摘要：并發(fā)需要解決的問題功能性問題線程同步面臨兩個(gè)問題，想象下有兩個(gè)線程在協(xié)作工作完成某項(xiàng)任務(wù)。鎖可用于規(guī)定一個(gè)臨界區(qū)，同一時(shí)間臨界區(qū)內(nèi)僅能由一個(gè)線程訪問。并發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)線程安全的容器，如等。

并發(fā)指在宏觀上的同一時(shí)間內(nèi)同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。為了滿足這一需求，現(xiàn)代的操作系統(tǒng)都抽象出 線程 的概念，供上層應(yīng)用使用。

這篇博文不打算詳細(xì)展開分析，而是對(duì)java并發(fā)中的概念和工具做一個(gè)梳理。
沿著并發(fā)模型、并發(fā)要解決的問題、基本工具、衍生工具這一思路展開。

首先線程是什么？線程是由OS抽象并實(shí)現(xiàn)的，我們知道OS的職責(zé)是管理并合理分配硬件資源，那么OS為了更好的管理、分配CPU資源，同時(shí)也為了滿足同時(shí)執(zhí)行任務(wù)這一需求，設(shè)計(jì)了線程這一概念。

雖然java程序運(yùn)行在JVM虛擬機(jī)上，但是java的線程仍然是對(duì)操作系統(tǒng)原生線程的封裝，同時(shí)，jvm對(duì)線程實(shí)現(xiàn)時(shí)也將jvm的運(yùn)行棧設(shè)計(jì)成線程私有內(nèi)存，因此，java線程和原生線程在理解上實(shí)際上沒太大區(qū)別。

線程的五種狀態(tài)：

graph LR
新建 --> 就緒;
就緒 --> 運(yùn)行;
運(yùn)行 --> 就緒;
運(yùn)行 --> 阻塞;
阻塞 --> 就緒;
運(yùn)行 --> 死亡;

先來(lái)看上面的就緒狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)。我們知道線程雖然宏觀上是同時(shí)執(zhí)行的，但是微觀上使用如時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法使得線程依次執(zhí)行。那么，同一時(shí)間只有一個(gè)線程執(zhí)行，其它需要執(zhí)行的線程處于 就緒隊(duì)列 中，等待自己被調(diào)度到。

而如果線程想要暫時(shí)放棄在CPU上運(yùn)行的權(quán)利，就會(huì)阻塞自己。這時(shí)對(duì)應(yīng)著阻塞狀態(tài)，同時(shí)線程會(huì)從就緒隊(duì)列中移除，進(jìn)入等待隊(duì)列。
很顯然，阻塞線程被喚醒肯定是進(jìn)入就緒隊(duì)列等待調(diào)度，而不可能是直接分配到CPU上運(yùn)行。

在線程同步時(shí)，線程可能由于以下情況被阻塞：

同步阻塞。就是被鎖阻塞。

等待阻塞。被條件變量阻塞。

其它。調(diào)用sleep(), join()或等待IO操作時(shí)的阻塞。

線程同步面臨兩個(gè)問題，想象下有兩個(gè)線程在協(xié)作工作完成某項(xiàng)任務(wù)。那么需要解決以下問題：

線程兩個(gè)線程之間交互數(shù)據(jù)，必然涉及到數(shù)據(jù)共享。而某些數(shù)據(jù)資源無(wú)法被多個(gè)線程同時(shí)使用（臨界區(qū)），這時(shí)需要，即線程互斥問題。

假如一個(gè)線程進(jìn)行的太快，另外一個(gè)線程就需要等等它，即線程同步問題。

在多線程程序的性能問題上，如果是對(duì)于同樣一段臨界區(qū)的多線程訪問，那么則有以下幾個(gè)思路：

互斥鎖?；コ怄i即保證同一時(shí)間只有一個(gè)線程訪問臨界區(qū)并完整執(zhí)行完，其它線程在臨界區(qū)外面等待。

無(wú)障礙或無(wú)鎖。線程們一開始直接進(jìn)入臨界區(qū)執(zhí)行，注意其中不能修改共享數(shù)據(jù)。執(zhí)行完后再判斷剛才這段時(shí)間是否有其它線程執(zhí)行，沒有的話才修改共享數(shù)據(jù)，如果有的話就回滾重來(lái)。

降低鎖粒度。也即將這個(gè)大的臨界區(qū)拆分成幾個(gè)小的臨界區(qū)，分別加互斥鎖控制，這樣提高了線程同時(shí)訪問的臨界區(qū)的機(jī)會(huì)變多，性能提高。顯然這要對(duì)代碼仔細(xì)推敲，考慮如何拆分鎖粒度而不影響整體的語(yǔ)義。

