java 并发篇- 概念篇

各位好，今天是我们并发篇正式开始的第一篇，既然我们大家学习并发，那么就要理解一些计算机概念最好，否则，知道怎么用而不知道名称是啥，概念含糊不清，以及不知道怎么设计的，假如今天你突然换 go 语言，设计个并发还是不会。我们要学的是并发思想，在Java 中的思想，一通则百通，而不是背代码，切记切记。

让我们用面向对象的方法，把我们日常中的房子做为对象来解释线程和进程的工作。

房子首先是一个装东西的容器。它本身有自己的属性 -- 面积，卫生间数量，卧室数量，客厅，书房等等。

房子是被人住的，所以它是一个被动方。

作为房子的使用者 - 人，就是操作方，使用电视，做饭，洗澡，撒狗粮。都属于行为了。

单线程

如果是一个人在家里，那么你可以想干啥就干啥，毕竟我得地盘我做主。

多线程

假如你结婚了，那么就不能随自己心愿了，比如，你的另一半在厕所，那么你就不能进去了，因为毕竟被别人占据着。 当然，因为你们是2个人，所以理论上家里会相对于一个人更加安全，比如煤气泄漏，房门上锁等（当然你一个人也可以），这个称为理论上安全（另一个要和你一起去GG，这不就不安全了呗）。

但是，结婚多年的你们擦枪走火，造出了熊孩子，这时候各种破坏，你们这个家就非常的戏剧性了。

回到计算机

因为你和你的另一半是房子的主人，那么自然可以随意的进出房间，这时如果你去买了一台电脑，你和你的另一半可以去使用它，（电脑在房间里，属于公共资源），你和你的另一半就是线程了，你们想要使用电脑就需要排队了，这就是线程的阻塞了，（当然如果不作死的话，那么理论上女方应该拥有更大的使用权，也就是不公平锁，女方的权重更大，当然公平锁也是可以的，只要不怕老婆削你就ok。）

但是如果不想让熊孩子（线程）去玩电脑（公共资源），那么只要把电脑远离，熊孩子自然不能玩了，此时电脑对于熊孩子来说就是不可访问的权限。

互斥

如果你想使用卫生间，但是有人占据着，那么这个时候理论上你不可以进去，这就是互斥。（因为你要使用公共资源） 别人使用卫生间的时候是从内部上锁（Lock），使用完在解锁（Lock）开门，这个时候你才能使用，卫生间。

但是如果你们家卫生间设计比较独特的话，比如 卫生间的门上有 2 把锁（鬼知道你设计 2 把锁要干嘛，反正都是锁门），那么你把 2 把锁都锁上的话，其实我们就可以看成是 可重入锁了（暂时没想到现实中有什么锁是要锁2次，抱歉）

优先级 & 公平性

早上起床晚了，马上要上班，然后你另一半在卫生间洗漱，而你还好巧不巧的还拉肚子，但是你只能先忍住等着，等你另一半出来，还是阻塞。但是等 他/她 开门后会怎么办，谁接着去呢（如果正巧她还要化妆呢）

如果你已经等了好久了，那么在 另一半出来后，在公平的情况下，应该是你先进去才对，毕竟你等了很长时间了，但是在不公平的情况下呢，那么就要按照优先级了，因为你马上上班迟到，还拉肚子，你是最着急的，而化妆是可以暂缓的，所以你拥有较高的优先级。

线程也一样。线程从其父线程继承其调度算法，但可以调用 pthread_setschedparam（） 来更改其调度策略和优先级（如果它有权执行此操作）。

优先级高只是一个建议，比如Java中的高优先级，并不一定会对照 操作系统的优先级，如果操作系统的优先级级大于java的优先级级（10级）还好，要是小于得的话就不行了，这样会导致不同优先级的线程的优先级是一样的。而且 windows 还有一个 优先级推进器，如果一个高优先级的线程执行过多次数，那么会越过优先级来分配。

信号量

• 信号量为 1 的 我们还是以卫生间为例，其中卫生间的门只有 2 种状态：
  • 门开着，证明没有人在里面
  • 门锁着，证明有人在里面
• 信号量 大于 1 的 比如家里的钥匙有 2 把。任何拿到钥匙的人都可以打开门进去，当进入到房子里面时，总会锁门，那么外面进入的人总要需要钥匙来开锁。所以如果我们想要控制进入房子里的人，只要控制钥匙就OK了（配钥匙的不算哈。）

线程中就可以使用信号量了，进入一个关键代码段之前，线程必须获取一个信号量；一旦该关键代码段完成了，那么该线程必须释放信号量。如果多个线程访问同一资源，那么大于 1 的信号量就是允许同一时间的线程通过量了。

