java高併發系列 第1天:必須知道的幾個概念 同步（Synchronous）和非同步（Asynchronous） 同步和非同步通常來形容一次方法調用， 同步方法調用一旦開始，調用者必須等到方法調用返回後，才能繼續後續的行為 。 非同步方法調用更像一個消息傳遞，一旦開始，方法調用就會立即返回，調用者就可以 ...
java高併發系列-第1天:必須知道的幾個概念
同步（Synchronous）和非同步（Asynchronous）
同步和非同步通常來形容一次方法調用，同步方法調用一旦開始，調用者必須等到方法調用返回後，才能繼續後續的行為。非同步方法調用更像一個消息傳遞，一旦開始，方法調用就會立即返回，調用者就可以繼續後續的操作。而非同步方法通常會在另外一個線程中“真實”地執行。整個過程，不會阻礙調用者的工作。
如圖：
上圖中顯示了同步方法調用和非同步方法調用的區別。對於調用者來說，非同步調用似乎是一瞬間就完成的。如果非同步調用需要返回結果，那麼當這個非同步調用真實完成時，則會通知調用者。
打個比方，比如購物，如果你去商場買空調，當你到了商場看重了一款空調，你就向售貨員下單。售貨員去倉庫幫你調配物品。這天你熱的是在不行了，就催著商家趕緊給你送貨，於是你就在商店裡面候著他們，直到商家把你和空調一起送回家，一次愉快的購物就結束了。這就是同步調用。
不過，如果我們趕時髦，就坐在家裡打開電腦，在電腦上訂購了一臺空調。當你完成網上支付的時候，對你來說購物過程已經結束了。雖然空調還沒有送到家，但是你的任務已經完成了。商家接到你的訂單後，就會加緊安平送貨，當然這一切已經跟你無關了。你已經支付完成，想乾什麼就能去乾什麼，出去溜幾圈都不成問題，等送貨上門的時候，接到商家的電話，回家一趟簽收就完事了。這就是非同步調用。
併發（Concurrency）和並行（Parallelism）
併發和並行是兩個非常容易被混淆的概念。他們都可以表示兩個或者多個任務一起執行，但是側重點有所不同。併發偏重於多個任務交替執行，而多個任務之間有可能還是串列的，而並行是真正意義上的“同時執行”，下圖很好地詮釋了這點。
大家排隊在一個咖啡機上接咖啡，交替執行，是併發；兩台咖啡機上面接咖啡，是並行。
從嚴格意義上來說，並行的多任務是真的同時執行，而對於併發來說，這個過程只是交替的，一會執行任務A，一會執行任務B，系統會不停地在兩者之間切換。但對於外部觀察者來說，即使多個任務之間是串列併發的，也會造成多任務間並行執行的錯覺。
併發說的是在一個時間段內，多件事情在這個時間段內交替執行。
並行說的是多件事情在同一個時刻同事發生。
實際上，如果系統內只有一個CPU，而使用多進程或者多線程任務，那麼真實環境中這些任務不可能是真實並行的，畢竟一個CPU一次只能執行一條指令，在這種情況下多進程或者多線程就是併發的，而不是並行的（操作系統會不停地切換多任務）。真實的並行也只可能出現在擁有多個CPU的系統中（比如多核CPU）。
臨界區
臨界區用來表示一種公共資源或者說共用數據，可以被多個線程使用，但是每一次只能有一個線程使用它，一旦臨界區資源被占用，其他線程要想使用這個資源就必須等待。
比如，一個辦公室里有一臺印表機，印表機一次只能執行一個任務。如果小王和小明同時需要列印文件，很明顯，如果小王先發了列印任務，印表機就開始列印小王的文件，小明的任務就只能等待小王列印結束後才能列印，這裡的印表機就是一個臨界區的例子。
在並行程式中，臨界區資源是保護的對象，如果意外出現印表機同時執行兩個任務的情況，那麼最有可能的結果就是列印出來的文件是損壞的文件，它既不是小王想要的，也不是小明想要的。
阻塞（Blocking）和非阻塞（Non-Blocking）
阻塞和非阻塞通常用來形容很多線程間的相互影響。比如一個線程占用了臨界區資源，那麼其他所有需要這個資源的線程就必須在這個臨界區中等待。等待會導致線程掛起，這種情況就是阻塞。此時，如果占用資源的線程一直不願意釋放資源，那麼其他線程阻塞在這個臨界區上的線程都不能工作。
非阻塞的意思與之相反，它強調沒有一個線程可以妨礙其他線程執行，所有的線程都會嘗試不斷向前執行。
死鎖（Deadlock）、饑餓（Starvation）和活鎖（Livelock）
死鎖、饑餓和活鎖都屬於多線程的活躍性問題。如果發現上述幾種情況，那麼相關線程就不再活躍，也就是說它可能很難再繼續往下執行了。
死鎖應該是最糟糕的一種情況了（當然，其他幾種情況也好不到哪裡去），如下圖顯示了一個死鎖的發生：
A、B、C、D四輛小車都在這種情況下都無法繼續行駛了。他們彼此之間相互占用了其他車輛的車道，如果大家都不願意釋放自己的車道，那麼這個狀況將永遠持續下去，誰都不可能通過，死鎖是一個很嚴重的並且應該避免和實時小心的問題，後面的文章中會做更詳細的討論。
饑餓是指某一個或者多個線程因為種種原因無法獲得所要的資源，導致一直無法執行。比如它的優先順序可能太低，而高優先順序的線程不斷搶占它需要的資源，導致低優先順序線程無法工作。在自然界中，母雞給雛鳥喂食很容易出現這種情況：由於雛鳥很多，食物有限，雛鳥之間的事務競爭可能非常厲害，經常搶不到事務的雛鳥有可能被餓死。線程的饑餓非常類似這種情況。此外，某一個線程一直占著關鍵資源不放，導致其他需要這個資源的線程無法正常執行，這種情況也是饑餓的一種。於死鎖想必，饑餓還是有可能在未來一段時間內解決的（比如，高優先順序的線程已經完成任務，不再瘋狂執行）。
活鎖是一種非常有趣的情況。不知道大家是否遇到過這麼一種場景，當你要做電梯下樓時，電梯到了，門開了，這是你正準備出去。但很不巧的是，門外一個人當著你的去路，他想進來。於是，你很禮貌地靠左走，禮讓對方。同時，對方也非常禮貌的靠右走，希望禮讓你。結果，你們倆就又撞上了。於是乎，你們都意識到了問題，希望儘快避讓對方，你立即向右邊走，同時，他立即向左邊走。結果，又撞上了！不過介於人類的智慧，我相信這個動作重覆兩三次後，你應該可以順利解決這個問題。因為這個時候，大家都會本能地對視，進行交流，保證這種情況不再發生。但如果這種情況發生在兩個線程之間可能就不那麼幸運了。如果線程智力不夠。且都秉承著“謙讓”的原則，主動將資源釋放給他人使用，那麼久會導致資源不斷地在兩個線程間跳動，而沒有一個線程可以同時拿到所有資源正常執行。這種情況就是活鎖。