以上三種思路的性能優(yōu)劣沒有一個(gè)普適的結(jié)果，和具體的場(chǎng)景相關(guān)。

并發(fā)中還會(huì)出現(xiàn)以下幾種情況導(dǎo)致系統(tǒng)不可用：

死鎖。不解釋。

饑餓。線程調(diào)度算法如果不是平等分配的，那么就可能出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)高的線程長(zhǎng)時(shí)間占用CPU，導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)低的線程無(wú)法得到執(zhí)行機(jī)會(huì)。

活鎖。這個(gè)我解釋不來(lái)。。。

并發(fā)編程中需要考慮的幾個(gè)概念：

原子性：指某個(gè)操作一旦被某個(gè)線程執(zhí)行，直到該操作執(zhí)行完畢都不會(huì)有其它線程來(lái)干擾。

可見性：指某個(gè)變量或某塊內(nèi)存如果被A線程修改，B線程能否馬上讀取到修改后的值。

有序性：A線程執(zhí)行的代碼序列，在B線程看來(lái)是否是有序的。

從我個(gè)人的理解來(lái)看，原子性屬于由并發(fā)和線程這一理論概念自然而然推導(dǎo)衍生而來(lái)的概念，而可見性和有序性是具體的工程實(shí)踐中產(chǎn)生的。
實(shí)際中，jvm并不能實(shí)現(xiàn)的特別完美，總會(huì)有工程上的妥協(xié)。理論模型與實(shí)際模型無(wú)法完美契合，總存在一定的偏差。
比如說(shuō)，jvm為了向性能妥協(xié)使用了緩存機(jī)制，犧牲了數(shù)據(jù)一致性，這就產(chǎn)生了可見性的概念，需要程序員編程時(shí)自己控制。
jvm為了指令更高效率的執(zhí)行進(jìn)行了指令重排優(yōu)化，則產(chǎn)生了有序性的問題。印象里以前大學(xué)里學(xué)過的CPU的流水線技術(shù)，為了指令能夠更好的被CPU流水線利用，減少流水線的空閑時(shí)間，編譯器編譯時(shí)也會(huì)在不影響 串行語(yǔ)義 的前提下，進(jìn)行指令重排。
總而言之，這是在性能和理論模型完整性之間的一種妥協(xié)。

技術(shù)上的工具、概念繁多復(fù)雜，但是如果我們能理解技術(shù)設(shè)計(jì)上無(wú)時(shí)無(wú)刻的不運(yùn)用抽象和分層的手段，
那么，我們可以把技術(shù)上的工具分為兩種：

最基本的、原生的工具。

在原生提供的工具上，進(jìn)行封裝得到的更高層次的工具。

更高層次的工具對(duì)基礎(chǔ)工具進(jìn)行了抽象和封裝，屏蔽了其中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
這里想強(qiáng)調(diào)的是，工具的接口和實(shí)現(xiàn)是分開的，兩者可以沒有關(guān)系。
如java的監(jiān)視器鎖從接口上來(lái)看，其語(yǔ)義和互斥鎖一樣。然而它并不一定使用互斥鎖實(shí)現(xiàn)，而是可以為了性能存在優(yōu)化，只要最終的行為與接口相同即可。

有三種用于線程同步的工具：

鎖。鎖可用于規(guī)定一個(gè) 臨界區(qū)，同一時(shí)間臨界區(qū)內(nèi)僅能由一個(gè)線程訪問。其他線程則在臨界區(qū)外等待（阻塞）。

互斥鎖。使用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)。臨界區(qū)外等待的線程會(huì)被阻塞。

自旋鎖。臨界區(qū)外等待的線程會(huì)忙等。

條件變量(Condition)。線程在某種條件不滿足時(shí)阻塞自己，等待其它的線程條件滿足時(shí)再喚醒它們。很顯然所有等待的線程要放入一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就在條件變量?jī)?nèi)。

信號(hào)量。操作系統(tǒng)原生的機(jī)制。實(shí)際上，鎖 + 條件變量可完成所有信號(hào)量可以完成的邏輯。

在java中，Object類有wait()、notify()和notifyAll()之類的方法。
這些方法可以認(rèn)為每個(gè)對(duì)象都內(nèi)置了一個(gè)條件變量，而這些方法是對(duì)這些條件變量的操作，因此，可以使用這些方法將對(duì)象當(dāng)作條件變量使用，從而做到線程的同步。

