java高并發系列 - 第1天:必須知道的幾個概念

同步（Synchronous）和異步（Asynchronous）

同步和異步通常來形容一次方法調用，同步方法調用一旦開始，調用者必須等到方法調用返回后，才能繼續后續的行為。異步方法調用更像一個消息傳遞，一旦開始，方法調用就會立即返回，調用者就可以繼續后續的操作。而異步方法通常會在另外一個線程中“真實”地執行。整個過程，不會阻礙調用者的工作。

如圖：

上圖中顯示了同步方法調用和異步方法調用的區別。對于調用者來說，異步調用似乎是一瞬間就完成的。如果異步調用需要返回結果，那么當這個異步調用真實完成時，則會通知調用者。

打個比方，比如購物，如果你去商場買空調，當你到了商場看重了一款空調，你就向售貨員下單。售貨員去倉庫幫你調配物品。這天你熱的是在不行了，就催著商家趕緊給你送貨，于是你就在商店里面候著他們，直到商家把你和空調一起送回家，一次愉快的購物就結束了。這就是同步調用。

不過，如果我們趕時髦，就坐在家里打開電腦，在電腦上訂購了一臺空調。當你完成網上支付的時候，對你來說購物過程已經結束了。雖然空調還沒有送到家，但是你的任務已經完成了。商家接到你的訂單后，就會加緊安平送貨，當然這一切已經跟你無關了。你已經支付完成，想干什么就能去干什么，出去溜幾圈都不成問題，等送貨上門的時候，接到商家的電話，回家一趟簽收就完事了。這就是異步調用。

并發（Concurrency）和并行（Parallelism）

并發和并行是兩個非常容易被混淆的概念。他們都可以表示兩個或者多個任務一起執行，但是側重點有所不同。并發偏重于多個任務交替執行，而多個任務之間有可能還是串行的，而并行是真正意義上的“同時執行”，下圖很好地詮釋了這點。

大家排隊在一個咖啡機上接咖啡，交替執行，是并發；兩臺咖啡機上面接咖啡，是并行。

從嚴格意義上來說，并行的多任務是真的同時執行，而對于并發來說，這個過程只是交替的，一會執行任務A，一會執行任務B，系統會不停地在兩者之間切換。但對于外部觀察者來說，即使多個任務之間是串行并發的，也會造成多任務間并行執行的錯覺。

并發說的是在一個時間段內，多件事情在這個時間段內交替執行。

并行說的是多件事情在同一個時刻同事發生。

實際上，如果系統內只有一個CPU，而使用多進程或者多線程任務，那么真實環境中這些任務不可能是真實并行的，畢竟一個CPU一次只能執行一條指令，在這種情況下多進程或者多線程就是并發的，而不是并行的（操作系統會不停地切換多任務）。真實的并行也只可能出現在擁有多個CPU的系統中（比如多核CPU）。

臨界區

臨界區用來表示一種公共資源或者說共享數據，可以被多個線程使用，但是每一次只能有一個線程使用它，一旦臨界區資源被占用，其他線程要想使用這個資源就必須等待。

比如，一個辦公室里有一臺打印機，打印機一次只能執行一個任務。如果小王和×××同時需要打印文件，很明顯，如果小王先發了打印任務，打印機就開始打印小王的文件，×××的任務就只能等待小王打印結束后才能打印，這里的打印機就是一個臨界區的例子。

在并行程序中，臨界區資源是保護的對象，如果意外出現打印機同時執行兩個任務的情況，那么最有可能的結果就是打印出來的文件是損壞的文件，它既不是小王想要的，也不是×××想要的。

阻塞（Blocking）和非阻塞（Non-Blocking）

阻塞和非阻塞通常用來形容很多線程間的相互影響。比如一個線程占用了臨界區資源，那么其他所有需要這個資源的線程就必須在這個臨界區中等待。等待會導致線程掛起，這種情況就是阻塞。此時，如果占用資源的線程一直不愿意釋放資源，那么其他線程阻塞在這個臨界區上的線程都不能工作。

非阻塞的意思與之相反，它強調沒有一個線程可以妨礙其他線程執行，所有的線程都會嘗試不斷向前執行。

死鎖（Deadlock）、饑餓（Starvation）和活鎖（Livelock）

死鎖、饑餓和活鎖都屬于多線程的活躍性問題。如果發現上述幾種情況，那么相關線程就不再活躍，也就是說它可能很難再繼續往下執行了。

死鎖應該是最糟糕的一種情況了（當然，其他幾種情況也好不到哪里去），如下圖顯示了一個死鎖的發生：

A、B、C、D四輛小車都在這種情況下都無法繼續行駛了。他們彼此之間相互占用了其他車輛的車道，如果大家都不愿意釋放自己的車道，那么這個狀況將永遠持續下去，誰都不可能通過，死鎖是一個很嚴重的并且應該避免和實時小心的問題，后面的文章中會做更詳細的討論。

饑餓是指某一個或者多個線程因為種種原因無法獲得所要的資源，導致一直無法執行。比如它的優先級可能太低，而高優先級的線程不斷搶占它需要的資源，導致低優先級線程無法工作。在自然界中，母雞給雛鳥喂食很容易出現這種情況：由于雛鳥很多，食物有限，雛鳥之間的事務競爭可能非常厲害，經常搶不到事務的雛鳥有可能被餓死。線程的饑餓非常類似這種情況。此外，某一個線程一直占著關鍵資源不放，導致其他需要這個資源的線程無法正常執行，這種情況也是饑餓的一種。于死鎖想必，饑餓還是有可能在未來一段時間內解決的（比如，高優先級的線程已經完成任務，不再瘋狂執行）。

