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1. Java内存区域

1.1 运行时数据区

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。主要包括:程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、Java堆、方法区(运 行时常量池)、直接内存。

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程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机概念模型中,字节码解释器工作时就是通过改变计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

程序计数器是一块“线程私有”的内存,各个线程相互独立存储,互不影响。

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9.1 CompletableFuture

CompletableFuture是JDK 8中引入的工具类,实现了Future接口,对以往的FutureTask的功能进行了增强。

手动设置完成状态

CompletableFuture和Future一样,可以作为函数调用的契约,当向CompletableFuture请求数据时,如果数据还没有准备好,请求线程就会等待。但是,我们可以手动设置CompletableFuture的完成状态。

下面的例子中,创建了CompletableFuture对象实例进行计算,同时另外一个线程进行等待,接着,模拟等待一段时间之后,设置完成状态为完成,此时等待线程继续执行。

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8. JMM和底层实现原理

8.1 线程间的通信与同步

线程之间的通信

线程的通信是指线程之间以何种机制来交换信息。在编程中,线程之间的通信机制有两种,共享内存和消息传递。

共享内存的并发模型里,线程之间共享程序的公共状态,线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信,典型的共享内存通信方式就是通过共享对象进行通信。

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7. 线程安全

7.1 线程安全的定义

如果多线程下使用这个类,不过多线程如何使用和调度这个类,这个类总是表示出正确的行为,这个类就是线程安全的。

类的线程安全表现为:

  • 操作的原子性
  • 内存的可见性

不做正确的同步,在多个线程之间共享状态的时候,就会出现线程不安全。

7.2 如何保证线程安全

栈封闭

所有的变量都是在方法内部声明的,这些变量都处于栈封闭状态。

比如下面的例子,a和b都是在方法内部定义的,无法被外部线程所访问,当方法结束后,栈内存被回收,所以是线程安全的。

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6. 线程池

6.1 基本概念

在web开发中,服务器需要接受并处理请求,所以会为一个请求来分配一个线程来进行处理。如果每次请求都新创建一个线程的话实现起来非常简便,但是存在一个问题:如果并发的请求数量非常多,但每个线程执行的时间很短,这样就会频繁的创建和销毁线程,如此一来会大大降低系统的效率。可能出现服务器在为每个请求创建新线程和销毁线程上花费的时间和消耗的系统资源要比处理实际的用户请求的时间和资源更多。

那么有没有一种办法使执行完一个任务,并不被销毁,而是可以继续执行其他的任务呢?这就是线程池的目的了。线程池为线程生命周期的开销和资源不足问题提供了解决方案。通过对多个任务重用线程,线程创建的开销被分摊到了多个任务上。

什么时候使用线程池?

  • 单个任务处理时间比较短
  • 需要处理的任务数量很大
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5 并发容器

5.1 Hashtable、HashMap、TreeMap、HashSet、LinkedHashMap

在介绍并发容器之前,先分析下普通的容器,以及相应的实现,方便后续的对比。

Hashtable、HashMap、TreeMap 都是最常见的一些 Map 实现,是以键值对的形式存储和操作数据的容器类型。

Hashtable 是早期 Java 类库提供的一个哈希表实现,本身是同步的,不支持 null 键和值,由于同步导致的性能开销,所以已经很少被推荐使用。

HashMap 是应用更加广泛的哈希表实现,行为上大致上与 HashTable 一致,主要区别在于 HashMap 不是同步的,支持 null 键和值等。通常情况下,HashMap 进行 put 或者 get 操作,可以达到常数时间的性能,所以它是绝大部分利用键值对存取场景的首选,比如,实现一个用户 ID 和用户信息对应的运行时存储结构。

HashMap 明确声明不是线程安全的数据结构,如果忽略这一点,简单用在多线程场景里,难免会出现问题,如 HashMap 在并发环境可能出现无限循环占用 CPU、size 不准确等诡异的问题。

TreeMap 则是基于红黑树的一种提供顺序访问的 Map,和 HashMap 不同,它的 get、put、remove 之类操作都是 O(log(n))的时间复杂度,具体顺序可以由指定的 Comparator 来决定,或者根据键的自然顺序来判断。

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4 显示锁和AQS

4.1 Lock接口

核心方法

Java在java.util.concurrent.locks包中提供了一系列的显示锁类,其中最基础的就是Lock接口,该接口提供了几个常见的锁相关的操作。

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public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}

下面分别进行介绍:

  • void lock();

获取锁。如果锁不可用,出于线程调度目的,将禁用当前线程,并且在获得锁之前,该线程将一直处于休眠状态。

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3. 原子操作与CAS

3.1 原子操作

所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作;这种操作一旦开始,就一直运行到结束,中间不会有任何context switch,也就是切换到另一个线程。

为了实现原子操作,Java中可以通过synchronized关键字将函数或者代码块包围,以实现操作的原子性。但是synchronized关键字有一些很显著的问题:

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2.线程的并发工具类

2.1 Fork-Join

JDK 7中引入了fork-join框架,专门来解决计算密集型的任务。可以将一个大任务,拆分成若干个小任务,如下图所示:

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Fork-Join框架利用了分而治之的思想:什么是分而治之?规模为N的问题,N<阈值,直接解决,N>阈值,将N分解为K个小规模子问题,子问题互相对立,与原问题形式相同,将子问题的解合并得到原问题的解.

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1.并发编程基础

1.1 基本概念

CPU核心与线程数关系

Java中通过多线程的手段来实现并发,对于单处理器机器上来讲,宏观上的多线程并行执行是通过CPU的调度来实现的,微观上CPU在某个时刻只会运行一个线程。事实上,如果这些任务不存在阻塞,也就是程序中的某个任务因为该程序控制范围之外的某些条件(通常是I/O)而导致不能继续执行,由于在任务之间切换会产生开销,因此并行的效率可能没有顺序执行的效率高,并行也就没有意义。

一般来讲,CPU核心数和线程数的关系为核心数:线程数=1:1;但是如果使用了超线程技术,可以达到1:2甚至更多。

CPU调度方式

CPU采用时间片轮转机制,来调度不同的线程运行,又称RR调度,注意这样会导致上下文切换。如果线程数目过大,可能产生较大的线程切换开销。

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