摘要：并發(fā)編程的核心是為了提高電腦資源的利用率，因?yàn)楝F(xiàn)代操作系統(tǒng)都是多核的，可以同時(shí)跑多個(gè)線程。合理配置線程池，密集型任務(wù)配置少數(shù)線程池如個(gè)數(shù)，密集型任務(wù)配置多一點(diǎn)的線程池如個(gè)數(shù)，其次是使用有界隊(duì)列即使發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

并發(fā)編程的核心是為了提高電腦資源的利用率，因?yàn)楝F(xiàn)代操作系統(tǒng)都是多核的，可以同時(shí)跑多個(gè)線程。那么是不是線程越多越好？ 由于線程的切換涉及上下文的切換，所謂上下文就是線程運(yùn)行時(shí)需要的資源，系統(tǒng)要分配給它消耗時(shí)間。所以為了減少上下文的切換，我們有以下幾種方法：

CAS算法

協(xié)程，單線程里實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度

避免創(chuàng)建不需要的線程因此

協(xié)程和線程區(qū)別：每個(gè)線程OS會(huì)給它分配固定大小的內(nèi)存(一般2MB)來存儲(chǔ)當(dāng)前調(diào)用或掛起的函數(shù)的內(nèi)部變量，固定大小的棧意味著內(nèi)存利用率很低或有時(shí)面對復(fù)雜函數(shù)無法滿足要求，協(xié)成就實(shí)現(xiàn)了可動(dòng)態(tài)伸縮的棧(最小2KB，最大1GB).其二OS線程受操作系統(tǒng)調(diào)度，調(diào)度時(shí)要將當(dāng)前線程狀態(tài)存到內(nèi)存，將另一個(gè)線程執(zhí)行指令放到寄存器，這幾步很耗時(shí)。Go調(diào)度器并非硬件調(diào)度器，而是Go語言內(nèi)置的一中機(jī)制，因此goroutine調(diào)度時(shí)則不需要切換上下文。

Java并發(fā)機(jī)制的底層實(shí)現(xiàn)原理，java代碼編譯成字節(jié)碼后加載到JVM中，JVM執(zhí)行字節(jié)碼最終轉(zhuǎn)化成匯編命令在CPU上運(yùn)行，因此Java所使用的并發(fā)機(jī)制依賴JVM的實(shí)現(xiàn)和CPU指令。Java大部分并發(fā)容器和框架都依賴于volatile和原子操作的實(shí)現(xiàn)原理。

volatile：被volatile修身的變量在進(jìn)行寫操作時(shí)會(huì)多出一行以Lock為前綴的匯編代碼，Lock前綴的指令在多核處理器下執(zhí)行兩件事情，1.將當(dāng)前處理器緩存行(緩存可分配的最小單元)的數(shù)據(jù)寫入到系統(tǒng)內(nèi)2.寫回內(nèi)存的操作使其它處理器地址為該緩存的內(nèi)存無效。這兩條保證了所謂的可見性

原子操作的實(shí)現(xiàn)：首先看一看處理器是如何實(shí)現(xiàn)原子操作的，有兩核CPU1和CPU2，兩個(gè)處理器同時(shí)對數(shù)據(jù)i進(jìn)行操作，CPU采取總線鎖使得一個(gè)數(shù)據(jù)不能同時(shí)被多個(gè)處理器操作。大概原理就是使用處理器提供的一個(gè)LOCK信號(hào)，一個(gè)處理器在總線上輸出此信號(hào)時(shí)另一個(gè)處理器的請求被阻塞住。這樣會(huì)導(dǎo)致別的處理器不能處理其它內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)，因?yàn)榭偩€鎖開銷比較大出現(xiàn)了緩存鎖，使得CPU1修改緩存行1中數(shù)據(jù)時(shí)若使用了緩存鎖定，那么CPU2就不能再緩存該緩存。處理器提供了一系列命令支持這兩種機(jī)制，如BTS，XADD等，被這些指令操作的內(nèi)存區(qū)域就會(huì)加鎖，使其它處理器不能同時(shí)訪問。

Java之間通過共享內(nèi)存進(jìn)行通信，處理器和編譯器為了提高性能會(huì)對指令進(jìn)行重排序，這在單線程情況下不會(huì)發(fā)生異常，但是在多線程下就會(huì)造成結(jié)果的不一致

int a=0;
public int calculate(){
    a=1;  1 
    boolean flag=true;  2
    if(flag){ 
        return a*a;
    }
    return 0;
}

現(xiàn)有兩個(gè)線程執(zhí)行這段代碼，線程A執(zhí)行時(shí)對指令進(jìn)行了重排序先制行 2 在執(zhí)行 1，在中間線程B插入了進(jìn)來此時(shí)a=1值還沒被寫入導(dǎo)致返回結(jié)果為0發(fā)生錯(cuò)誤。

