【Java并发】Java并发编程与高并发基础概念

stackfing 发布于2019-08-15 15:20 / 1782人阅读

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笔记来源：【IMOOC】Java并发编程与高并发解决方案

并发基础

综述：

CPU多级缓存：缓存一致性、乱序执行优化

Java内存模型：JMM规定、抽象结构、同步八种操作及规则

Java并发的优势与风险

并发与高并发基本概念 基本概念

并发：同时拥有两个或者多个线程，如果程序在单核处理器上运行，多个线程将交替地换入或者换出内存，这些线程是同时“存在”的，每个线程都处于执行过程中的某个状态，如果运行在多核处理器上，此时，程序中的每个线程都将分配到一个处理器核上，因此可以同时运行。

高并发：高并发（High Concurrency）是互联网分布式系统架构设计中必须考虑的因素之一，它通常是指，通过设计保证系统能够同时并行处理很多请求。

并发：多个线程操作相同的资源，保证线程安全，合理使用资源

高并发：服务器能同时处理很多请求，提高程序性能

知识技能

总体架构：Spring Boot、Maven、JDK8、MySQL

基础组件：Mybatis、Guava、Lombok、Redis、Kafka

高级组件/类：Joda-Time、Atomic包、J.U.C、AQS、ThreadLocal、RateLimiter、Hystrix、threadPool、shardbatis、curator、elastic-job...

CPU多级缓存-缓存一致性 CPU多级缓存

为什么需要CPU cache：CPU的频率太快了，快到主存跟不上，这样在处理器时钟周期内，CPU常常需要等待主存，浪费资源。所以cache的出现，是为了缓解CPU和内存之间速度的不匹配问题（结构：CPU -> cache -> memory）。

CPU cache有什么意义：

时间局部性：如果某个数据被访问，那么在不久的将来它很可能被再次访问；

空间局部性：如果某个数据被访问，那么与它相邻的数据很快也可能被访问。

缓存一致性（MESI）

用于保证多个CPU cache之间缓存共享数据的一致性

MESI协议中的状态

M: Modified 修改：指的是该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，并且是被修改过的，因此他与主存中的数据是不一致的，该缓存行中的数据需要在未来的某个时间点（允许其他CPU读取主存相应中的内容之前）写回主存，然后状态变成E（独享）

E：Exclusive 独享：指的是该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，是未被修改过的，与主存的数据是一致的，可以在任何时刻当有其他CPU读取该内存时，变成S（共享）状态，当CPU修改该缓存行的内容时，变成M（被修改）的状态

S：Share 共享：意味着该缓存行可能会被多个CPU进行缓存，并且该缓存中的数据与主存数据是一致的，当有一个CPU修改该缓存行时，其他CPU是可以被作废的，变成I(无效的)

I：Invalid 无效：代表这个缓存是无效的，可能是有其他CPU修改了该缓存行

local read：读本地缓存的数据

local write：将数据写到本地缓存里面

remote read：将内（主）存中的数据读取到缓存中来

remote write：将缓存中的数据写会到主存里面

CPU多级缓存-乱序执行优化

处理器为提高运算速度而作出违背代码原有顺序的优化

JAVA内存模型（Java Memory Model，JMM） Java 内存模型

Heap(堆)：java里的堆是一个运行时的数据区，堆是由垃圾回收来负责的，堆的优势是可以动态的分配内存大小，生存期也不必事先告诉编译器，因为他是在运行时动态分配内存的，java的垃圾回收器会定时收走不用的数据，缺点是由于要在运行时动态分配，所以存取速度可能会慢一些。

Stack(栈)：栈的优势是存取速度比堆要快，仅次于计算机里的寄存器，栈的数据是可以共享的，缺点是存在栈中的数据的大小与生存期必须是确定的，缺乏一些灵活性。栈中主要存放一些基本类型的变量，比如 int，short，long，byte，double，float，boolean，char，对象句柄。

java内存模型要求调用栈和本地内存变量存放在线程栈（Thread Stack）上，对象存放在堆上。一个本地变量可能存放一个对象的引用，这时引用变量存放在本地栈上，但是对象本身存放在堆上，成员变量跟随着对象存放在堆上，而不管是原始类型还是引用类型，静态成员变量跟随着类的定义一起存在在堆上。存在堆上的对象，可以被持有这个对象的引用的线程访问。如果两个线程同时访问同一个对象的私有变量，这时他们获得的是这个对象的私有拷贝。

计算机硬件架构

JVM 与硬件内存架构的关联

Java内存模型抽象结构

Java内存模型-同步八种操作

lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态

unlock（解锁）：作用于主内存的变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定

read（读取）：作用于主内存的变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用

load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中

use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎

assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量

store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作

write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中的一个变量的值传送到主内存的变量中

Java内存模型-同步规则

如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺序地执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序地执行store和write操作。但Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行

不允许read和load、store和write操作之一多带带出现

不允许一个线程丢弃它的最近assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中

不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中

一个新的变量只能再主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作

一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。lock和unlock必须成对出现

如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值

如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量

对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操作）

Java内存模型-同步操作与规则

并发的优势与风险

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摘要：在这个范围广大的并发技术领域当中多线程编程可以说是基础和核心，大多数抽象并发问题的构思与解决都是基于多线程模型来进行的。一般来说，多线程程序会面临三类问题正确性问题效率问题死锁问题。多线程编程或者说范围更大的并发编程是一种非常复杂且容易出错的编程方式，但是我们为什么还要冒着风险艰辛地学习各种多线程编程技术、解决各种并发问题呢？因为并发是整个分布式集群的基础，通过分布式集群不仅可以大...

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