueue

CopyOnWriteArrayList

参考资料