死鎖的例子
package com.jvm.visualvm;
/**
* <a href="http://www.itsoku.com/archives">Java乾貨鋪子,只生產乾貨，公眾號：javacode2018</a>
*/
public class Demo4 {
public static void main(String[] args) {
Obj1 obj1 = new Obj1();
Obj2 obj2 = new Obj2();
Thread thread1 = new Thread(new SynAddRunalbe(obj1, obj2, 1, 2, true));
thread1.setName("thread1");
thread1.start();
Thread thread2 = new Thread(new SynAddRunalbe(obj1, obj2, 2, 1, false));
thread2.setName("thread2");
thread2.start();
}
/**
* 線程死鎖等待演示
*/
public static class SynAddRunalbe implements Runnable {
Obj1 obj1;
Obj2 obj2;
int a, b;
boolean flag;
public SynAddRunalbe(Obj1 obj1, Obj2 obj2, int a, int b, boolean flag) {
this.obj1 = obj1;
this.obj2 = obj2;
this.a = a;
this.b = b;
this.flag = flag;
}
@Override
public void run() {
try {
if (flag) {
synchronized (obj1) {
Thread.sleep(100);
synchronized (obj2) {
System.out.println(a + b);
}
}
} else {
synchronized (obj2) {
Thread.sleep(100);
synchronized (obj1) {
System.out.println(a + b);
}
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static class Obj1 {
}
public static class Obj2 {
}
}運行上面代碼，可以通過jstack查看到死鎖信息:
"thread2" #13 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000029225000 nid=0x3c94 waiting for monitor entry [0x0000000029c9f000]
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at com.jvm.visualvm.Demo4$SynAddRunalbe.run(Demo4.java:50)
- waiting to lock <0x00000007173d40f0> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1)
- locked <0x00000007173d6310> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
Locked ownable synchronizers:
- None
"thread1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000029224800 nid=0x6874 waiting for monitor entry [0x0000000029b9f000]
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at com.jvm.visualvm.Demo4$SynAddRunalbe.run(Demo4.java:43)
- waiting to lock <0x00000007173d6310> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2)
- locked <0x00000007173d40f0> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
Locked ownable synchronizers:
- Nonethread1持有com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1的鎖，等待獲取com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2的鎖
thread2持有com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2的鎖，等待獲取com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1的鎖，兩個線程相互等待獲取對方持有的鎖，出現死鎖。
