Java併發完整教程

1 什麼是併發問題。

多個進程或線程同時(或着說在同一段時間內)訪問同一資源會產生併發問題。

銀行兩操作員同時操作同一賬戶就是典型的例子。比如A、B操作員同時讀取一餘額爲1000元的賬戶，A操作員爲該賬戶增加100元，B操作員同時爲該賬戶減去 50元，A先提交，B後提交。最後實際賬戶餘額爲1000-50=950元，但本該爲 1000+100-50=1050。這就是典型的併發問題。如何解決？可以用鎖。

2 java中synchronized的用法

用法1
```
public class Test{
    public synchronized void print(){
        ....;
    } 
}
```
某線程執行print()方法，則該對象將加鎖。其它線程將無法執行該對象的所有synchronized塊。

用法2

public class Test{
    public void print(){
        synchronized(this){//鎖住本對象
            ...;
        }
    }
}

同用法1, 但更能體現synchronized用法的本質。

用法3

public class Test{
    private String a = "test";
    public void print(){
        synchronized(a){//鎖住a對象
            ...;
        }
    }
    public synchronized void t(){
        ...; //這個同步代碼塊不會因爲print()而鎖定.
    }
}

執行print()，會給對象a加鎖，注意不是給Test的對象加鎖，也就是說 Test對象的其它synchronized方法不會因爲print()而被鎖。同步代碼塊執行完，則釋放對a的鎖。

爲了鎖住一個對象的代碼塊而不影響該對象其它 synchronized塊的高性能寫法：

public class Test{
    private byte[] lock = new byte[0];
    public void print(){
        synchronized(lock){
            ...;
        }
    }
    public synchronized void t(){
        ...; 
    }
}

靜態方法的鎖

public class Test{
    public synchronized static void execute(){
        ...;
    }
}

效果同

public class Test{
    public static void execute(){
        synchronized(TestThread.class){
            ...;
        }
    }
}

3 Java中的鎖與排隊上廁所。

鎖就是阻止其它進程或線程進行資源訪問的一種方式，即鎖住的資源不能被其它請求訪問。在JAVA中，sychronized關鍵字用來對一個對象加鎖。比如:

public class MyStack {
    int idx = 0;
    char [] data = new char[6];

    public synchronized void push(char c) {
        data[idx] = c;
        idx++;
    }

    public synchronized char pop() {
        idx--;
        return data[idx];
    }

    public static void main(String args[]){
        MyStack m = new MyStack();
        /**
           下面對象m被加鎖。嚴格的說是對象m的所有synchronized塊被加鎖。
           如果存在另一個試圖訪問m的線程T，那麼T無法執行m對象的push和
           pop方法。
        */
        m.pop();//對象m被加鎖。
    }
}

Java的加鎖解鎖跟多個人排隊等一個公共廁位完全一樣。第一個人進去後順手把門從裏面鎖住，其它人只好排隊等。第一個人結束後出來時，門纔會打開（解鎖）。輪到第二個人進去，同樣他又會把門從裏面鎖住，其它人繼續排隊等待。

用廁所理論可以很容易明白: 一個人進了一個廁位，這個廁位就會鎖住，但不會導致另一個廁位也被鎖住，因爲一個人不能同時蹲在兩個廁位裏。對於Java 就是說：Java中的鎖是針對同一個對象的，不是針對class的。看下例：

MyStatck m1 = new MyStack();
MyStatck m2 = new Mystatck();
m1.pop();
m2.pop();

m1對象的鎖是不會影響m2的鎖的，因爲它們不是同一個廁位。就是說，假設有 3線程t1,t2,t3操作m1，那麼這3個線程只可能在m1上排隊等，假設另2個線程 t8,t9在操作m2，那麼t8,t9只會在m2上等待。而t2和t8則沒有關係，即使m2上的鎖釋放了，t1,t2,t3可能仍要在m1上排隊。原因無它，不是同一個廁位耳。

