并发编程之入门

前言

​ 并发编程并非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很是零散，相关度也很低，总给你一种这样的感受：我已经学习不少相关技术了，可仍是搞不定并发编程。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能够了。一个是“跳出来，看全景”，另外一个是“钻进去，看本质”。

跳出来，看全景

​ 咱们先说“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。因此，你须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。固然，这首要之事就是你创建起一张全景图。

​ 不过，并发编程相关的知识和技术还真是错综复杂，时至今日也尚未一张广泛承认的全景图，也许这正是不少人在并发编程方面难以突破的缘由吧。好在通过多年摸爬滚打，我本身已经“勾勒”出了一张全景图，不必定科学，可是在某种程度上我想它仍是能够指导你学好并发编程的。

在我看来，并发编程领域能够抽象成三个核心问题：分工、同步和互斥。

分工

​ 所谓分工，相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很是关键，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（一种安排工做进程的数学方法），“烧水泡茶”这么简单的事情都这么多说道，更况且是并发编程里的工程问题呢。

​ 既然分工很重要又很复杂，那必定有前辈努力尝试解决过，而且也必定有成果。的确，在并发编程领域这方面的成果仍是很丰硕的。Java SDK 并发包里的 Executor、Fork/Join、Future 本质上都是一种分工方法。除此以外，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。

​ 学习这部份内容，最佳的方式就是和现实世界作对比。例如生产者 - 消费者模式，能够类比一下餐馆里的大厨和服务员，大厨就是生产者，负责作菜，作完放到出菜口，而服务员就是消费者，把作好的菜给你端过来。不过，咱们常常会发现，出菜口有时候一会儿出了好几个菜，服务员是能够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势，生产者一个一个地生产数据，而消费者能够批处理，这样就提升了性能。

同步

​ 分好工以后，就是具体执行了。在项目执行过程当中，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能够开工了，后续工做怎么知道能够开工了呢？这个就是靠沟通协做了，这是一项很重要的工做。

​ 在并发编程领域里的同步，主要指的就是线程间的协做，本质上和现实生活中的协做没区别，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。

​ 协做通常是和分工相关的。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做的问题。例如，用 Future 能够发起一个异步调用，当主线程经过 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做，Future 工具类已经帮咱们解决了。除此以外，Java SDK 里提供的 CountDownLatch、CyclicBarrier、Phaser、Exchanger 也都是用来解决线程协做问题的。

​ 工做中遇到的线程协做问题，基本上均可以描述为这样的一个问题：当某个条件不知足时，线程须要等待，当某个条件知足时，线程须要被唤醒执行。例如，在生产者 - 消费者模型里，也有相似的描述，“当队列满时，生产者线程等待，当队列不满时，生产者线程须要被唤醒执行；当队列空时，消费者线程等待，当队列不空时，消费者线程须要被唤醒执行。”

​ 在 Java 并发编程领域，解决协做问题的核心技术是管程，上面提到的全部线程协做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，除了能解决线程协做问题，还能解决下面咱们将要介绍的互斥问题。能够这么说，管程是解决并发问题的万能钥匙。

因此说，这部份内容的学习，关键是理解管程模型，学好它就能够解决全部问题。其次是了解 Java SDK 并发包提供的几个线程协做的工具类的应用场景，用好它们能够妥妥地提升你的工做效率。

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，结果是不肯定的。不肯定，则意味着可能正确，也可能错误，事先是不知道的。而致使不肯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，咱们能够避免可见性问题、有序性问题，可是还不足以彻底解决线程安全问题。解决线程安全问题的核心方案仍是互斥。

​ 所谓互斥，指的是同一时刻，只容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 里的各类 Lock 都能解决互斥问题。虽然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可能提升性能呢？能够分场景优化，Java SDK 里提供的 ReadWriteLock、StampedLock 就能够优化读多写少场景下锁的性能。还可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。

​ 除此以外，还有一些其余的方案，原理是不共享变量或者变量只容许读。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，还须要注意死锁问题。

​ 这部份内容比较复杂，每每仍是跨领域的，例如要理解可见性，就须要了解一些 CPU 和缓存的知识；要理解原子性，就须要理解一些操做系统的知识；不少无锁算法的实现每每也须要理解 CPU 缓存。这部份内容的学习，须要博览群书，在大脑里创建起 CPU、内存、I/O 执行的模拟器。这样遇到问题就能驾轻就熟了。

跳出来，看全景，可让你的知识成体系，所学知识也融汇贯通起来，由点成线，由线及面，画出本身的知识全景图。