底層機(jī)制的特點(diǎn)直接得到的：

1. java中的volatile關(guān)鍵字。
2. CAS。

volatile關(guān)鍵字能夠保證變量的可見性，或者說(shuō)是讀或?qū)懙脑有浴?/p>

CAS即compareAndSwap，原子操作 。
CAS操作直接能夠?qū)?yīng)到單條CPU指令，因此天然具有原子性。java中是通過JNI調(diào)用C語(yǔ)言從而調(diào)用CPU底層指令實(shí)現(xiàn)。

CAS的行為和以下代碼一致：

int cas(long *addr, long old, long new)
{
    if (*addr == old) {
        *addr = new;
        return 1;
    } else {
        return 0; //*
    }
}

那么CAS可以做什么呢？很多樂觀并發(fā)控制可以基于CAS實(shí)現(xiàn)。
比如說(shuō)，通過一個(gè)標(biāo)記變量來(lái)記錄臨界區(qū)被誰(shuí)占有，線程進(jìn)入臨界區(qū)前不斷的使用CAS操作判斷標(biāo)記變量是否為空同時(shí)將其記錄為自己，來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖機(jī)制。這就是自旋鎖的思路。

除此之外，樂觀鎖也能用CAS實(shí)現(xiàn)，比如java的Atomic系列，就是這樣實(shí)現(xiàn)的。

前面說(shuō)到可以認(rèn)為每個(gè)對(duì)象內(nèi)置一個(gè)條件變量，同樣，每個(gè)對(duì)象也內(nèi)置一個(gè)鎖。這個(gè)內(nèi)置鎖在Java中被抽象為監(jiān)視器鎖（monitor）。
synchronized關(guān)鍵字的使用實(shí)際上就相當(dāng)于使用監(jiān)視器鎖定義了一個(gè)臨界區(qū)。使用這種語(yǔ)法也特別直觀簡(jiǎn)單，所以java經(jīng)常用synchronizd來(lái)進(jìn)行線程的同步。

JDK1.6之后，為了提升監(jiān)視器鎖的性能，java通過某些手段進(jìn)行了優(yōu)化。其中包含鎖優(yōu)化機(jī)制，對(duì)應(yīng)三種鎖：

1. 偏向鎖
2. 輕量級(jí)鎖
3. 重量級(jí)鎖

一開始只有一個(gè)線程使用線程時(shí)使用偏向鎖，當(dāng)存在多個(gè)線程使用時(shí)膨脹為輕量級(jí)鎖，而出現(xiàn)比較多的線程競(jìng)爭(zhēng)時(shí)再膨脹為重量級(jí)鎖。

線程安全的容器，如Vector 、 ConcurrentHashMap等。

讀寫鎖，即java中的ReentrantReadWriteLock。
讀寫鎖又可以看做一個(gè)讀鎖和一個(gè)寫鎖組成的鎖系統(tǒng)，讀鎖和寫鎖又叫共享鎖和排它鎖。

BlockedQueue，阻塞隊(duì)列。

Atomic。 java提供的atomic包封裝了一組常用原子類，使用無(wú)鎖方式實(shí)現(xiàn)。

ThreadLocal。每個(gè)線程都擁有一份對(duì)象拷貝，互相不干擾。

其它：

雙重檢查鎖

實(shí)際上是一種對(duì)于線程安全的懶漢單例模式的一種優(yōu)化。

為了表達(dá)某種鎖的特點(diǎn)，也會(huì)有著很多的概念。
但是這種概念對(duì)應(yīng)的不是某一種鎖，而是一類擁有特定屬性的鎖。如：

悲觀鎖和樂觀鎖。
悲觀鎖假設(shè)發(fā)生沖突，并使用各種方式保證一次只有一個(gè)線程使用臨界區(qū)。
樂觀鎖放任線程去使用資源，在執(zhí)行完后判斷剛才是否有其它線程用過（破壞了數(shù)據(jù)完整性），如果是則撤回重試。

公平鎖和非公平鎖。
公平鎖是指多個(gè)線程在等待同一個(gè)鎖時(shí)，必須按照申請(qǐng)鎖的先后順序來(lái)一次獲得鎖。java中的ReentrantLock是公平鎖。

遞歸鎖(可重入鎖)/非遞歸鎖(不可重入鎖)
同一個(gè)線程可以多次獲取同一個(gè)遞歸鎖，不會(huì)產(chǎn)生死鎖。
如果一個(gè)線程多次獲取同一個(gè)非遞歸鎖，則會(huì)產(chǎn)生死鎖。