Java不能同時對一個代碼塊加兩個鎖，這和數據庫鎖機制不同，數據庫可以對一條記錄同時加好幾種不同的鎖，請參見：

http://hi.baidu.com/dapplehou/blog/item/b341a97744fe6616b151b9a3.html

4 何時釋放鎖？

一般是執行完畢同步代碼塊（鎖住的代碼塊）後就釋放鎖，也可以用wait()方式半路上釋放鎖。wait()方式就好比蹲廁所到一半，突然發現下水道堵住了，不得已必須出來站在一邊，好讓修下水道師傅(準備執行notify的一個線程）進去疏通馬桶，疏通完畢，師傅大喊一聲: "已經修好了"(notify)，剛纔出來的同志聽到後就重新排隊。注意啊，必須等師傅出來啊，師傅不出來，誰也進不去。也就是說notify後，不是其它線程馬上可以進入封鎖區域活動了，而是必須還要等notify代碼所在的封鎖區域執行完畢從而釋放鎖以後，其它線程纔可進入。

這裏是wait與notify代碼示例：

public synchronized char pop() {
    char c;
    while (buffer.size() == 0) {
        try {
            this.wait(); //從廁位裏出來
        } catch (InterruptedException e) {
            // ignore it...
        }
    }
    c = ((Character)buffer.remove(buffer.size()-1)).
        charValue();
    return c;
}

public synchronized void push(char c) {
    this.notify(); //通知那些wait()的線程重新排隊。注意：僅僅是通知它們重新排隊。
    Character charObj = new Character(c);
    buffer.addElement(charObj);
}//執行完畢，釋放鎖。那些排隊的線程就可以進來了。

再深入一些。

由於wait()操作而半路出來的同志沒收到notify信號前是不會再排隊的，他會在旁邊看着這些排隊的人(其中修水管師傅也在其中）。注意，修水管的師傅不能插隊，也得跟那些上廁所的人一樣排隊，不是說一個人蹲了一半出來後，修水管師傅就可以突然冒出來然後立刻進去搶修了，他要和原來排隊的那幫人公平競爭，因爲他也是個普通線程。如果修水管師傅排在後面，則前面的人進去後，發現堵了，就wait，然後出來站到一邊，再進去一個，再wait，出來，站到一邊，只到師傅進去執行notify. 這樣，一會兒功夫，排隊的旁邊就站了一堆人，等着notify.

終於，師傅進去，然後notify了，接下來呢？

1. 有一個wait的人（線程）被通知到。
2. 爲什麼被通知到的是他而不是另外一個wait的人？取決於JVM.我們無法預先
   判斷出哪一個會被通知到。也就是說，優先級高的不一定被優先喚醒，等待
   時間長的也不一定被優先喚醒，一切不可預知！(當然，如果你瞭解該JVM的
   實現，則可以預知）。
3. 他（被通知到的線程）要重新排隊。
4. 他會排在隊伍的第一個位置嗎？回答是：不一定。他會排最後嗎？也不一定。
   但如果該線程優先級設的比較高，那麼他排在前面的概率就比較大。
5. 輪到他重新進入廁位時，他會從上次wait()的地方接着執行，不會重新執行。
   噁心點說就是，他會接着拉巴巴，不會重新拉。
6. 如果師傅notifyAll(). 則那一堆半途而廢出來的人全部重新排隊。順序不可知。

Java DOC 上說，The awakened threads will not be able to proceed until the current thread relinquishes the lock on this object(當前線程釋放鎖前，喚醒的線程不能去執行）。

這用廁位理論解釋就是顯而易見的事。

5 Lock的使用

用synchronized關鍵字可以對資源加鎖。用Lock關鍵字也可以。它是JDK1.5中新增內容。用法如下：

class BoundedBuffer {
    final Lock lock = new ReentrantLock();
    final Condition notFull  = lock.newCondition(); 
    final Condition notEmpty = lock.newCondition(); 

    final Object[] items = new Object[100];
    int putptr, takeptr, count;

    public void put(Object x) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == items.length) 
                notFull.await();
            items[putptr] = x; 
            if (++putptr == items.length) putptr = 0;
            ++count;
            notEmpty.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public Object take() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 0) 
                notEmpty.await();
            Object x = items[takeptr]; 
            if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
            --count;
            notFull.signal();
            return x;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    } 
}

(注：這是JavaDoc裏的例子，是一個阻塞隊列的實現例子。所謂阻塞隊列，就是一個隊列如果滿了或者空了，都會導致線程阻塞等待。Java裏的 ArrayBlockingQueue提供了現成的阻塞隊列，不需要自己專門再寫一個了。)

