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长文慎入-探索Java并发编程与高并发解决方案
阅读量:6603 次
发布时间:2019-06-24

本文共 14375 字,大约阅读时间需要 47 分钟。

所有示例代码,请见/下载于

高并发处理的思路及手段

1 基本概念

1.1 并发

同时拥有两个或者多个线程,如果程序在单核处理器上运行多个线程将交替地换入或者换出内存,这些线程是同时“存在"的,每个线程都处于执行过程中的某个状态,如果运行在多核处理器上,此时,程序中的每个线程都将分配到一个处理器核上,因此可以同时运行.

1.2 高并发( High Concurrency)

互联网分布式系统架构设计中必须考虑的因素之一,通常是指,通过设计保证系统能够同时并行处理很多请求.

1.3 区别与联系

  • 并发: 多个线程操作相同的资源,保证线程安全,合理使用资源
  • 高并发:服务能同时处理很多请求,提高程序性能

2 CPU

2.1 CPU 多级缓存

  • 为什么需要CPU cache

CPU的频率太快了,快到主存跟不上

如此,在处理器时钟周期内,CPU常常需要等待主存,浪费资源。所以cache的出现,是为了缓解CPU和内存之间速度的不匹配问题(结构:cpu-> cache-> memory ).

  • CPU cache的意义
    1) 时间局部性
    如果某个数据被访问,那么在不久的将来它很可能被再次访问
    2) 空间局部性

如果某个数据被访问,那么与它相邻的数据很快也可能被访问

2.2 缓存一致性(MESI)

用于保证多个 CPU cache 之间缓存共享数据的一致

  • M-modified被修改

该缓存行只被缓存在该 CPU 的缓存中,并且是被修改过的,与主存中数据是不一致的,需在未来某个时间点写回主存,该时间是允许在其他CPU 读取主存中相应的内存之前,当这里的值被写入主存之后,该缓存行状态变为 E

  • E-exclusive独享

缓存行只被缓存在该 CPU 的缓存中,未被修改过,与主存中数据一致

可在任何时刻当被其他 CPU读取该内存时变成 S 态,被修改时变为 M态

  • S-shared共享

该缓存行可被多个 CPU 缓存,与主存中数据一致

  • I-invalid无效

  • 乱序执行优化

处理器为提高运算速度而做出违背代码原有顺序的优化

并发的优势与风险

3 项目准备

3.1 项目初始化

自定义4个基本注解

随手写个测试类
运行正常

3.2 并发模拟-Jmeter压测

添加"查看结果数"和"图形结果"监听器
log view 下当前日志信息
图形结果

3.3 并发模拟-代码

CountDownLatch

可阻塞线程,并保证当满足特定条件时可继续执行

Semaphore(信号量)

可阻塞线程,控制同一时间段内的并发量

以上二者通常和线程池搭配

下面开始做并发模拟

package com.mmall.concurrency;import com.mmall.concurrency.annoations.NotThreadSafe;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.CountDownLatch;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.Semaphore;/** * @author shishusheng * @date 18/4/1 */@Slf4j@NotThreadSafepublic class ConcurrencyTest {    /**     * 请求总数     */    public static int clientTotal = 5000;    /**     * 同时并发执行的线程数     */    public static int threadTotal = 200;    public static int count = 0;    public static void main(String[] args) throws Exception {        //定义线程池        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();        //定义信号量,给出允许并发的线程数目        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);        //统计计数结果        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);        //将请求放入线程池        for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {            executorService.execute(() -> {                try {                    //信号量的获取                    semaphore.acquire();                    add();                    //释放                    semaphore.release();                } catch (Exception e) {                    log.error("exception", e);                }                countDownLatch.countDown();            });        }        countDownLatch.await();        //关闭线程池        executorService.shutdown();        log.info("count:{}", count);    }    /**     * 统计方法     */    private static void add() {        count++;    }}

运行发现结果随机,所以非线程安全

4线程安全性

4.1 线程安全性

当多个线程访问某个类时,不管运行时环境采用何种调度方式或者这些进程将如何交替执行,并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同,这个类都能表现出正确的行为,那么就称这个类是线程安全的

