目錄

0、插播2020CSDN博客之星投票新聞

一、開篇

二、并發與并行

三、并發程式帶來關鍵問題

1、資料競爭

2、死鎖

3、活鎖

4、資源不足

5、優先權反轉

四、Java并發API（詳細）

1、基本并發類

2、同步機制

3、執行器

4、Fork/Join框架

5、并發資料結構

五、并發設計模式

1、信號模型

2、會合模式

3、互斥模式

4、讀寫鎖模式

5、執行緒池模式

6、執行緒區域存盤模式

六、最后總結

0、插播2020CSDN博客之星投票新聞

近日（1月11日-1月24日），2020CSDN博客之星評選正在火熱進行中，作為碼齡1年的小白有幸入選Top 200，首先很感謝CSDN官方把我選上，本來以為只是來湊熱鬧，看大佬們PK ^_^#，

綜合過去4天大佬們戰況，前十名大佬坐得很穩，不得不令人佩服點贊！真正的實力可以看出，文章數量不重要，更重要的是質量！一切用資料說話，如圖：

截至 2021-01-15 14:40:01

看了大佬的驚人資料，與我差距甚大，不禁感慨，小白只希望進Top 100，希望看到這條新聞的大佬、朋友們、粉絲們、和我一樣的小白們，能頂我一下，為我投全票，新年一起加油進步，萬事如意！^_^#

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一、開篇

在我之前寫的許多關于Java網路編程的博文中，已經初步使用了多執行緒的技術，是java并發的相關應用案例，而現在，需要學習一些關于并發程式設計的原理，弄懂來龍去脈，相對更加深入地理解并發設計原理，而且我發現，前面學習Java網路編程之后，有了實踐性的理解，再學習其相關原理，比較容易理解原理方面的知識，

這一篇記錄一下我學習的重要知識，整理出來感覺更容易看到，也是方便以后重溫學習查看！

二、并發與并行

很奇妙，并發和并行兩個概念在作業系統的課程上有學習過，當時只是在作業系統層面上理論的學習，未涉及實際應用場景和編程語言，現在重溫知識進一步學習，發現理解起來更實際了，

并發和并行概念有許多定義，整理一下好理解的幾個：

并發是指2個或多個活動在同一時間間隔內發生，在多道程式設計中，是指在同一時間段內有多個程式任務同時運行，也就是宏觀上同時執行，微觀上是串行的，

并行是指在微觀上多個任務同時執行，發生在同一個時間點上，顯然，要求多個程式任務并行運行，就需要多個處理器，在單處理器系統中，只有并發而無并行

在單個處理器上采用單核執行多個任務即為并發，作業系統的調度程式會很快從一個任務切換到另一個任務，因此看起來所有任務都是同時運行的，而同一時間在不同處理器或處理器核心上同時執行多個任務，就是并行，

最關鍵的還是并發原理以及設計，在并發中一個重要概念“同步”由此引出，

同步是一種協調兩個或多個任務以獲得預期結果的機制，包括：

1. 控制同步：任務依賴關系，當一個任務的執行需要依賴于另一個任務的結束時，第二個任務不能在前者完成之前開始，
2. 資料訪問同步：當兩個或多個任務訪問共享變數時，在任意時間里，只有一個任務可以訪問該變數，

與同步密切相關的一個概念是臨界段，它是一段代碼，用來保證在任意時間內只有一個任務能夠訪問共享資源，而互斥就是用來保證這個臨界段的機制，

三、并發程式帶來關鍵問題

并發程式的撰寫設計需要在同步/互斥機制上做許多作業，才能保證并發程式正確執行，所以，需要關注下面幾個關鍵問題，

1、資料競爭

簡單來說，就是多個任務對共享變數進行寫入操作，而沒有同步機制的臨界段作為約束，程式就存在資料競爭，

public class Account{
    private float balance;
    public void modify(float difference){
        float value=this.balance;
        this.balance=value+difference;
    }
}

