互联网的快速发展，Java开发的过程或多或少会需要进行并发编程，也会遇到一些并发编程带来的各种bug。下面从并发编程的理论、并发工具类、并发设计模式、并发模型案例，记录一下自己的学习历程。

1.并发编程理论

1.1 可见性、原子性、有序性

多核CPU的缓存与内存的关系

并发编程的来源于缓存导致的可见性问题，线程切换带来的原子性问题，编译优化带来的有序性问题，也就是并发编程需要遵循的三个原则。

可见性：一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到

原子性：一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性

有序性：程序按照代码的先后顺序执行

1.2 Java内存模型

Java语言规范引入了Java内存模型，通过定义多项规则对编译器和处理器进行限制，主要是针对可见性和有序性。主要是通过volatile、synchronized 和 final 三个关键字，以及Happens-Before 规则。

（1）锁，锁操作是具备happens-before关系的，解锁操作happens-before之后对同一把锁的加锁操作。实际上，在解锁的时候，JVM需要强制刷新缓存，使得当前线程所修改的内存对其他线程可见。

（2）volatile字段，volatile字段可以看成是一种不保证原子性的同步但保证可见性的特性，其性能往往是优于锁操作的。但是，频繁地访问 volatile字段也会出现因为不断地强制刷新缓存而影响程序的性能的问题。

（3）final修饰符，final修饰的实例字段则是涉及到新建对象的发布问题。当一个对象包含final修饰的实例字段时，其他线程能够看到已经初始化的final实例字段，这是安全的。

Happpens-Before规则：

（1）程序次序规则：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说，应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构。

（2）管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是同一个锁，而"后面"是指时间上的先后顺序。

（3）volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的"后面"同样是指时间上的先后顺序。

（4）线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。

（5）线程终止规则：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread.join（）方法结束、Thread.isAlive（）的返回值等手段检测到线程已经终止执行。

（6）线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。

（7）对象终结规则：一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的finalize()方法的开始。

1.3 互斥锁

互斥：同一个时刻只有一个线程在运行。锁是一种通用的技术方案，Java 语言提供的 synchronized 关键字，就是锁的一种实现。synchronized 关键字可以用来修饰方法，也可以用来修饰代码块。

class X {

  // 修饰非静态方法

  synchronized void foo() {

    // 临界区

  }

  // 修饰静态方法

  synchronized static void bar() {

    // 临界区

  }

  // 修饰代码块

  Object obj = new Object()；

  void baz() {

    synchronized(obj) {

      // 临界区

    }

  }

} 

当修饰静态方法的时候，锁定的是当前类的 Class 对象；当修饰非静态方法的时候，锁定的是当前实例对象 this。锁的本质是在锁定对象的头部字段写入锁定状态和线程信息，所以锁定的对象需要是一个不变的对象。

当用一把锁锁住多个资源，性能太差，会造成几个操作都是串行。所以可以用多把锁分别锁不同的资源，不同的操作可以并行操作。用不同的锁对受保护资源进行精细化管理，能够提升性能。这种锁还有个名字，叫细粒度锁。当然这样又会造成死锁的情况出现。要避免死锁就需要分析死锁发生的条件，有个叫 Coffman 的牛人早就总结过了，只有以下这四个条件都发生时才会出现死锁：

（1）互斥，共享资源 X 和 Y 只能被一个线程占用；

（2）占有且等待，线程 T1 已经取得共享资源 X，在等待共享资源 Y 的时候，不释放共享资源 X；

（3）不可抢占，其他线程不能强行抢占线程 T1 占有的资源；

（4）循环等待，线程 T1 等待线程 T2 占有的资源，线程 T2 等待线程 T1 占有的资源，就是循环等待。

1.4 用“等待-通知”机制优化循环等待

在 Java 语言里，等待 - 通知机制可以有多种实现方式，比如 Java 语言内置的 synchronized 配合 wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法就能轻松实现。如果 synchronized 锁定的是 this，那么对应的一定是 this.wait()、this.notify()、this.notifyAll()；如果 synchronized 锁定的是 target，那么对应的一定是 target.wait()、target.notify()、target.notifyAll() 。notify() 是会随机地通知等待队列中的一个线程，而 notifyAll() 会通知等待队列中的所有线程。有个阿姆达尔（Amdahl）定律，代表了处理器并行运算之后效率提升的能力，它正好可以解决这个问题，具体公式如下：

公式里的 n 可以理解为 CPU 的核数，p 可以理解为并行百分比。

1.5 Java线程

Java线程状态转换图

线程在sleep期间被打断了，抛出一个InterruptedException异常，try catch捕捉此异常，应该重置一下中断标示，因为抛出异常后，中断标示会自动清除掉！

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)｛

    Thread.currentThread().interrupt();

    e.printStackTrace();

  }

}

CPU 密集型计算:理论上“线程的数量 =CPU 核数”就是最合适的。不过在工程上，线程的数量一般会设置为“CPU 核数 +1”，这样的话，当线程因为偶尔的内存页失效或其他原因导致阻塞时，这个额外的线程可以顶上，从而保证 CPU 的利用率。

 I/O 密集型:最佳线程数 =CPU 核数 * [ 1 +（I/O 耗时 / CPU 耗时）]

Java不支持尾递归，尽量不要使用递归。

2.并发工具类

Java并发编程基础类

3.并发设计模式

Thread结构图

每个Thread线程内部都有一个Map，Map里面存储线程本地对象（key）和线程的变量副本（value），但是，Thread内部的Map是由ThreadLocal维护的，由ThreadLocal负责向map获取和设置线程的变量值。

4.并发编程案例

4.1 高性能限流器Guava RateLimiter

令牌桶算法是定时向令牌桶发送令牌，请求能够从令牌桶中拿到令牌，然后才能通过限流器；而漏桶算法里，请求就像水一样注入漏桶，漏桶会按照一定的速率自动将水漏掉，只有漏桶里还能注入水的时候，请求才能通过限流器。Guava RateLimiter采用令牌桶算法。

4.2 高性能网络应用框架Netty

Netty 是一个款优秀的网络编程框架，性能非常好，为了实现高性能的目标，Netty 做了很多优化，例如优化了 ByteBuffer、支持零拷贝等等，和并发编程相关的就是它的线程模型。

Netty线程模型

4.3 高性能队列Disruptor

Disruptor 是一款高性能的有界内存队列，基于Disruptor开发的系统单线程能支撑每秒600万订单。原因如下：

（1）内存分配更加合理，使用 RingBuffer 数据结构，数组元素在初始化时一次性全部创建，提升缓存命中率；对象循环利用，避免频繁 GC。

（2）能够避免伪共享，提升缓存利用率。

（3）采用无锁算法，避免频繁加锁、解锁的性能消耗。

（4）支持批量消费，消费者可以无锁方式消费多个消息。

Disruptor详细介绍：高性能队列Disruptor 很详细。

4.4 高性能数据库连接池HiKariCP

数据库连接池

HiKariCP 号称是业界跑得最快的数据库连接池，主要是有两个特殊的数据结构：FastList、ConcurrentBag。

1.FastList将remove(Object element) 方法的查找顺序变成了逆序查找；get(int index) 方法没有对 index 参数进行越界检查，HiKariCP 能保证不会越界

2.ConcurrentBag 通过 ThreadLocal 做一次预分配，避免直接竞争共享资源，非常适合池化资源的分配

4.5 Actor模型

Actor模型基于消息机制，可以实现并发编程和分布式编程。

4.6 软件事务内存

MVCC（全称是 Multi-Version Concurrency Control），也就是多版本并发控制，具体代表是：Multiverse