JAVA高并發(fā)基礎(chǔ)知識

JAVA高并發(fā)是什么？一般大家對JAVA高并發(fā)的了解可能停留在概念的層面上，而對于JAVA高并發(fā)的應(yīng)用場景和詳細構(gòu)造了解相對較少。今天就跟大家聊聊JAVA高并發(fā)。

高并發(fā)簡介

它是互聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中必須考慮的因素之一，通常是指，保證系統(tǒng)能夠同時并行化處理海量請求

同步和異步

• 同步：發(fā)送一個請求，等待返回，然后再發(fā)送下一個請求。提交請求 -> 等待服務(wù)器處理 -> 處理完返回，此期間客戶端瀏覽器不能干任何事
• 異步：發(fā)送一個請求，不等待返回，隨時可以再發(fā)送下一個請求。提交請求 -> 服務(wù)器處理（這時瀏覽器仍然可以做其他事情）-> 處理完畢

從上圖可以知道，隨著實時間的軌跡，同步一步一步的執(zhí)行著，在異步中，當一個異步過程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不能立即得到結(jié)果，實際上會開啟一個線程執(zhí)行這部分內(nèi)容，這個線程處理完了之后，通過狀態(tài)，通知和回調(diào)來通知調(diào)用者來處理。

并發(fā)和并行

單核CPU(單處理器)上，只可能存在并發(fā)而不可能存在并行。 并行在多處理器系統(tǒng)中存在，而并發(fā)可以在單處理器和多處理器系統(tǒng)中都存在，并發(fā)能夠在單處理器系統(tǒng)中存在是因為并發(fā)是并行的假象，并行要求程序能夠同時執(zhí)行多個操作，而并發(fā)只是要求程序假裝同時執(zhí)行多個操作（每個小時間片執(zhí)行一個操作，多個操作快速切換執(zhí)行

臨界區(qū)

臨界區(qū)用來表示一種公共資源或者說是共享數(shù)據(jù)，可以被多個線程使用，但是每一次，只能有一個線程使用它，一旦臨界去資源被占用，其他線程想要使用這個資源，就必須等待。

這就是我們編程中經(jīng)常要加鎖的地方，如 Synchronized 關(guān)鍵字，或是 Lock 接口。

阻塞和非阻塞

• 阻塞(Blocking)和非阻塞(Non-Blocking)通常用來形容多線程間的相互影響，比如一個線程占用臨界區(qū)資源，那么其他所有需要這個資源的線程就必須在這個臨界區(qū)中進行等待，等待會導(dǎo)致線程掛起，這種情況就是阻塞。如果占用資源的線程一直不愿意釋放資源，那么其它所有阻塞在這個臨界區(qū)上的線程都不能工作。
• 非阻塞允許多個線程同時進入臨界區(qū)。

死鎖、饑餓、活鎖

死鎖： 指兩個或兩個以上的進程（或線程）在執(zhí)行過程中，因爭奪資源而造成的一種互相等待的現(xiàn)象，若無外力作用，它們都將無法推進下去。此時稱系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)或系統(tǒng)產(chǎn)生了死鎖，這些永遠在互相等待的進程稱為死鎖進程。

互斥條件：線程對資源的訪問是排他性的，如果一個線程對占用了某資源，那么其他線程必須處于等待狀態(tài)，直到資源被釋放。 請求和保持條件：線程T1至少已經(jīng)保持了一個資源R1占用,但又提出對另一個資源R2請求，而此時，資源R2被其他線程T2占用，于是該線程T1也必須等待，但又對自己保持的資源R1不釋放。 不剝奪條件：線程已獲得的資源，在未使用完之前，不能被其他線程剝奪，只能在使用完以后由自己釋放。 環(huán)路等待條件：在死鎖發(fā)生時，必然存在一個“進程-資源環(huán)形鏈”，即：{p0,p1,p2,…pn},進程p0（或線程）等待p1占用的資源，p1等待p2占用的資源，pn等待p0占用的資源。（最直觀的理解是，p0等待p1占用的資源，而p1而在等待p0占用的資源，于是兩個進程就相互等待

活鎖： 指線程T1可以使用資源，但它很禮貌，讓其他線程先使用資源，線程T2也可以使用資源，但它很紳士，也讓其他線程先使用資源。這樣你讓我，我讓你，最后兩個線程都無法使用資源。

在街上遇到一妹子，剛好她朝著你的反方向走，與你正面碰到，你們都想讓彼此過去。你往左邊移，她也往左邊移，兩人還是無法過去。這時你往右邊移，她也往右邊移，如此循環(huán)下去。

饑餓： 指如果線程T1占用了資源R，線程T2又請求封鎖R，于是T2等待。T3也請求資源R，當T1釋放了R上的封鎖后，系統(tǒng)首先批準了T3的請求，T2仍然等待。然后T4又請求封鎖R，當T3釋放了R上的封鎖之后，系統(tǒng)又批準了T4的請求……，T2可能永遠等待。

