到这里,专栏的第一模块——并发编程的理论基础,我们已经讲解完了,总共12篇,不算少,但“跳出来,看全景”你会发现这12篇的内容基本上是一个“串行的故事”。所以,在学习过程中,建议你从一个个单一的知识和技术中“跳出来”,看全局,搭建自己的并发编程知识体系。
为了便于你更好地学习和理解,下面我会先将这些知识点再简单地为你“串”一下,咱们一起复习下;然后就每篇文章的课后思考题、留言区的热门评论,我也集中总结和回复一下。
那这个“串行的故事”是怎样的呢?
起源是一个硬件的核心矛盾:CPU与内存、I/O的速度差异,系统软件(操作系统、编译器)在解决这个核心矛盾的同时,引入了可见性、原子性和有序性问题,这三个问题就是很多并发程序的Bug之源。这,就是01的内容。
那如何解决这三个问题呢?Java语言自然有招儿,它提供了Java内存模型和互斥锁方案。所以,在02我们介绍了Java内存模型,以应对可见性和有序性问题;那另一个原子性问题该如何解决?多方考量用好互斥锁才是关键,这就是0304的内容。
虽说互斥锁是解决并发问题的核心工具,但它也可能会带来死锁问题,所以05就介绍了死锁的产生原因以及解决方案;同时还引出一个线程间协作的问题,这也就引出了06这篇文章的内容,介绍线程间的协作机制:等待-通知。
你应该也看出来了,前六篇文章,我们更多地是站在微观的角度看待并发问题。而07则是换一个角度,站在宏观的角度重新审视并发编程相关的概念和理论,同时也是对前六篇文章的查漏补缺。
08介绍的管程,是Java并发编程技术的基础,是解决并发问题的万能钥匙。并发编程里两大核心问题——互斥和同步,都是可以由管程来解决的。所以,学好管程,就相当于掌握了一把并发编程的万能钥匙。
至此,并发编程相关的问题,理论上你都应该能找到问题所在,并能给出理论上的解决方案了。
而后在091011我们又介绍了线程相关的知识,毕竟Java并发编程是要靠多线程来实现的,所以有针对性地学习这部分知识也是很有必要的,包括线程的生命周期、如何计算合适的线程数以及线程内部是如何执行的。
最后,在12我们还介绍了如何用面向对象思想写好并发程序,因为在Java语言里,面向对象思想能够让并发编程变得更简单。
13 _ 理论基础模块热点问题答疑 - 图1 并发编程理论基础模块思维导图经过这样一个简要的总结,相信你此时对于并发编程相关的概念、理论、产生的背景以及它们背后的关系已经都有了一个相对全面的认识。至于更深刻的认识和应用体验,还是需要你“钻进去,看本质”,加深对技术本身的认识,拓展知识深度和广度。
另外,在每篇文章的最后,我都附上了一个思考题,这些思考题虽然大部分都很简单,但是隐藏的问题却很容易让人忽略,从而不经意间就引发了Bug;再加上留言区的一些热门评论,所以我想着将这些隐藏的问题或者易混淆的问题,做一个总结也是很有必要的

1. 用锁的最佳实践

例如,在《03 | 互斥锁(上):解决原子性问题》《04 | 互斥锁(下):如何用一把锁保护多个资源?》这两篇文章中,我们的思考题都是关于如何创建正确的锁,而思考题里的做法都是错误的。
03的思考题的示例代码如下,synchronized (new Object()) 这行代码很多同学已经分析出来了,每次调用方法get()、addOne()都创建了不同的锁,相当于无锁。这里需要你再次加深一下记忆,“一个合理的受保护资源与锁之间的关联关系应该是N:1”。只有共享一把锁才能起到互斥的作用。
另外,很多同学也提到,JVM开启逃逸分析之后,synchronized (new Object()) 这行代码在实际执行的时候会被优化掉,也就是说在真实执行的时候,这行代码压根就不存在。不过无论你是否懂“逃逸分析”都不影响你学好并发编程,如果你对“逃逸分析”感兴趣,可以参考一些JVM相关的资料。

  1. class SafeCalc {
  2. long value = 0L;
  3. long get() {
  4. synchronized (new Object()) {
  5. return value;
  6. }
  7. }
  8. void addOne() {
  9. synchronized (new Object()) {
  10. value += 1;
  11. }
  12. }
  13. }

04的思考题转换成代码,是下面这个样子。它的核心问题有两点:一个是锁有可能会变化,另一个是 Integer 和 String 类型的对象不适合做锁。如果锁发生变化,就意味着失去了互斥功能。 Integer 和 String 类型的对象在JVM里面是可能被重用的,除此之外,JVM里可能被重用的对象还有Boolean,那重用意味着什么呢?意味着你的锁可能被其他代码使用,如果其他代码 synchronized(你的锁),而且不释放,那你的程序就永远拿不到锁,这是隐藏的风险。

class Account {
  // 账户余额  
  private Integer balance;
  // 账户密码
  private String password;
  // 取款
  void withdraw(Integer amt) {
    synchronized(balance) {
      if (this.balance > amt){
        this.balance -= amt;
      }
    }
  } 
  // 更改密码
  void updatePassword(String pw){
    synchronized(password) {
      this.password = pw;
    }
  } 
}

通过这两个反例,我们可以总结出这样一个基本的原则:锁,应是私有的、不可变的、不可重用的。我们经常看到别人家的锁,都长成下面示例代码这样,这种写法貌不惊人,却能避免各种意想不到的坑,这个其实就是最佳实践。最佳实践这方面的资料推荐你看《Java安全编码标准》这本书,研读里面的每一条规则都会让你受益匪浅。

// 普通对象锁
private final Object 
  lock = new Object();
// 静态对象锁
private static final Object
  lock = new Object();