例如，上面的例子，如果存在兩個任務執行同一個Account物件進行modify操作，初始balance=1000，最終應該是3000，但是如果兩個任務同時執行了modify方法的第一條陳述句，又同時執行第二條陳述句，結果變為2000，因此，Account類不是執行緒安全的，沒有實作原子操作和同步機制，

2、死鎖

簡單來講，就是兩個或多個任務正在等待另一執行緒釋放的某個資源，而這個執行緒也正在等待前面的任務釋放的資源，這樣的并發程式就出現了死鎖，

完全滿足以下條件時候，就會導致死鎖，

1. 互斥條件：死鎖中的資源是不可共享的，一個時間段內只有一個任務可以使用該資源，
2. 請求和保持條件：任務已經保持了至少一個資源，但又提出新的請求，而該資源需要等待釋放，此時該任務阻塞等待，同時不會釋放自己獲得的資源，
3. 非剝奪條件：資源只能被那些持有他們的任務釋放，
4. 回圈等待條件：任務1正等待任務2占用的資源，任務2又正在等待任務3占用的資源，……，這樣出現回圈等待，

處理死鎖的方法有：預防、避免、檢測、解除，這四個基本方法都有具體實作的演算法，

3、活鎖

如果系統中有兩個任務，總是因為對方的行為而改變自己的狀態，就會出現活鎖，

舉個栗子，任務1、2都需要資源1、2，此時任務1擁有資源1并加鎖，任務2擁有資源2并加鎖，當他們無法訪問所需資源時候，就釋放自己的資源并開始新的回圈，這樣無限持續下去，兩個任務都不會結束自己的執行程序，

4、資源不足

活鎖就是一種資源不足的情況，當任務在系統中無法獲取所需資源繼續執行任務，

解決方法就是要確保公平原則，

5、優先權反轉

當一個低優先權任務持有高優先權任務所需資源時，就會發生優先權反轉，低優先權的任務會提前執行，

四、Java并發API（詳細）

java包含了豐富的并發API，在并發程式設計時候可以靈活使用，

1、基本并發類

1. Thread類：描述了執行并發Java應用程式的所有執行緒，
2. Runnable介面：Java中創建并發程式的另一種方式，
3. ThreadLocal類：用于存放從屬于某個執行緒的變數，（沒有同步機制時使用）
4. ThreadFactory介面：實作Factory設計模式的基類，用以創建定制執行緒，

2、同步機制

Java并發的同步機制支持定義訪問某個共享資源的臨界段；在某一共同點上同步不同的任務，

1. sychronized關鍵字：可以在一個代碼塊或完整方法中定義一個臨界段，
2. Lock介面：提供更豐富靈活的同步操作，其中ReentantLock用于實作一個條件關聯鎖；ReentantRead-WriteLock將讀寫操作分離；StampedLock包括了控制讀/寫訪問的模式，是Java8新增的特性，

以下幾個比較陌生：

1. CountDownLatch類：允許多個任務等待多項操作的結束，
2. CyclicBarrier類：允許多執行緒在某個共同點上進行同步，
3. Phaser類：允許控制那些被分為多階段的任務的執行，所有任務在完成當前階段分任務前，不能進入下個階段，

3、執行器

1. Executor介面和ExecutorService介面：包括共有的execute方法，
2. ThreadPoolExecutor類：可以定義執行緒池執行器任務的最大數目，
3. ScheduledThreadPoolExecutor類：一種特殊的執行器，在一段延遲之后執行任務或周期性執行任務，
4. Callable介面：提供回傳值的Runnable介面的代替介面，
5. Future介面：包含獲取Callable回傳值并控制其狀態的方法，