一個對象的lock.lock()和lock.unlock()之間的代碼將會被鎖住。這種方式比起synchronize好在什麼地方？簡而言之，就是對wait的線程進行了分類。用廁位理論來描述，則是那些蹲了一半而從廁位裏出來等待的人原因可能不一樣，有的是因爲馬桶堵了，有的是因爲馬桶沒水了。通知(notify)的時候，就可以喊：因爲馬桶堵了而等待的過來重新排隊（比如馬桶堵塞問題被解決了），或者喊，因爲馬桶沒水而等待的過來重新排隊(比如馬桶沒水問題被解決了）。這樣可以控制得更精細一些。不像synchronize裏的wait和notify，不管是馬桶堵塞還是馬桶沒水都只能喊：剛纔等待的過來排隊！假如排隊的人進來一看，發現原來只是馬桶堵塞問題解決了，而自己渴望解決的問題（馬桶沒水）還沒解決，只好再回去等待(wait)，白進來轉一圈，浪費時間與資源。

Lock方式與synchronized對應關係：

Lock	await	signal	signalAll
synchronized	wait	notify	notifyAll

注意：不要在Lock方式鎖住的塊裏調用wait、notify、notifyAll

6 利用管道進行線程間通信

原理簡單。兩個線程，一個操作PipedInputStream,一個操作 PipedOutputStream。PipedOutputStream寫入的數據先緩存在Buffer中,如果 Buffer滿，此線程wait。PipedInputStream讀出Buffer中的數據，如果Buffer 沒數據，此線程wait。

jdk1.5中的阻塞隊列可實現同樣功能。

例1 這個例子實際上只是單線程，還談不上線程間通信，但不妨一看。

http://hi.baidu.com/ecspell/blog/item/7b02d3133ab555005aaf53f5.html

package io;
import java.io.*;
public class PipedStreamTest {
    public static void main(String[] args) {
        PipedOutputStream ops=new PipedOutputStream();
        PipedInputStream pis=new PipedInputStream();
        try{
            ops.connect(pis);//實現管道連接
            new Producer(ops).run();
            new Consumer(pis).run();
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

//生產者
class Producer implements Runnable{
    private PipedOutputStream ops;
    public Producer(PipedOutputStream ops)
    {
        this.ops=ops;
    }

    public void run()
    {
        try{
            ops.write("hell,spell".getBytes());
            ops.close();
        }catch(Exception e)
            {e.printStackTrace();}
    }
}

//消費者
class Consumer implements Runnable{
    private PipedInputStream pis;
    public Consumer(PipedInputStream pis)
    {
        this.pis=pis;
    }

    public void run()
    {
        try{
            byte[] bu=new byte[100];
            int len=pis.read(bu);
            System.out.println(new String(bu,0,len));
            pis.close();
        }catch(Exception e)
            {e.printStackTrace();}
    }
}

例2 對上面的程序做少許改動就成了兩個線程。

package io;
import java.io.*;
public class PipedStreamTest {
    public static void main(String[] args) {
        PipedOutputStream ops=new PipedOutputStream();
        PipedInputStream pis=new PipedInputStream();
        try{
            ops.connect(pis);//實現管道連接
            Producer p = new Producer(ops);
            new Thread(p).start();
            Consumer c = new Consumer(pis);
            new Thread(c).start();
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

//生產者
class Producer implements Runnable{
    private PipedOutputStream ops;
    public Producer(PipedOutputStream ops)
    {
        this.ops=ops;
    }

    public void run()
    {
        try{
            for(;;){
                ops.write("hell,spell".getBytes());
                ops.close();
            }
        }catch(Exception e)
            {e.printStackTrace();}
    }
}

//消費者
class Consumer implements Runnable{
    private PipedInputStream pis;
    public Consumer(PipedInputStream pis)
    {
        this.pis=pis;
    }

    public void run()
    {
        try{
            for(;;){
                byte[] bu=new byte[100];
                int len=pis.read(bu);
                System.out.println(new String(bu,0,len));
            }
            pis.close();
        }catch(Exception e)
            {e.printStackTrace();}
    }
}