2. 锁的性能要看场景

《05 | 一不小心就死锁了,怎么办?》的思考题是比较while(!actr.apply(this, target));这个方法和synchronized(Account.class)的性能哪个更好。
这个要看具体的应用场景,不同应用场景它们的性能表现是不同的。在这个思考题里面,如果转账操作非常费时,那么前者的性能优势就显示出来了,因为前者允许A->B、C->D这种转账业务的并行。不同的并发场景用不同的方案,这是并发编程里面的一项基本原则;没有通吃的技术和方案,因为每种技术和方案都是优缺点和适用场景的。

3. 竞态条件需要格外关注

《07 | 安全性、活跃性以及性能问题》里的思考题是一种典型的竞态条件问题(如下所示)。竞态条件问题非常容易被忽略,contains()和add()方法虽然都是线程安全的,但是组合在一起却不是线程安全的。所以你的程序里如果存在类似的组合操作,一定要小心。

void addIfNotExist(Vector v, 
    Object o){
  if(!v.contains(o)) {
    v.add(o);
  }
}

这道思考题的解决方法,可以参考《12 | 如何用面向对象思想写好并发程序?》,你需要将共享变量v封装在对象的内部,而后控制并发访问的路径,这样就能有效防止对Vector v变量的滥用,从而导致并发问题。你可以参考下面的示例代码来加深理解。

class SafeVector{
  private Vector v; 
  // 所有公共方法增加同步控制
  synchronized 
  void addIfNotExist(Object o){
    if(!v.contains(o)) {
      v.add(o);
    }
  }
}

4. 方法调用是先计算参数

不过,还有同学对07文中所举的例子有疑议,认为set(get()+1);这条语句是进入set()方法之后才执行get()方法,其实并不是这样的。方法的调用,是先计算参数,然后将参数压入调用栈之后才会执行方法体,方法调用的过程在11这篇文章中我们已经做了详细的介绍,你可以再次重温一下。

while(idx++ < 10000) {
  set(get()+1);   
}

先计算参数这个事情也是容易被忽视的细节。例如,下面写日志的代码,如果日志级别设置为INFO,虽然这行代码不会写日志,但是会计算"The var1:" + var1 + ", var2:" + var2的值,因为方法调用前会先计算参数。

logger.debug("The var1:" + 
  var1 + ", var2:" + var2);

更好地写法应该是下面这样,这种写法仅仅是讲参数压栈,而没有参数的计算。使用{}占位符是写日志的一个良好习惯。

logger.debug("The var1:{}, var2:{}", 
  var1, var2);

5. InterruptedException异常处理需小心

《 09 | Java线程(上):Java线程的生命周期》的思考题主要是希望你能够注意InterruptedException的处理方式。当你调用Java对象的wait()方法或者线程的sleep()方法时,需要捕获并处理InterruptedException异常,在思考题里面(如下所示),本意是通过isInterrupted()检查线程是否被中断了,如果中断了就退出while循环。当其他线程通过调用th.interrupt().来中断th线程时,会设置th线程的中断标志位,从而使th.isInterrupted()返回true,这样就能退出while循环了。

Thread th = Thread.currentThread();
while(true) {
  if(th.isInterrupted()) {
    break;
  }
  // 省略业务代码无数
  try {
    Thread.sleep(100);
  }catch (InterruptedException e){
    e.printStackTrace();
  }
}

这看上去一点问题没有,实际上却是几乎起不了作用。原因是这段代码在执行的时候,大部分时间都是阻塞在sleep(100)上,当其他线程通过调用th.interrupt().来中断th线程时,大概率地会触发InterruptedException 异常,在触发InterruptedException 异常的同时,JVM会同时把线程的中断标志位清除,所以这个时候th.isInterrupted()返回的是false。
正确的处理方式应该是捕获异常之后重新设置中断标志位,也就是下面这样:

try {
  Thread.sleep(100);
}catch(InterruptedException e){
  // 重新设置中断标志位
  th.interrupt();
}

6. 理论值 or 经验值

《10 | Java线程(中):创建多少线程才是合适的?》的思考题是:经验值为“最佳线程=2 CPU的核数 + 1”,是否合理?
从理论上来讲,这个经验值一定是靠不住的。但是经验值对于很多“I/O耗时 / CPU耗时”不太容易确定的系统来说,却是一个很好到初始值。
我们曾讲到最佳线程数最终还是靠压测来确定的,实际工作中大家面临的系统,“I/O耗时 / CPU耗时”往往都大于1,所以基本上都是在这个*初始值的基础上增加
。增加的过程中,应关注线程数是如何影响吞吐量和延迟的。一般来讲,随着线程数的增加,吞吐量会增加,延迟也会缓慢增加;但是当线程数增加到一定程度,吞吐量就会开始下降,延迟会迅速增加。这个时候基本上就是线程能够设置的最大值了。
实际工作中,不同的I/O模型对最佳线程数的影响非常大,例如大名鼎鼎的Nginx用的是非阻塞I/O,采用的是多进程单线程结构,Nginx本来是一个I/O密集型系统,但是最佳进程数设置的却是CPU的核数,完全参考的是CPU密集型的算法。所以,理论我们还是要活学活用。

总结

这个模块,内容主要聚焦在并发编程相关的理论上,但是思考题则是聚焦在细节上,我们经常说细节决定成败,在并发编程领域尤其如此。理论主要用来给我们提供解决问题的思路和方法,但在具体实践的时候,还必须重点关注每一个细节,哪怕有一个细节没有处理好,都会导致并发问题。这方面推荐你认真阅读《Java安全编码标准》这本书,如果你英文足够好,也可以参考这份文档
最后总结一句,学好理论有思路,关注细节定成败。
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