JAVA高并发基础知识

JAVA高并发是什么？一般大家对JAVA高并发的了解可能停留在概念的层面上，而对于JAVA高并发的应用场景和详细构造了解相对较少。今天就跟大家聊聊JAVA高并发。

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高并发简介

它是互联网分布式系统架构设计中必须考虑的因素之一，通常是指，保证系统能够同时并行化处理海量请求

同步和异步

• 同步：发送一个请求，等待返回，然后再发送下一个请求。提交请求 -> 等待服务器处理 -> 处理完返回，此期间客户端浏览器不能干任何事
• 异步：发送一个请求，不等待返回，随时可以再发送下一个请求。提交请求 -> 服务器处理（这时浏览器仍然可以做其他事情）-> 处理完毕

从上图可以知道，随着实时间的轨迹，同步一步一步的执行着，在异步中，当一个异步过程调用发出后，调用者不能立即得到结果，实际上会开启一个线程执行这部分内容，这个线程处理完了之后，通过状态，通知和回调来通知调用者来处理。

并发和并行

单核CPU(单处理器)上，只可能存在并发而不可能存在并行。 并行在多处理器系统中存在，而并发可以在单处理器和多处理器系统中都存在，并发能够在单处理器系统中存在是因为并发是并行的假象，并行要求程序能够同时执行多个操作，而并发只是要求程序假装同时执行多个操作（每个小时间片执行一个操作，多个操作快速切换执行

临界区

临界区用来表示一种公共资源或者说是共享数据，可以被多个线程使用，但是每一次，只能有一个线程使用它，一旦临界去资源被占用，其他线程想要使用这个资源，就必须等待。

这就是我们编程中经常要加锁的地方，如 Synchronized 关键字，或是 Lock 接口。

阻塞和非阻塞

• 阻塞(Blocking)和非阻塞(Non-Blocking)通常用来形容多线程间的相互影响，比如一个线程占用临界区资源，那么其他所有需要这个资源的线程就必须在这个临界区中进行等待，等待会导致线程挂起，这种情况就是阻塞。如果占用资源的线程一直不愿意释放资源，那么其它所有阻塞在这个临界区上的线程都不能工作。
• 非阻塞允许多个线程同时进入临界区。

死锁、饥饿、活锁

死锁： 指两个或两个以上的进程（或线程）在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

互斥条件：线程对资源的访问是排他性的，如果一个线程对占用了某资源，那么其他线程必须处于等待状态，直到资源被释放。 请求和保持条件：线程T1至少已经保持了一个资源R1占用,但又提出对另一个资源R2请求，而此时，资源R2被其他线程T2占用，于是该线程T1也必须等待，但又对自己保持的资源R1不释放。 不剥夺条件：线程已获得的资源，在未使用完之前，不能被其他线程剥夺，只能在使用完以后由自己释放。 环路等待条件：在死锁发生时，必然存在一个“进程-资源环形链”，即：{p0,p1,p2,…pn},进程p0（或线程）等待p1占用的资源，p1等待p2占用的资源，pn等待p0占用的资源。（最直观的理解是，p0等待p1占用的资源，而p1而在等待p0占用的资源，于是两个进程就相互等待

活锁： 指线程T1可以使用资源，但它很礼貌，让其他线程先使用资源，线程T2也可以使用资源，但它很绅士，也让其他线程先使用资源。这样你让我，我让你，最后两个线程都无法使用资源。

在街上遇到一妹子，刚好她朝着你的反方向走，与你正面碰到，你们都想让彼此过去。你往左边移，她也往左边移，两人还是无法过去。这时你往右边移，她也往右边移，如此循环下去。

饥饿： 指如果线程T1占用了资源R，线程T2又请求封锁R，于是T2等待。T3也请求资源R，当T1释放了R上的封锁后，系统首先批准了T3的请求，T2仍然等待。然后T4又请求封锁R，当T3释放了R上的封锁之后，系统又批准了T4的请求……，T2可能永远等待。