饑餓死鎖的例子
package com.jvm.jconsole;
import java.util.concurrent.*;
/**
* <a href="http://www.itsoku.com/archives">Java乾貨鋪子,只生產乾貨，公眾號：javacode2018</a>
*/
public class ExecutorLock {
private static ExecutorService single = Executors.newSingleThreadExecutor();
public static class AnotherCallable implements Callable<String> {
@Override
public String call() throws Exception {
System.out.println("in AnotherCallable");
return "annother success";
}
}
public static class MyCallable implements Callable<String> {
@Override
public String call() throws Exception {
System.out.println("in MyCallable");
Future<String> submit = single.submit(new AnotherCallable());
return "success:" + submit.get();
}
}
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
MyCallable task = new MyCallable();
Future<String> submit = single.submit(task);
System.out.println(submit.get());
System.out.println("over");
single.shutdown();
}
}執行代碼，輸出：
in MyCallable使用jstack命令查看線程堆棧信息：
"pool-1-thread-1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000028e3d000 nid=0x58a4 waiting on condition [0x00000000297ff000]
java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
- parking to wait for <0x0000000717921bf0> (a java.util.concurrent.FutureTask)
at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:175)
at java.util.concurrent.FutureTask.awaitDone(FutureTask.java:429)
at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:191)
at com.jvm.jconsole.ExecutorLock$MyCallable.call(ExecutorLock.java:25)
at com.jvm.jconsole.ExecutorLock$MyCallable.call(ExecutorLock.java:20)
at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:266)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
Locked ownable synchronizers:
- <0x00000007173f2690> (a java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker)
"main" #1 prio=5 os_prio=0 tid=0x00000000033e4000 nid=0x5f94 waiting on condition [0x00000000031fe000]
java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
- parking to wait for <0x00000007173f1d48> (a java.util.concurrent.FutureTask)
at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:175)
at java.util.concurrent.FutureTask.awaitDone(FutureTask.java:429)
at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:191)
at com.jvm.jconsole.ExecutorLock.main(ExecutorLock.java:32)
Locked ownable synchronizers:
- None
堆棧信息結合圖中的代碼，可以看出主線程在32行處於等待中，線程池中的工作線程在25行處於等待中，等待獲取結果。由於線程池是一個線程，AnotherCallable得不到執行，而被餓死，最終導致了程式死鎖的現象。
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