例3. 這個例子更加貼進應用

import java.io.*;
       
public class PipedIO { //程序運行後將sendFile文件的內容拷貝到receiverFile文件中
    public static void main(String args[]){       
        try{//構造讀寫的管道流對象       
            PipedInputStream pis=new PipedInputStream();       
            PipedOutputStream pos=new PipedOutputStream();       
            //實現關聯       
            pos.connect(pis);       
            //構造兩個線程，並且啓動。           
            new Sender(pos,"c:\\text2.txt").start();           
            new Receiver(pis,"c:\\text3.txt").start();         
        }catch(IOException e){       
            System.out.println("Pipe Error"+ e);       
        }       
    }       
}       
//線程發送       
class Sender extends Thread{           
    PipedOutputStream pos;       
    File file;       
    //構造方法       
    Sender(PipedOutputStream pos, String fileName){       
        this.pos=pos;       
        file=new File(fileName);       
    }          
    //線程運行方法       
    public void run(){          
        try{       
            //讀文件內容       
            FileInputStream fs=new FileInputStream(file);       
            int data;       
            while((data=fs.read())!=-1){       
                //寫入管道始端       
                pos.write(data);       
            }       
            pos.close();                        
        }       
        catch(IOException e) {       
            System.out.println("Sender Error" +e);       
        }       
    }       
}
       
//線程讀       
class Receiver extends Thread{       
    PipedInputStream pis;       
    File file;       
    //構造方法       
    Receiver(PipedInputStream pis, String fileName){         
        this.pis=pis;       
        file=new File(fileName);       
    }          
    //線程運行       
    public void run(){          
        try {       
            //寫文件流對象       
            FileOutputStream fs=new FileOutputStream(file);       
            int data;       
            //從管道末端讀       
            while((data=pis.read())!=-1){
       
                //寫入本地文件       
                fs.write(data);       
            }       
            pis.close();            
        }       
        catch(IOException e){       
            System.out.println("Receiver Error" +e);       
        }       
    }       
}

7 阻塞隊列

阻塞隊列可以代替管道流方式來實現進水管/排水管模式（生產者/消費者).JDK1.5提供了幾個現成的阻塞隊列. 現在來看ArrayBlockingQueue的代碼如下：

這裏是一個阻塞隊列

BlockingQueue<Object> blockingQ = new ArrayBlockingQueue<Object> 10;

一個線程從隊列裏取

for(;;){
    Object o = blockingQ.take();//隊列爲空，則等待（阻塞）
}

另一個線程往隊列存

for(;;){
    blockingQ.put(new Object());//隊列滿，則等待（阻塞）
}

可見，阻塞隊列使用起來比管道簡單。

8 使用Executors、Executor、ExecutorService、ThreadPoolExecutor

可以使用線程管理任務。還可以使用jdk1.5提供的一組類來更方便的管理任務。從這些類裏我們可以體會一種面向任務的思維方式。這些類是：

Executor接口。使用方法：
```
Executor executor = anExecutor;//生成一個Executor實例。
executor.execute(new RunnableTask1());
```
用意：使用者只關注任務執行，不用操心去關注任務的創建、以及執行細節等這些第三方實現者關心的問題。也就是說，把任務的調用執行和任務的實現解耦。

實際上，JDK1.5中已經有該接口出色的實現。夠用了。
Executors是一個如同Collections一樣的工廠類或工具類，用來產生各種不同接口的實例。

ExecutorService接口它繼承自Executor. Executor只管把任務扔進 executor()裏去執行，剩餘的事就不管了。而ExecutorService則不同，它會多做點控制工作。比如：

class NetworkService {
    private final ServerSocket serverSocket;
    private final ExecutorService pool;

    public NetworkService(int port, int poolSize) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
        pool = Executors.newFixedThreadPool(poolSize);
    }
 
    public void serve() {
        try {
            for (;;) {
                pool.execute(new Handler(serverSocket.accept()));
            }
        } catch (IOException ex) {
            pool.shutdown(); //不再執行新任務
        }
    }
}

class Handler implements Runnable {
    private final Socket socket;
    Handler(Socket socket) { this.socket = socket; }
    public void run() {
        // read and service request
    }
}

ExecutorService(也就是代碼裏的pool對象）執行shutdown後，它就不能再執行新任務了，但老任務會繼續執行完畢，那些等待執行的任務也不再等待了。

任務提交者與執行者通訊

public static void main(String args[])throws Exception {
    ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
    Callable<String> task = new Callable<String>(){
        public String call()throws Exception{
            return "test";
        }
    };
    Future<String> f = executor.submit(task); 
    String result = f.get();//等待（阻塞）返回結果
    System.out.println(result);
    executor.shutdown();                
}

Executors.newSingleThreadExecutor()取得的Executor實例有以下特性:

任務順序執行. 比如：
```
executor.submit(task1);
executor.submit(task2);
```
必須等task1執行完，task2才能執行。
task1和task2會被放入一個隊列裏，由一個工作線程來處理。即：一共有2個線程(主線程、處理任務的工作線程）。

其它的類請參考Java Doc

9 併發流程控制

本節例子來自溫少的Java併發教程，可能會有改動。向溫少致敬。

CountDownLatch 門插銷計數器

啓動線程，然後等待線程結束。即常用的主線程等所有子線程結束後再執行的問題。

public static void main(String[] args)throws Exception {
    // TODO Auto-generated method stub
    final int count=10;
    final CountDownLatch completeLatch = new CountDownLatch(count);//定義了門插銷的數目是10
                
    for(int i=0;i<count;i++){
        Thread thread = new Thread("worker thread"+i){
                public void run(){
                    //do xxxx                                   
                    completeLatch.countDown();//減少一根門插銷
                }
            };
        thread.start();
    }           
    completeLatch.await();//如果門插銷還沒減完則等待。
}

JDK1.4時，常用辦法是給子線程設置狀態，主線程循環檢測。易用性和效率都不好。

啓動很多線程，等待通知才能開始

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // TODO Auto-generated method stub
    final CountDownLatch startLatch = new CountDownLatch(1);//定義了一根門插銷

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        Thread thread = new Thread("worker thread" + i) {
                public void run() {
                    try {
                        startLatch.await();//如果門插銷還沒減完則等待
                    } catch (InterruptedException e) {

                    }
                    // do xxxx
                }
            };
        thread.start();
    }
    startLatch.countDown();//減少一根門插銷
}

CycliBarrier. 等所有線程都達到一個起跑線後才能開始繼續運行。

public class CycliBarrierTest implements Runnable {
    private CyclicBarrier barrier;

    public CycliBarrierTest(CyclicBarrier barrier) {
        this.barrier = barrier;
    }

    public void run() {
        //do xxxx;
        try {
            this.barrier.await();//線程運行至此會檢查是否其它線程都到齊了，沒到齊就繼續等待。到齊了就執行barrier的run函數體裏的內容
        } catch (Exception e) {

        }
    }

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        //參數2代表兩個線程都達到起跑線纔開始一起繼續往下執行
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2, new Runnable() {
                public void run() {
                    //do xxxx;
                }
            });
        Thread t1 = new Thread(new CycliBarrierTest(barrier));         
        Thread t2 = new Thread(new CycliBarrierTest(barrier));
        t1.start();
        t2.start();
    }

}

這簡化了傳統的用計數器+wait/notifyAll來實現該功能的方式。

10 併發3定律

Amdahl定律. 給定問題規模，可並行化部分佔12%，那麼即使把並行運用到極致，系統的性能最多也只能提高1/(1-0.12)=1.136倍。即：並行對提高系統性能有上限。
Gustafson定律. Gustafson定律說Amdahl定律沒有考慮隨着cpu的增多而有更多的計算能力可被使用。其本質在於更改問題規模從而可以把Amdahl定律中那剩下的88%的串行處理並行化，從而可以突破性能門檻。本質上是一種空間換時間。
Sun-Ni定律. 是前兩個定律的進一步推廣。其主要思想是計算的速度受限於存儲而不是CPU的速度. 所以要充分利用存儲空間等計算資源，儘量增大問題規模以產生更好/更精確的解.

11 由併發到並行

計算機識別物體需要飛速的計算，以至於芯片發熱發燙，而人在識別物體時卻一目瞭然，卻並不會導致某個腦細胞被燒熱燒焦（誇張）而感到不適，是由於大腦是一個分佈式並行運行系統，就像google用一些廉價的linux服務器可以進行龐大複雜的計算一樣，大腦內部無數的神經元的獨自計算，互相分享成果，從而瞬間完成需要單個cpu萬億次運算纔能有的效果。試想，如果在並行處理領域有所創建，將對計算機的發展和未來產生不可估量的影響。當然，其中的挑戰也可想而知：許多的問題是並不容易輕易就“分割”的了的。

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Java併發完整教程

Table of Contents

1 什麼是併發問題。

2 java中synchronized的用法

3 Java中的鎖與排隊上廁所。

4 何時釋放鎖？

5 Lock的使用

6 利用管道進行線程間通信

7 阻塞隊列

8 使用Executors、Executor、ExecutorService、ThreadPoolExecutor

9 併發流程控制

10 併發3定律

11 由併發到並行

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