4、Fork/Join框架

該框架定義了一種特殊的執行器，尤其針對分治求解問題，提供了一種優化機制，開銷小，主要類和介面：

1. ForkJoinPool：實作了用于運行任務的執行器，
2. ForkJoinTask：可以在上述類中執行的任務，
3. ForkJoinWorkerThread：準備在1類中執行任務的執行緒，

5、并發資料結構

Java中常用的資料結構如：ArrayList、Map、HashMap等都不能在并發程式中使用，因為沒有采取同步機制，不是執行緒安全的，如果自行采用同步機制，程式計算開銷增大，

因此，Java提供了并發程式中特殊的資料結構，屬于執行緒安全，主要有兩個類別：

1. 阻塞型資料結構：包含了阻塞呼叫任務的方法，比如當獲取值時候該資料結果為空，
2. 非阻塞型資料結構：操作可以立即進行，不會阻塞呼叫任務，

常用的并發資料結構（執行緒安全）：

1. ConcurrentHashMap：非阻塞哈希表（關鍵字Concurrent開頭的其他資料結構）
2. ConcurrentLinkedDeque：非阻塞型串列
3. LinkedBlockQueue：阻塞型佇列
4. CopyOnWriteArrayList：讀讀共享、寫寫互斥、讀寫互斥，

• 實作了List介面
• 內部持有一個ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
• 底層是用volatile transient宣告的陣列 array
• 讀寫分離，寫時復制出一個新的陣列，完成插入、修改或者移除操作后將新陣列賦值給array

5.PriorityBlockingQueue：阻塞型佇列，基于優先級對元素進行排序，

6.AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong和AtomicReference：基本Java資料型別的原子實作，（可使用原子變數代替同步）

五、并發設計模式

1、信號模型

實作該模式課采用信號量或者互斥，Java中的ReentrantLock或Semaphore，或者Object類的wait和notify方法，

public void task1(){
    section1();
    commonObject.notify();
}

public void task2(){
    commonObject.wait();
    section2();
}

section2方法總是在section1之后執行，

2、會合模式

信號模式的推廣，第一個任務將等待第二個任務某個活動的完成，而第二個任務也在等待第一個任務某個活動的完成，區別在于使用到兩個物件，

public void task1(){
    section1_1();
    commonObject1.notify();
    commonObject2.wait();
    section1_2();
}

public void task2(){
    section2_1();
    commonObject2.notify();
    commonObject1.wait();
    section2_2();
}

其中的陳述句順序不能修改，否則可能出現死鎖，

section2_2總是在section1_1后執行， section1_2總是在section2_1后執行.

3、互斥模式

互斥機制用以實作臨界段，確保操作相互排斥，

public void task1() {
    preSection();
    try {
        lockObject.lock();//臨界段開始
        section();
    }catch (Exception e){
        ……
    }finally {
        lockObject.unlock();//臨界段結束
        postSection();
    }
}

4、讀寫鎖模式

該模式定義了一種特殊的鎖，包含兩個內部鎖：一個用于讀操作，一個用于寫操作，

鎖的特點：讀讀共享、寫寫互斥、讀寫互斥，

Java并發API的ReentrantReadWriteLock類實作了這種模式

5、執行緒池模式

該模式應用廣泛，減少了每次為每個任務創建執行緒的開銷，它是由一個執行緒集合和一個待執行任務佇列構成，ExceutorService介面可以實作該模式，

6、執行緒區域存盤模式

Java中的ThreadLocal類實作了執行緒區域變數，可以使用執行緒區域存盤，每個執行緒會訪問該變數不同實體，

六、最后總結

并發演算法設計遵循：

1、使用執行緒安全的Java并發API

2、在靜態類和共享場合使用區域執行緒變數

3、避免死鎖：對鎖排序

4、使用原子變數

這一篇我記錄了學習并發設計原理的關鍵知識，還有一些常用重要的Java并發編程API，在學習理論知識后，對這個部分有了更深層的理解，如果能夠加上實踐專案或者具體地案例分析，才能算真正掌握，因此，我也找了比較實際的案例進行實踐——檔案搜索，將在下一篇的博客進行詳細記錄，希望理論+實踐結合，知識的理解更進一步！

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