活鎖是一種非常有趣的情況。不知道大家是否遇到過這么一種場景，當你要做電梯下樓時，電梯到了，門開了，這是你正準備出去。但很不巧的是，門外一個人當著你的去路，他想進來。于是，你很禮貌地靠左走，禮讓對方。同時，對方也非常禮貌的靠右走，希望禮讓你。結果，你們倆就又撞上了。于是乎，你們都意識到了問題，希望盡快避讓對方，你立即向右邊走，同時，他立即向左邊走。結果，又撞上了！不過介于人類的智慧，我相信這個動作重復兩三次后，你應該可以順利解決這個問題。因為這個時候，大家都會本能地對視，進行交流，保證這種情況不再發生。但如果這種情況發生在兩個線程之間可能就不那么幸運了。如果線程智力不夠。且都秉承著“謙讓”的原則，主動將資源釋放給他人使用，那么久會導致資源不斷地在兩個線程間跳動，而沒有一個線程可以同時拿到所有資源正常執行。這種情況就是活鎖。

死鎖的例子

package com.jvm.visualvm;

/**
 * <a >Java干貨鋪子,只生產干貨，公眾號：javacode2018</a>
 */
public class Demo4 {

    public static void main(String[] args) {
        Obj1 obj1 = new Obj1();
        Obj2 obj2 = new Obj2();
        Thread thread1 = new Thread(new SynAddRunalbe(obj1, obj2, 1, 2, true));
        thread1.setName("thread1");
        thread1.start();
        Thread thread2 = new Thread(new SynAddRunalbe(obj1, obj2, 2, 1, false));
        thread2.setName("thread2");
        thread2.start();
    }

    /**
     * 線程死鎖等待演示
     */
    public static class SynAddRunalbe implements Runnable {
        Obj1 obj1;
        Obj2 obj2;
        int a, b;
        boolean flag;

        public SynAddRunalbe(Obj1 obj1, Obj2 obj2, int a, int b, boolean flag) {
            this.obj1 = obj1;
            this.obj2 = obj2;
            this.a = a;
            this.b = b;
            this.flag = flag;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                if (flag) {
                    synchronized (obj1) {
                        Thread.sleep(100);
                        synchronized (obj2) {
                            System.out.println(a + b);
                        }
                    }
                } else {
                    synchronized (obj2) {
                        Thread.sleep(100);
                        synchronized (obj1) {
                            System.out.println(a + b);
                        }
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static class Obj1 {
    }

    public static class Obj2 {
    }
}

運行上面代碼，可以通過jstack查看到死鎖信息:

"thread2" #13 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000029225000 nid=0x3c94 waiting for monitor entry [0x0000000029c9f000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
    at com.jvm.visualvm.Demo4$SynAddRunalbe.run(Demo4.java:50)
    - waiting to lock <0x00000007173d40f0> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1)
    - locked <0x00000007173d6310> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

   Locked ownable synchronizers:
    - None

"thread1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000029224800 nid=0x6874 waiting for monitor entry [0x0000000029b9f000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
    at com.jvm.visualvm.Demo4$SynAddRunalbe.run(Demo4.java:43)
    - waiting to lock <0x00000007173d6310> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2)
    - locked <0x00000007173d40f0> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

   Locked ownable synchronizers:
    - None

thread1持有com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1的鎖，等待獲取com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2的鎖
thread2持有com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2的鎖，等待獲取com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1的鎖，兩個線程相互等待獲取對方持有的鎖，出現死鎖。

饑餓死鎖的例子

package com.jvm.jconsole;

import java.util.concurrent.*;

/**
 * <a >Java干貨鋪子,只生產干貨，公眾號：javacode2018</a>
 */
public class ExecutorLock {
    private static ExecutorService single = Executors.newSingleThreadExecutor();

    public static class AnotherCallable implements Callable<String> {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("in AnotherCallable");
            return "annother success";
        }
    }

    public static class MyCallable implements Callable<String> {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("in MyCallable");
            Future<String> submit = single.submit(new AnotherCallable());
            return "success:" + submit.get();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        MyCallable task = new MyCallable();
        Future<String> submit = single.submit(task);
        System.out.println(submit.get());
        System.out.println("over");
        single.shutdown();
    }
}

執行代碼，輸出：

in MyCallable

使用jstack命令查看線程堆棧信息：

"pool-1-thread-1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000028e3d000 nid=0x58a4 waiting on condition [0x00000000297ff000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
    at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
    - parking to wait for  <0x0000000717921bf0> (a java.util.concurrent.FutureTask)
    at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:175)
    at java.util.concurrent.FutureTask.awaitDone(FutureTask.java:429)
    at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:191)
    at com.jvm.jconsole.ExecutorLock$MyCallable.call(ExecutorLock.java:25)
    at com.jvm.jconsole.ExecutorLock$MyCallable.call(ExecutorLock.java:20)
    at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:266)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

   Locked ownable synchronizers:
    - <0x00000007173f2690> (a java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker)

"main" #1 prio=5 os_prio=0 tid=0x00000000033e4000 nid=0x5f94 waiting on condition [0x00000000031fe000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
    at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
    - parking to wait for  <0x00000007173f1d48> (a java.util.concurrent.FutureTask)
    at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:175)
    at java.util.concurrent.FutureTask.awaitDone(FutureTask.java:429)
    at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:191)
    at com.jvm.jconsole.ExecutorLock.main(ExecutorLock.java:32)

   Locked ownable synchronizers:
    - None

堆棧信息結合圖中的代碼，可以看出主線程在32行處于等待中，線程池中的工作線程在25行處于等待中，等待獲取結果。由于線程池是一個線程，AnotherCallable得不到執行，而被餓死，最終導致了程序死鎖的現象。

java高并發系列連載中，總計估計會有四五十篇文章，可以關注公眾號：javacode2018，獲取最新文章。