4.2 原子性

4.2.1 Atomic 包

  • AtomicXXX:CAS,Unsafe.compareAndSwapInt

提供了互斥访问,同一时刻只能有一个线程来对它进行操作

package com.mmall.concurrency.example.atomic;import com.mmall.concurrency.annoations.ThreadSafe;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.CountDownLatch;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.Semaphore;import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;/** * @author shishusheng */@Slf4j@ThreadSafepublic class AtomicExample2 {    /**     * 请求总数     */    public static int clientTotal = 5000;    /**     * 同时并发执行的线程数     */    public static int threadTotal = 200;    /**     * 工作内存     */    public static AtomicLong count = new AtomicLong(0);    public static void main(String[] args) throws Exception {        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);        for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {            executorService.execute(() -> {                try {                    System.out.println();                    semaphore.acquire();                    add();                    semaphore.release();                } catch (Exception e) {                    log.error("exception", e);                }                countDownLatch.countDown();            });        }        countDownLatch.await();        executorService.shutdown();        //主内存        log.info("count:{}", count.get());    }        private static void add() {        count.incrementAndGet();        // count.getAndIncrement();    }}
package com.mmall.concurrency.example.atomic;import com.mmall.concurrency.annoations.ThreadSafe;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;/** * @author shishusheng * @date 18/4/3 */@Slf4j@ThreadSafepublic class AtomicExample4 {    private static AtomicReference
count = new AtomicReference<>(0); public static void main(String[] args) { // 2 count.compareAndSet(0, 2); // no count.compareAndSet(0, 1); // no count.compareAndSet(1, 3); // 4 count.compareAndSet(2, 4); // no count.compareAndSet(3, 5); log.info("count:{}", count.get()); }}

输出结果

  • AtomicReference,AtomicReferenceFieldUpdater

  • AtomicBoolean

  • AtomicStampReference : CAS的 ABA 问题

4.2.2 锁

synchronized:依赖 JVM

  • 修饰代码块:大括号括起来的代码,作用于调用的对象
  • 修饰方法: 整个方法,作用于调用的对象

  • 修饰静态方法:整个静态方法,作用于所有对象

package com.mmall.concurrency.example.count;import com.mmall.concurrency.annoations.ThreadSafe;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.CountDownLatch;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.Semaphore;/** * @author shishusheng */@Slf4j@ThreadSafepublic class CountExample3 {    /**     * 请求总数     */    public static int clientTotal = 5000;    /**     * 同时并发执行的线程数     */    public static int threadTotal = 200;    public static int count = 0;    public static void main(String[] args) throws Exception {        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);        for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {            executorService.execute(() -> {                try {                    semaphore.acquire();                    add();                    semaphore.release();                } catch (Exception e) {                    log.error("exception", e);                }                countDownLatch.countDown();            });        }        countDownLatch.await();        executorService.shutdown();        log.info("count:{}", count);    }    private synchronized static void add() {        count++;    }}

synchronized 修正计数类方法

  • 修饰类:括号括起来的部分,作用于所有对象

子类继承父类的被 synchronized 修饰方法时,是没有 synchronized 修饰的!!!

Lock: 依赖特殊的 CPU 指令,代码实现

4.2.3 对比

  • synchronized: 不可中断锁,适合竞争不激烈,可读性好
  • Lock: 可中断锁,多样化同步,竞争激烈时能维持常态
  • Atomic: 竞争激烈时能维持常态,比Lock性能好; 只能同步一

个值

4.3 可见性

一个线程对主内存的修改可以及时的被其他线程观察到

4.3.1 导致共享变量在线程间不可见的原因

  • 线程交叉执行
  • 重排序结合线程交叉执行
  • 共享变量更新后的值没有在工作内存与主存间及时更新

4.3.2 可见性之synchronized

JMM关于synchronized的规定

  • 线程解锁前,必须把共享变量的最新值刷新到主内存
  • 线程加锁时,将清空工作内存中共享变量的值,从而使

用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值(加锁与解锁是同一把锁)

4.3.3 可见性之volatile

通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现

  • 对volatile变量写操作时,会在写操作后加入一条store

屏障指令,将本地内存中的共享变量值刷新到主内存

  • 对volatile变量读操作时,会在读操作前加入一条load

屏障指令,从主内存中读取共享变量

volatile 写
volatile 读
计数类之 volatile 版,非线程安全的

  • volatile使用
volatile boolean inited = false;//线程1:context = loadContext();inited= true;// 线程2:while( !inited ){    sleep();}doSomethingWithConfig(context)

4.4 有序性

一个线程观察其他线程中的指令执行顺序,由于指令重排序的存在,该观察结果一般杂乱无序

JMM允许编译器和处理器对指令进行重排序,但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行,却会影响到多线程并发执行的正确性

4.4.1 happens-before 规则

5发布对象

发布对象
对象逸出

5.1 安全发布对象

非线程安全的懒汉模式
饿汉模式
线程安全的懒汉模式

package com.mmall.concurrency.example.singleton;import com.mmall.concurrency.annoations.NotThreadSafe;/** * 懒汉模式 -》 双重同步锁单例模式 * 单例实例在第一次使用时进行创建 * @author shishusheng */@NotThreadSafepublic class SingletonExample4 {    /**     * 私有构造函数     */    private SingletonExample4() {    }    // 1、memory = allocate() 分配对象的内存空间    // 2、ctorInstance() 初始化对象    // 3、instance = memory 设置instance指向刚分配的内存    // JVM和cpu优化,发生了指令重排    // 1、memory = allocate() 分配对象的内存空间    // 3、instance = memory 设置instance指向刚分配的内存    // 2、ctorInstance() 初始化对象    /**     * 单例对象     */    private static SingletonExample4 instance = null;    /**     * 静态的工厂方法     *     * @return     */    public static SingletonExample4 getInstance() {        // 双重检测机制 // B        if (instance == null) {                    // 同步锁            synchronized (SingletonExample4.class) {                 if (instance == null) {                    // A - 3                    instance = new SingletonExample4();                 }            }        }        return instance;    }}

