并发编程的挑战
- 上下文切换（减少）
- 无锁并发编程
- 避免使用锁，如将数据的ID按照Hash算法取模分段，不同的线程处理不同段的数据。（segement）
- CAS算法：Java的Atomic包使用CAS算法更新数据，不需要加锁。Compare and swap
- 使用最少线程：避免创建不需要的线程。
- 协程：在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务的切换。（缺实例说明）
- 死锁
- 避免死锁
- 避免同一个线程同时获取多个锁。
- 避免一个线程在锁内同时占有多个资源，尽量保证每个锁都只占用一个资源。
- 尝试使用定时锁，使用lock.tryLock(timeout)来替代内部锁机制。(待尝试)
- 对于数据库加锁，加锁和解锁必须在一个数据库连接里，否则会出现连接失败的情况。
- 资源限制
Java并发机制的实现
- volatile的应用
- volatile的定义和实现
- 定义：Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。Java提供了volatile，在某些情况下比锁要更加方便。如果一个字段被声明成volatile，Java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。
- 实现原则：
- Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存。
- 一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效。
- synchronized的实现原理及应用
- synchronized实现同步的基础：Java中的每一个对象都可以当做锁。具体表现为：
- 对于普通同步方法，锁是当前实例对象。
- 对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象。
- 对于同步方法块，锁是Synchronized括号里配置的对象。
- Java对象头
- synchronized用的锁是存在Java对象头里的。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽(Word)存储对象头，否则是2个字宽。32位虚拟机中，1字宽等于4字节。
- (待处理图片)
- 锁的升级与对比
- JavaSE1.6加入了"偏向锁"和"轻量级锁"。锁4种状态从低到高为：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，状态会随竞争情况升级。锁可以升级但不能降级，目的是提高获得锁和释放锁的效率。
- 锁的优缺点对比：
- 原子操作的实现原理
- 即为不可中断 的一个或者一系列操作。
- Java如何实现原子操作
- 使用循环CAS实现原子操作
- CAS实现原子操作的三大问题
- ABA问题：cas在操作值的时候需要检查值有没有发生变化，没有变化则更新，但如果一值原理为A，变成B后又变成A，使用CAS检查时发现值没有变化，但实际上却发生了变化。ABA问题的解决思路就是增加版本号，在变量前面加上版本号，每次变化则加1，那么A-B-A则变为1A-2B-3A。Java1.5开始，JDK的Atomic包里提供了AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，全部相等则以原子方式将改引用和该标记的值设置为给定的更新值。
- 循环时间长开销大：自旋CAS长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。（优化：使用JVM支持处理器的pause命令）
- 只能保证一个共享变量的原子操作：当对一个共享变量操作时，可以使用循环CAS的方式保证原子操作，但对于多个共享变量时，无法保证原子性，这时用锁。 其他办法:将多个共享变量合并成一个用CAS操作。1.5后用AtomicReference来操作保证。
- 使用锁机制来实现原子操作
Java内存模型
- Java内存模型的基础
- 并发编程模型的两个关键问题
- 线程之间如何通信
- 命令式编程中，通信方式有两种：共享内存和消息传递。在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，通过写-读内存中的公共状态进行隐式通信。在消息传递的的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间通过消息传递来显示进行通信。
- 线程之前如何同步
- 同步是指程序中用于控制不同线程间操作发生相对顺序的机制。在共享内存的并发模型中，同步是显示进行的。
- Java采用的是共享内存模型，通信是隐式进行的。
- Java内存模型的抽象结构
- 在Java中，所有实例域、静态域和数组元素都存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享局部变量，方法定义参数和异常处理器参数不会在线程之间共享，它们不会有内存可见性问题，也不受内存模型的影响。
- Java线程之间的通信由Java内存模型（JMM）控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存中，每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化。Java内存模型的抽象示意如图3-1所示：
- 从图3-1看到，如果A和B线程之间需要通信的时候，必须经历下面2个步骤
- 1、线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
- 2、线程B到主内存中读取线程A之前已更新过的共享变量。
- 过程如图所示
- 总结：JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为Java提供内存可见性保证。
- 从源代码到指令序列的重排序
- 在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令进行重排序，分为以下3种
- 编译器优化的重排序：编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
- 指令级并行的重排序： 现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
- 内存系统的重排序： 由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。