内核

• 内核作为仲裁者

内核确定在特定时刻由哪个线程使用 CPU。并将上下文切换到该线程。所以这里就是个性能问题。

内核切换线程时，需要：

• 保存当前运行的线程的寄存器和其他上下文信息
• 将新线程的寄存器和上下文加载到CPU中

内核如何决定另一个线程应该运行？

它会查看特定线程是否能够在此时使用CPU。当遇到互斥锁时，会有一个阻塞状态。我们有一个可以消耗CPU的线程，而另一个不能，因为它被阻塞，等待互斥锁。在这种情况下，内核允许可以运行的线程消耗CPU，并将另一个线程放入内部列表（以便内核可以跟踪其对互斥锁的请求）。

如果有多个线程使用CPU的时候，到底该怎么委派呢？

内核使用优先级和调度算法来评估。

• 优先级 多个线程中，如果线程具有不同的优先级，那么很简单，内核将 CPU 提供给优先级最高的线程。如果有同一时间一个更高优先级的线程突然变的能够使用 CPU ，那么内核将立即上下文切换，也就是抢占；当高优先级的线程使用完毕后，内核将切换回之前的比较低的线程，这个时候称之为恢复；

但是如果有两个线程有相同的优先级时，又该怎么办呢？请看下方：

• 调度算法

让我们继续假设，如果一个线程正在使用 CPU，此时内核将检查进行上下文切换的规则（优先级不同的，依然以上面的为主）。此时Linux就要使用调度算法了， Linux 2.6 之后 中主要有楼梯调度算法，CFS (完全公平调度算法) 以及 RSDL（由于内核调度是个大概念，我们这里不再叙述，有兴趣的同学可以下去研究下）。任何时候，实时进程的优先级都高于普通进程，实时进程只会被更高级的实时进程抢占。

线程状态

• 内核状态
  • 就绪（ready）
  • 执行（running）
  • 挂起（blocked）
• Linux 进程状态
• RUNNING

进程正在执行或等待执行

• INTERRUPTIBLE

进程在休眠模式下等待中断，并等待某些操作可以唤醒此进程。

• UN-INTERRUPTIBLE

和 INTERRUPTIBLE 相同，只是这个状态的进程无法通过传递信号唤醒

• STOPPED

进程已停止

• TRACED

此状态表示正在调试进程

• ZOMBIE

程已终止但仍在内核进程表中闲置，此进程的父进程仍未获取此进程的终止状态

• DEAD

终止进程并从进程表中删除条目

• Java 线程状态
  • NEW（初始化状态）
  • RUNNABLE（可运行 / 运行状态）
  • BLOCKED（阻塞状态）
  • WAITING（无时限等待）
  • TIMED_WAITING（有时限等待）
  • TERMINATED（终止状态

  Linux 进程 & 线程

• Linux 进程

Linux进程可以被视为运行程序的实例。进程可以使用进程间通信方法与其他进程通信，并可以使用共享内存等技术共享数据。

• Linux线程

Linux中的线程只是流程的执行流程。包含多个执行流程的流程称为多线程流程。非多线程进程，只有执行流程是主要的，所以也被称为单线程进程

• 一个整整想了2天的问题， --- Linux 中的线程到底是什么

查询了好多资料，发现好多博客都在说 Linux 不支持线程，只是进程啥的，然后也没有给到具体的理由。我就去内核官网 以及一些 Linux 爱好者博客中找了下，下面是我自己的理解：

在开始的时候 ,也就是 Linux 2.6 版本之前，没有线程，只有单独的进程（具有单独的PID）来抽象线程，这种进程可能具有一些共享资源，如虚拟内存或文件描述符。而这就导致了臭名昭著的LinuxThreads POSIX线程的实现，这是一个误称，因为它没有给出任何与POSIX线程语义类似的东西。

之后 linuxThreads 被 NPTL 取代了，实现发生了变化，NPTL的解决方法与LinuxThreads类似，内核看到的首要抽象依然是一个进程,这种进程称为轻量级进程，新线程是通过clone()系统调用产生的。但是NPTL需要特殊的内核支持来解决同步的原始类型之间互相竞争的状况。在这种情况下线程必须能够入眠和再复苏。

NPTL是一个所谓的1×1线程函数库。用户产生的线程与内核能够分配的对象之间的联系是一对一的。这是所有线程程序中最简单的。。 。轻量级进程（LWP）和正常进程之间的主要区别在于LWP共享相同的地址空间和其他资源（如打开文件等）。由于某些资源是共享的，因此与其他正常进程相比，这些进程被认为是轻量级的因而名称轻量级过程。

在Linux中。内核线程本质上是没有用户空间的进程。用户空间线程是正常的POSIX线程（NPTL）。用户空间进程共享文件描述符，可以共享代码段， 但生活在完全独立的虚拟地址空间中。进程内的用户空间线程共享代码段，静态内存和堆（动态内存），但具有单独的处理器寄存器集和堆栈

这篇我们主要介绍了一些之后会用到的一些基本概念。下篇我们将开始细讲导致我们并发 bug 的三大因素 - 可见性、原子性、有序性 以及 Java 内存模型