7 AQS

7.1 介绍

数据结构

  • 使用Node实现FIFO队列,可以用于构建锁或者其他同步装置的基础框架
  • 利用了一个int类型表示状态
  • 使用方法是继承
  • 子类通过继承并通过实现它的方法管理其状态{acquire 和release} 的方法操纵状态
  • 可以同时实现排它锁和共享锁模式(独占、共享)

同步组件

CountDownLatch

package com.mmall.concurrency.example.aqs;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.CountDownLatch;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;/** * @author shishusheng */@Slf4jpublic class CountDownLatchExample1 {    private final static int threadCount = 200;    public static void main(String[] args) throws Exception {        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {            final int threadNum = i;            exec.execute(() -> {                try {                    test(threadNum);                } catch (Exception e) {                    log.error("exception", e);                } finally {                    countDownLatch.countDown();                }            });        }        countDownLatch.await();        log.info("finish");        exec.shutdown();    }    private static void test(int threadNum) throws Exception {        Thread.sleep(100);        log.info("{}", threadNum);        Thread.sleep(100);    }}
package com.mmall.concurrency.example.aqs;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.CountDownLatch;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.TimeUnit;/*** 指定时间内处理任务* * @author shishusheng * */@Slf4jpublic class CountDownLatchExample2 {   private final static int threadCount = 200;   public static void main(String[] args) throws Exception {       ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();       final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);       for (int i = 0; i < threadCount; i++) {           final int threadNum = i;           exec.execute(() -> {               try {                   test(threadNum);               } catch (Exception e) {                   log.error("exception", e);               } finally {                   countDownLatch.countDown();               }           });       }       countDownLatch.await(10, TimeUnit.MILLISECONDS);       log.info("finish");       exec.shutdown();   }   private static void test(int threadNum) throws Exception {       Thread.sleep(100);       log.info("{}", threadNum);   }}

Semaphore用法

CycliBarrier

package com.mmall.concurrency.example.aqs;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.CyclicBarrier;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;/** * @author shishusheng */@Slf4jpublic class CyclicBarrierExample1 {    private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);    public static void main(String[] args) throws Exception {        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();        for (int i = 0; i < 10; i++) {            final int threadNum = i;            Thread.sleep(1000);            executor.execute(() -> {                try {                    race(threadNum);                } catch (Exception e) {                    log.error("exception", e);                }            });        }        executor.shutdown();    }    private static void race(int threadNum) throws Exception {        Thread.sleep(1000);        log.info("{} is ready", threadNum);        barrier.await();        log.info("{} continue", threadNum);    }}

package com.mmall.concurrency.example.aqs;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.CyclicBarrier;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.TimeUnit;/** * @author shishusheng */@Slf4jpublic class CyclicBarrierExample2 {    private static CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);    public static void main(String[] args) throws Exception {        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();        for (int i = 0; i < 10; i++) {            final int threadNum = i;            Thread.sleep(1000);            executor.execute(() -> {                try {                    race(threadNum);                } catch (Exception e) {                    log.error("exception", e);                }            });        }        executor.shutdown();    }    private static void race(int threadNum) throws Exception {        Thread.sleep(1000);        log.info("{} is ready", threadNum);        try {            barrier.await(2000, TimeUnit.MILLISECONDS);        } catch (Exception e) {            log.warn("BarrierException", e);        }        log.info("{} continue", threadNum);    }}

await 超时导致程序抛异常

package com.mmall.concurrency.example.aqs;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.Semaphore;/** * @author shishusheng */@Slf4jpublic class SemaphoreExample3 {    private final static int threadCount = 20;    public static void main(String[] args) throws Exception {        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();        final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {            final int threadNum = i;            exec.execute(() -> {                try {                    // 尝试获取一个许可                    if (semaphore.tryAcquire()) {                        test(threadNum);                        // 释放一个许可                        semaphore.release();                    }                } catch (Exception e) {                    log.error("exception", e);                }            });        }        exec.shutdown();    }    private static void test(int threadNum) throws Exception {        log.info("{}", threadNum);        Thread.sleep(1000);    }}

9 线程池

9.1 newCachedThreadPool

9.2 newFixedThreadPool

9.3 newSingleThreadExecutor

看出是顺序执行的

9.4 newScheduledThreadPool

10 死锁

转载地址:http://gdwso.baihongyu.com/

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