處理器遵循as-if-serial語義，即不管如何重排序結(jié)果不變，但是多線程情況下會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤

為了避免重排序，Java引入了volatile變量，使得語句在操作被volatile修飾的變量時(shí)禁止指令重排序。在執(zhí)行指令時(shí)插入內(nèi)存屏障也就是這個(gè)目的，最關(guān)鍵的是volatile的讀/寫內(nèi)存語義如下

寫語義：寫一個(gè)volatile變量時(shí)會(huì)把線程對應(yīng)本地內(nèi)存的值刷新到主存中

讀語義：讀一個(gè)volatile變量時(shí)會(huì)把本地內(nèi)存的值設(shè)置為無效，從主存中讀

volatile的缺陷在于改這個(gè)動(dòng)作是不完全的，因此又提出了CAS機(jī)制，CAS會(huì)使用處理器提供的機(jī)器級(jí)別的原子命令(CMPXCHG)，原子執(zhí)行讀-改-寫操作。Java concurrent包中一個(gè)通用化的實(shí)現(xiàn)模式就是結(jié)合兩者，步驟如下

聲明共享變量為volatile

使用CAS實(shí)現(xiàn)線程間的同步和通信，(自旋樂觀鎖，性能大大提升)

線程池的核心作用就是維護(hù)固定的幾個(gè)線程，有任務(wù)來的時(shí)候直接使用避免創(chuàng)建/銷毀線程導(dǎo)致的額外開銷。 線程池執(zhí)行流程如下：

提交任務(wù)-->核心線程池已滿？ 是 提交任務(wù)到消息隊(duì)列--->隊(duì)列已滿？ 是 按指定策略執(zhí)行
                          否 創(chuàng)建線程執(zhí)行任務(wù)                否 加進(jìn)隊(duì)列

了解了線程池的原理最重要的就是如何是去使用它，而使用的關(guān)鍵就是參數(shù)的設(shè)置。

       public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        if (corePoolSize < 0 ||
            maximumPoolSize <= 0 ||
            maximumPoolSize < corePoolSize ||
            keepAliveTime < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
            throw new NullPointerException();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }
        

以上是ThreadPoolExecutor的構(gòu)造函數(shù)，我們逐一看一看各參數(shù)的含義

corePoolSize 一直維護(hù)的線程數(shù)

maximumPoolSize 最大線程數(shù)

keepAliveTime 多余線程存活的時(shí)間(實(shí)際線程數(shù)比corePool多的那部分)

workQueue 存儲(chǔ)線程的隊(duì)列，可選擇ArrayBlockingQueue等

threadFactory 創(chuàng)建線程時(shí)的用到的工廠，可通過自定義工廠創(chuàng)建更有意義的線程名稱

handler 隊(duì)列滿時(shí)采取的策略 有AbortPolicy(直接拋出異常)/CallerRunsPolicy(只用調(diào)用者所在的線程執(zhí)行)等等

提交線程池有兩個(gè)方法，一個(gè)是submit這個(gè)不需要返回值，一個(gè)是submit會(huì)返回一個(gè)future對象，并通過future的get()方法獲取返回值(該方法會(huì)阻塞直到線程完成任務(wù))。

合理配置線程池，CPU密集型任務(wù)配置少數(shù)線程池如N(CPU個(gè)數(shù))+1，I/O密集型任務(wù)配置多一點(diǎn)的線程池如2N(CPU個(gè)數(shù))，其次是使用有界隊(duì)列即使發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

在HotSpot VM的線程模型中，Java線程被一對一的映射成本地操作系統(tǒng)的線程，操作系統(tǒng)會(huì)調(diào)度線程把它們分配給可用的CPU。在上層Java通過用戶級(jí)調(diào)度器Executor將任務(wù)映射為幾個(gè)線程，在下層操作系統(tǒng)內(nèi)核將這些線程映射到硬件處理器上面。

Executor的出現(xiàn)將任務(wù)與如何執(zhí)行任務(wù)分離開了，避免了每創(chuàng)建一個(gè)線程就要執(zhí)行它。Executor的整個(gè)架構(gòu)有一下幾個(gè)要點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)了Runnable和Callable的對象可提交到Executor運(yùn)行

可返回Future獲取線程執(zhí)行后的返回值

內(nèi)部維護(hù)一個(gè)線程池(上面介紹的)來處理提交過來的任務(wù)

Executor最核心的就是ThreadPoolExecutor，下面介紹以下以及各自使用場景

FixedThreadPool 固定線程個(gè)數(shù)，用于高負(fù)載的服務(wù)器，滿足資源的管理需求

SingleThreadPool 單個(gè)線程,保證順序的執(zhí)行任務(wù)

CachedThreadPool 大小無界的線程池，使用負(fù)載比較輕的服務(wù)器

ScheduledThreadPoolExecutor 后臺(tái)周期執(zhí)行任務(wù)