有两条道A和B上都堵满了车辆，其中A道堵的时间最长，B相对相对堵的时间较短，这时，前面道路已疏通，交警按照最佳分配原则，示意B道上车辆先过，B道路上过了一辆又一辆，A道上排队时间最长的确没法通过，只能等B道上没有车辆通过的时候再等交警发指令让A道依次通过，这也就是 ReentrantLock 显示锁里提供的不公平锁机制（当然了，ReentrantLock 也提供了公平锁的机制，由用户根据具体的使用场景而决定到底使用哪种锁策略），不公平锁能够提高吞吐量但不可避免的会造成某些线程的饥饿。

并发级别

分为 阻塞 和 非阻塞（非阻塞分为无障碍、无锁、无等待）

阻塞

当一个线程进入临界区后，其他线程必须等待

无障碍

• 无障碍是一种最弱的非阻塞调度
• 可自由出入临界区
• 无竞争时，有限步内完成操作
• 有竞争时，回滚数据

和非阻塞调度相比呢，阻塞调度是一种悲观的策略，它会认为说一起修改数据是很有可能把数据改坏的。而非阻塞调度呢，是一种乐观的策略，它认为大家修改数据未必把数据改坏。 但是它是一种 宽进严出 的策略，当它发现一个进程在临界区内发生了数据竞争，产生了冲突，那么无障碍的调度方式则会回滚这条数据。

在这个无障碍的调度方式当中，所有的线程都相当于在拿去一个系统当前的一个快照。他们一直会尝试拿去的快照是有效的为止。

无锁

• 是无障碍的
• 保证有一个线程可以胜出 与无障碍相比，无障碍并不保证有竞争时一定能完成操作，因为如果它发现每次操作都会产生冲突，那它则会不停地尝试。如果临界区内的线程互相干扰，则会导致所有的线程会卡死在临界区，那么系统性能则会有很大的影响。

而无锁增加了一个新的条件，保证每次竞争有一个线程可以胜出，则解决了无障碍的问题。至少保证了所有线程都顺利执行下去。

下面代码是Java中典型的无锁计算代码

while (!atomicVar.compareAndSet(localVar, localVar+1)) {    localVar = atomicVar.get();}

无等待

• 无锁的
• 要求所有的线程都必须在有限步内完成
• 无饥饿的

无等待的前提是无锁的基础上的，无锁它只保证了临界区肯定有进也有出，但是如果进的优先级都很高，那么临界区内的某些优先级低的线程可能发生饥饿，一直出不了临界区。那么无等待解决了这个问题，它保证所有的线程都必须在有限步内完成，自然是无饥饿的。

无等待是并行的最高级别，它能使这个系统达到最优状态。无等待的典型案例：只有读线程，没有写线程，那么这个则必然是无等待的。 如果既有读线程又有写线程，而每个写线程之前，都把数据拷贝一份副本，然后修改这个副本，而不是修改原始数据，因为修改副本，则没有冲突，那么这个修改的过程也是无等待的。最后需要做同步的只是将写完的数据覆盖原始数据。由于无等待要求比较高，实现起来比较困难，所以无锁使用得会更加广泛一些。

关于并行的2个重要定律

两个定律都与加速比有关

阿姆达尔定律

Amdahl定律(阿姆达尔定律)：定义了串行系统并行化后的加速比的计算公式和理论上限（加速比=优化前系统耗时/优化后系统耗时） 一个程序（或者一个算法）可以按照 是否可以被并行化 分为下面两个部分：

• 可以被并行化的部分
• 不可以被并行化的部

假设一个程序处理磁盘上的文件。这个程序的一小部分用来扫描路径和在内存中创建文件目录。做完这些后，每个文件交个一个单独的线程去处理。扫描路径和创建文件目录的部分不可以被并行化，不过处理文件的过程可以。

增加CPU处理器的数量并不一定能起到有效的作用，提高系统内可并行化的模块比重，合理增加并行处理器数量，才能以最小的投入，得到最大的加速比

古斯塔夫森定律

Gustafson定律(古斯塔夫森)：说明处理器个数，串行比例和加速比之间的关系

只要有足够的并行化，那么加速比和CPU个数成正比

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