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0、插播2020CSDN博客之星投票新聞
近日（1月11日-1月24日），2020CSDN博客之星評選正在火熱進行中，作爲碼齡1年的小白有幸入選Top 200，首先很感謝CSDN官方把我選上，本來以爲只是來湊熱鬧，看大佬們PK ^_^#。
綜合過去4天大佬們戰況，前十名大佬坐得很穩，不得不令人佩服點贊！真正的實力可以看出，文章數量不重要，更重要的是質量！一切用數據說話，如圖：
截至 2021-01-15 14:40:01
看了大佬的驚人數據，與我差距甚大，不禁感慨，小白只希望進Top 100，希望看到這條新聞的大佬、朋友們、粉絲們、和我一樣的小白們，能頂我一下，爲我投全票，新年一起加油進步，萬事如意！^_^#
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一、開篇
在我之前寫的許多關於Java網絡編程的博文中，已經初步使用了多線程的技術，是java併發的相關應用案例。而現在，需要學習一些關於併發程序設計的原理，弄懂來龍去脈，相對更加深入地理解併發設計原理。而且我發現，前面學習Java網絡編程之後，有了實踐性的理解，再學習其相關原理，比較容易理解原理方面的知識。
這一篇記錄一下我學習的重要知識，整理出來感覺更容易看到，也是方便以後重溫學習查看！
二、併發與並行
很奇妙，併發和並行兩個概念在操作系統的課程上有學習過，當時只是在操作系統層面上理論的學習，未涉及實際應用場景和編程語言。現在重溫知識進一步學習，發現理解起來更實際了。
併發和並行概念有許多定義，整理一下好理解的幾個：
併發是指2個或多個活動在同一時間間隔內發生，在多道程序設計中，是指在同一時間段內有多個程序任務同時運行，也就是宏觀上同時執行，微觀上是串行的。
並行是指在微觀上多個任務同時執行，發生在同一個時間點上。顯然，要求多個程序任務並行運行，就需要多個處理器，在單處理器系統中，只有併發而無並行
在單個處理器上採用單核執行多個任務即爲併發，操作系統的調度程序會很快從一個任務切換到另一個任務，因此看起來所有任務都是同時運行的。而同一時間在不同處理器或處理器核心上同時執行多個任務，就是並行。
最關鍵的還是併發原理以及設計，在併發中一個重要概念“同步”由此引出。
同步是一種協調兩個或多個任務以獲得預期結果的機制。包括：
- 控制同步：任務依賴關係。當一個任務的執行需要依賴於另一個任務的結束時，第二個任務不能在前者完成之前開始。
- 數據訪問同步：當兩個或多個任務訪問共享變量時，在任意時間裏，只有一個任務可以訪問該變量。
與同步密切相關的一個概念是臨界段，它是一段代碼，用來保證在任意時間內只有一個任務能夠訪問共享資源。而互斥就是用來保證這個臨界段的機制。
三、併發程序帶來關鍵問題
併發程序的編寫設計需要在同步/互斥機制上做許多工作，才能保證併發程序正確執行。所以，需要關注下面幾個關鍵問題。
1、數據競爭
簡單來說，就是多個任務對共享變量進行寫入操作，而沒有同步機制的臨界段作爲約束，程序就存在數據競爭。
public class Account{
private float balance;
public void modify(float difference){
float value=this.balance;
this.balance=value+difference;
}
}例如，上面的例子，如果存在兩個任務執行同一個Account對象進行modify操作，初始balance=1000，最終應該是3000，但是如果兩個任務同時執行了modify方法的第一條語句，又同時執行第二條語句，結果變爲2000。因此，Account類不是線程安全的，沒有實現原子操作和同步機制。
2、死鎖
簡單來講，就是兩個或多個任務正在等待另一線程釋放的某個資源，而這個線程也正在等待前面的任務釋放的資源，這樣的併發程序就出現了死鎖。
完全滿足以下條件時候，就會導致死鎖。
- 互斥條件：死鎖中的資源是不可共享的，一個時間段內只有一個任務可以使用該資源。
- 請求和保持條件：任務已經保持了至少一個資源，但又提出新的請求，而該資源需要等待釋放，此時該任務阻塞等待，同時不會釋放自己獲得的資源。
- 非剝奪條件：資源只能被那些持有他們的任務釋放。
- 循環等待條件：任務1正等待任務2佔用的資源，任務2又正在等待任務3佔用的資源，……，這樣出現循環等待。
處理死鎖的方法有：預防、避免、檢測、解除。這四個基本方法都有具體實現的算法。
3、活鎖
如果系統中有兩個任務，總是因爲對方的行爲而改變自己的狀態，就會出現活鎖。
舉個栗子，任務1、2都需要資源1、2，此時任務1擁有資源1並加鎖，任務2擁有資源2並加鎖。當他們無法訪問所需資源時候，就釋放自己的資源並開始新的循環，這樣無限持續下去，兩個任務都不會結束自己的執行過程。
4、資源不足
活鎖就是一種資源不足的情況，當任務在系統中無法獲取所需資源繼續執行任務。
解決方法就是要確保公平原則。
5、優先權反轉
當一個低優先權任務持有高優先權任務所需資源時，就會發生優先權反轉，低優先權的任務會提前執行。
四、Java併發API（詳細）
java包含了豐富的併發API，在併發程序設計時候可以靈活使用。
1、基本併發類
- Thread類：描述了執行併發Java應用程序的所有線程。
- Runnable接口：Java中創建併發程序的另一種方式。
- ThreadLocal類：用於存放從屬於某個線程的變量。（沒有同步機制時使用）
- ThreadFactory接口：實現Factory設計模式的基類，用以創建定製線程。
2、同步機制
Java併發的同步機制支持定義訪問某個共享資源的臨界段；在某一共同點上同步不同的任務。
- sychronized關鍵字：可以在一個代碼塊或完整方法中定義一個臨界段。