有兩條道A和B上都堵滿了車輛，其中A道堵的時間最長，B相對相對堵的時間較短，這時，前面道路已疏通，交警按照最佳分配原則，示意B道上車輛先過，B道路上過了一輛又一輛，A道上排隊時間最長的確沒法通過，只能等B道上沒有車輛通過的時候再等交警發(fā)指令讓A道依次通過，這也就是 ReentrantLock 顯示鎖里提供的不公平鎖機制（當然了，ReentrantLock 也提供了公平鎖的機制，由用戶根據(jù)具體的使用場景而決定到底使用哪種鎖策略），不公平鎖能夠提高吞吐量但不可避免的會造成某些線程的饑餓。

并發(fā)級別

分為 阻塞 和 非阻塞（非阻塞分為無障礙、無鎖、無等待）

阻塞

當一個線程進入臨界區(qū)后，其他線程必須等待

無障礙

• 無障礙是一種最弱的非阻塞調(diào)度
• 可自由出入臨界區(qū)
• 無競爭時，有限步內(nèi)完成操作
• 有競爭時，回滾數(shù)據(jù)

和非阻塞調(diào)度相比呢，阻塞調(diào)度是一種悲觀的策略，它會認為說一起修改數(shù)據(jù)是很有可能把數(shù)據(jù)改壞的。而非阻塞調(diào)度呢，是一種樂觀的策略，它認為大家修改數(shù)據(jù)未必把數(shù)據(jù)改壞。 但是它是一種 寬進嚴出 的策略，當它發(fā)現(xiàn)一個進程在臨界區(qū)內(nèi)發(fā)生了數(shù)據(jù)競爭，產(chǎn)生了沖突，那么無障礙的調(diào)度方式則會回滾這條數(shù)據(jù)。

在這個無障礙的調(diào)度方式當中，所有的線程都相當于在拿去一個系統(tǒng)當前的一個快照。他們一直會嘗試拿去的快照是有效的為止。

無鎖

• 是無障礙的
• 保證有一個線程可以勝出 與無障礙相比，無障礙并不保證有競爭時一定能完成操作，因為如果它發(fā)現(xiàn)每次操作都會產(chǎn)生沖突，那它則會不停地嘗試。如果臨界區(qū)內(nèi)的線程互相干擾，則會導(dǎo)致所有的線程會卡死在臨界區(qū)，那么系統(tǒng)性能則會有很大的影響。

而無鎖增加了一個新的條件，保證每次競爭有一個線程可以勝出，則解決了無障礙的問題。至少保證了所有線程都順利執(zhí)行下去。

下面代碼是Java中典型的無鎖計算代碼

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

無等待

• 無鎖的
• 要求所有的線程都必須在有限步內(nèi)完成
• 無饑餓的

無等待的前提是無鎖的基礎(chǔ)上的，無鎖它只保證了臨界區(qū)肯定有進也有出，但是如果進的優(yōu)先級都很高，那么臨界區(qū)內(nèi)的某些優(yōu)先級低的線程可能發(fā)生饑餓，一直出不了臨界區(qū)。那么無等待解決了這個問題，它保證所有的線程都必須在有限步內(nèi)完成，自然是無饑餓的。

無等待是并行的最高級別，它能使這個系統(tǒng)達到最優(yōu)狀態(tài)。無等待的典型案例：只有讀線程，沒有寫線程，那么這個則必然是無等待的。 如果既有讀線程又有寫線程，而每個寫線程之前，都把數(shù)據(jù)拷貝一份副本，然后修改這個副本，而不是修改原始數(shù)據(jù)，因為修改副本，則沒有沖突，那么這個修改的過程也是無等待的。最后需要做同步的只是將寫完的數(shù)據(jù)覆蓋原始數(shù)據(jù)。由于無等待要求比較高，實現(xiàn)起來比較困難，所以無鎖使用得會更加廣泛一些。

關(guān)于并行的2個重要定律

兩個定律都與加速比有關(guān)

阿姆達爾定律

Amdahl定律(阿姆達爾定律)：定義了串行系統(tǒng)并行化后的加速比的計算公式和理論上限（加速比=優(yōu)化前系統(tǒng)耗時/優(yōu)化后系統(tǒng)耗時） 一個程序（或者一個算法）可以按照 是否可以被并行化 分為下面兩個部分：

• 可以被并行化的部分
• 不可以被并行化的部

假設(shè)一個程序處理磁盤上的文件。這個程序的一小部分用來掃描路徑和在內(nèi)存中創(chuàng)建文件目錄。做完這些后，每個文件交個一個單獨的線程去處理。掃描路徑和創(chuàng)建文件目錄的部分不可以被并行化，不過處理文件的過程可以。

增加CPU處理器的數(shù)量并不一定能起到有效的作用，提高系統(tǒng)內(nèi)可并行化的模塊比重，合理增加并行處理器數(shù)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)：說明處理器個數(shù)，串行比例和加速比之間的關(guān)系

只要有足夠的并行化，那么加速比和CPU個數(shù)成正比

看完上述內(nèi)容，你們對JAVA高并發(fā)有進一步的了解嗎？如果還想學(xué)到更多技能或想了解更多相關(guān)內(nèi)容，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝各位的閱讀。