怎么理解java并發編程的三個核心問題

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    總的來說，并發編程可以總結為三個核心問題：分工、同步、互斥。

    所謂分工指的是如何高效地拆解任務并分配給線程，而同步指的是線程之間如何協作，互斥則是保證同一時刻只允許一個線程訪問共享資源。java SDK并發包很大部分內容都是按照這三個維度組織的，例如Fork/Join框架就是一種分工模式，CountDownLatch就是一種典型的同步方式，而可重入鎖則是一種互斥手段。

    1.分工

    所謂分工，類似于現實中一個組織完成一個項目，項目經理要拆分任務，安排合適的成員去完成。

    在并發編程領域，你就是項目經理，線程就是項目組成員。任務分解和分工對于項目成敗非常關鍵，不過在并發領域里，分工更重要，它直接決定了并發程序的性能。在現實世界里，分工是很復雜的，著名數學家華羅庚曾用“燒水泡茶”的例子通俗地講解了統籌方法（一種安排工作進程的數學方法），“燒水泡茶”這么簡單的事情都這么多說道，更何況是并發編程里的工程問題呢。

    既然分工很重要又很復雜，那一定有前輩努力嘗試解決過，并且也一定有成果。的確，在并發編程領域這方面的成果還是很豐碩的。Java SDK并發包里的Executor、Fork/Join、Future本質上就是一種分工方法。除此之外，并發編程領域還總結了一些設計模式，基本上都是和分工方法相關的，例如生產者-消費者、Thread-Per-Message、Worker Thread模式等都是用來指導你如何分工的。

    了解這部分內容，最佳的方式就是和現實世界做對比。例如生產者-消費者模式，可以類比一下餐館里的大廚和服務員，大廚就是生產者，負責做菜，做完放到出菜口，而服務員就是消費者，把做好的菜給你端過來。不過，我們經常會發現，出菜口有時候一下子出了好幾個菜，服務員是可以吧這一批菜同時端給你的。其實這就是生產者-消費者模式的一個優點，生產者一個一個地生產數據，而消費者可以批處理，這樣就提高了性能。

    2.同步

    分好工之后，就是具體執行了。在項目執行過程中，任務之間是有依賴的，一個任務結束后，依賴它的后續任務任務就可以開工了，后續工作怎么知道可以開工了呢？這個就是靠溝通協作了，這是一項很重要的工作。

    在并發編程領域里的同步，主要指的就是線程間的協作，本質上和現實生活中的協作沒區別，不過是一個線程執行完了一個任務，如何通知執行后續任務的線程開工而已。協作一般是和分工相關的。Java SDK并發包里的Executor、Fork/Join、Future本質上都是分工方法，但同時也能解決線程協作的問題。例如，用Future可以發起一個異步調用，當主線程通過get()方法取結果時，主線程就會等待，當異步執行的結果返回時，get()方法就自動返回了。主線程和異步線程之間的協作，Future工具類已經幫我們解決了。除此之外，Java SDK里提供的CountDownLatch、CyclicBarrier、Phaser、Exchanger也都是用來解決線程協作的問題。

    不過還有很多場景，是需要你自己來處理線程之間的協作的。

    工作中遇到的線程協作的問題，基本上都可以描述為這樣的一個問題:當某個條件不滿足時，線程需要等待，當某個條件滿足時，線程需要被喚醒執行。例如，在生產者-消費者模型里，也有類似的描述，“當隊列滿時，生產者線程等待，當隊列不滿時，生產者線程需要被喚醒執行；當隊列空時，消費者線程等待，當隊列不為空時，消費者線程需要被喚醒執行?！?/p>

    在Java并發編程領域，解決協作問題的核心技術是管程，上面提到的所有線程協作技術底層都是利用管程解決的。管程是一種解決并發問題的通用模型，除了能解決線程協作問題，還能解決下面我們將要介紹的互斥問題?？梢赃@么說，管程是解決并發問題的萬能鑰匙。

    所以說，這部分內容的學習，關鍵是理解管程模型，學好它就可以解決所有問題。其次，了解Java SDK并發包提供的幾個線程協作的工具類的應用場景，用好它們可以妥妥地提高你的工作效率。

    3.互斥

    分工、同步主要強調的是性能，但并發程序里還有一部分是關于正確性的，用專業術語叫“線程安全”。并發程序里，當多個線程同時訪問一個共享變量時，結果時不確定的。不確定，則意味著可能正確，也可能錯誤，事先是不知道的。而導致不確定的主要源頭是可見性的問題、有序性問題和原子性問題，為了解決這三個問題，Java語言引入了內存模型，內存模型提供了一系列的規則，利用這些規則，我們可以避免可見性問題、有序性問題，但是還不足以完全解決線程安全問題。解決線程安全問題的核心方案還是互斥。

    所謂互斥，指的是同一時刻，只允許一個線程訪問共享變量。

    實現互斥的核心技術就是鎖，Java語言里synchronized、SDK里的各種Lock都能解決互斥問題。雖說鎖解決了安全性問題，但同時也帶來了性能問題，那如何保證安全性的同時又盡量提高性能呢？可以分場景優化，Java SDK里提供的ReadWriteLock、StampedLock就可以優化讀多寫少場景下鎖的性能。還可以使用無鎖的數據結構，例如Java SDK里提供的原子類都是基于無鎖技術實現的。

    除此之外，還有一些其他的方案，原理是不共享變量或者變量只允許讀。這方面，Java 提供了Thread Local和final關鍵字，還有一種copy-on-write的模式。

    使用鎖除了要注意性能問題外，還需要注意死鎖問題。

    這部分內容比較復雜，往往還是跨領域的，例如要理解可見性，就需要了解一些CPU和緩存的知識；要理解原子性，就需要理解一些操作系統的知識；很多無鎖算法的實現往往也需要理解CPU緩存。這部分內容，需要博覽群書，在大腦里建立起CPU、內存、I/O執行的模擬器。這樣遇到問題就能得心應手了。

到此，相信大家對“怎么理解java并發編程的三個核心問題”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網站，更多相關內容可以進入相關頻道進行查詢，關注我們，繼續學習！