- Lock接口：提供更豐富靈活的同步操作。其中ReentantLock用於實現一個條件關聯鎖；ReentantRead-WriteLock將讀寫操作分離；StampedLock包括了控制讀/寫訪問的模式，是Java8新增的特性。
以下幾個比較陌生：
- CountDownLatch類：允許多個任務等待多項操作的結束。
- CyclicBarrier類：允許多線程在某個共同點上進行同步。
- Phaser類：允許控制那些被分爲多階段的任務的執行。所有任務在完成當前階段分任務前，不能進入下個階段。
3、執行器
- Executor接口和ExecutorService接口：包括共有的execute方法。
- ThreadPoolExecutor類：可以定義線程池執行器任務的最大數目。
- ScheduledThreadPoolExecutor類：一種特殊的執行器，在一段延遲之後執行任務或週期性執行任務。
- Callable接口：提供返回值的Runnable接口的代替接口。
- Future接口：包含獲取Callable返回值並控制其狀態的方法。
4、Fork/Join框架
該框架定義了一種特殊的執行器，尤其針對分治求解問題，提供了一種優化機制，開銷小。主要類和接口：
- ForkJoinPool：實現了用於運行任務的執行器。
- ForkJoinTask：可以在上述類中執行的任務。
- ForkJoinWorkerThread：準備在1類中執行任務的線程。
5、併發數據結構
Java中常用的數據結構如：ArrayList、Map、HashMap等都不能在併發程序中使用，因爲沒有采取同步機制，不是線程安全的。如果自行採用同步機制，程序計算開銷增大。
因此，Java提供了併發程序中特殊的數據結構，屬於線程安全，主要有兩個類別：
- 阻塞型數據結構：包含了阻塞調用任務的方法，比如當獲取值時候該數據結果爲空。
- 非阻塞型數據結構：操作可以立即進行，不會阻塞調用任務。
常用的併發數據結構（線程安全）：
- ConcurrentHashMap：非阻塞哈希表（關鍵字Concurrent開頭的其他數據結構）
- ConcurrentLinkedDeque：非阻塞型列表
- LinkedBlockQueue：阻塞型隊列
- CopyOnWriteArrayList：讀讀共享、寫寫互斥、讀寫互斥。
- 實現了List接口
- 內部持有一個ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
- 底層是用volatile transient聲明的數組 array
- 讀寫分離，寫時複製出一個新的數組，完成插入、修改或者移除操作後將新數組賦值給array
5.PriorityBlockingQueue：阻塞型隊列，基於優先級對元素進行排序。
6.AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong和AtomicReference：基本Java數據類型的原子實現。（可使用原子變量代替同步）
五、併發設計模式
1、信號模型
實現該模式課採用信號量或者互斥，Java中的ReentrantLock或Semaphore，或者Object類的wait和notify方法。
public void task1(){
section1();
commonObject.notify();
}
public void task2(){
commonObject.wait();
section2();
}section2方法總是在section1之後執行。
2、會合模式
信號模式的推廣，第一個任務將等待第二個任務某個活動的完成，而第二個任務也在等待第一個任務某個活動的完成，區別在於使用到兩個對象。
public void task1(){
section1_1();
commonObject1.notify();
commonObject2.wait();
section1_2();
}
public void task2(){
section2_1();
commonObject2.notify();
commonObject1.wait();
section2_2();
}其中的語句順序不能修改，否則可能出現死鎖。
section2_2總是在section1_1後執行， section1_2總是在section2_1後執行.
3、互斥模式
互斥機制用以實現臨界段，確保操作相互排斥。
public void task1() {
preSection();
try {
lockObject.lock();//臨界段開始
section();
}catch (Exception e){
……
}finally {
lockObject.unlock();//臨界段結束
postSection();
}
}4、讀寫鎖模式
該模式定義了一種特殊的鎖，包含兩個內部鎖：一個用於讀操作，一個用於寫操作。
鎖的特點：讀讀共享、寫寫互斥、讀寫互斥。
Java併發API的ReentrantReadWriteLock類實現了這種模式
5、線程池模式
該模式應用廣泛，減少了每次爲每個任務創建線程的開銷，它是由一個線程集合和一個待執行任務隊列構成。ExceutorService接口可以實現該模式。
6、線程局部存儲模式
Java中的ThreadLocal類實現了線程局部變量，可以使用線程局部存儲，每個線程會訪問該變量不同實例。
六、最後總結
併發算法設計遵循：
1、使用線程安全的Java併發API
2、在靜態類和共享場合使用局部線程變量
3、避免死鎖：對鎖排序
4、使用原子變量
這一篇我記錄了學習併發設計原理的關鍵知識，還有一些常用重要的Java併發編程API，在學習理論知識後，對這個部分有了更深層的理解，如果能夠加上實踐項目或者具體地案例分析，才能算真正掌握。因此，我也找了比較實際的案例進行實踐——文件搜索，將在下一篇的博客進行詳細記錄，希望理論+實踐結合，知識的理解更進一步！
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