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【Java并發(fā)】Java并發(fā)編程與高并發(fā)基礎(chǔ)概念

stackfing / 1900人閱讀

摘要：筆記來源并發(fā)編程與高并發(fā)解決方案并發(fā)基礎(chǔ)綜述多級(jí)緩存緩存一致性亂序執(zhí)行優(yōu)化內(nèi)存模型規(guī)定抽象結(jié)構(gòu)同步八種操作及規(guī)則并發(fā)的優(yōu)勢(shì)與風(fēng)險(xiǎn)并發(fā)與高并發(fā)基本概念基本概念并發(fā)同時(shí)擁有兩個(gè)或者多個(gè)線程，如果程序在單核處理器上運(yùn)行，多個(gè)線程將交替地?fù)Q入或者換

筆記來源：【IMOOC】Java并發(fā)編程與高并發(fā)解決方案
并發(fā)基礎(chǔ) 
綜述：



CPU多級(jí)緩存：緩存一致性、亂序執(zhí)行優(yōu)化


Java內(nèi)存模型：JMM規(guī)定、抽象結(jié)構(gòu)、同步八種操作及規(guī)則


Java并發(fā)的優(yōu)勢(shì)與風(fēng)險(xiǎn)
并發(fā)與高并發(fā)基本概念 基本概念

并發(fā)：同時(shí)擁有兩個(gè)或者多個(gè)線程，如果程序在單核處理器上運(yùn)行，多個(gè)線程將交替地?fù)Q入或者換出內(nèi)存，這些線程是同時(shí)“存在”的，每個(gè)線程都處于執(zhí)行過程中的某個(gè)狀態(tài)，如果運(yùn)行在多核處理器上，此時(shí)，程序中的每個(gè)線程都將分配到一個(gè)處理器核上，因此可以同時(shí)運(yùn)行。

高并發(fā)：高并發(fā)（High Concurrency）是互聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的因素之一，它通常是指，通過設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)能夠同時(shí)并行處理很多請(qǐng)求。

并發(fā)：多個(gè)線程操作相同的資源，保證線程安全，合理使用資源

高并發(fā)：服務(wù)器能同時(shí)處理很多請(qǐng)求，提高程序性能

知識(shí)技能

總體架構(gòu)：Spring Boot、Maven、JDK8、MySQL

基礎(chǔ)組件：Mybatis、Guava、Lombok、Redis、Kafka

高級(jí)組件/類：Joda-Time、Atomic包、J.U.C、AQS、ThreadLocal、RateLimiter、Hystrix、threadPool、shardbatis、curator、elastic-job...

CPU多級(jí)緩存-緩存一致性 CPU多級(jí)緩存

為什么需要CPU cache：CPU的頻率太快了，快到主存跟不上，這樣在處理器時(shí)鐘周期內(nèi)，CPU常常需要等待主存，浪費(fèi)資源。所以cache的出現(xiàn)，是為了緩解CPU和內(nèi)存之間速度的不匹配問題（結(jié)構(gòu)：CPU -> cache -> memory）。

CPU cache有什么意義：

時(shí)間局部性：如果某個(gè)數(shù)據(jù)被訪問，那么在不久的將來它很可能被再次訪問；

空間局部性：如果某個(gè)數(shù)據(jù)被訪問，那么與它相鄰的數(shù)據(jù)很快也可能被訪問。

緩存一致性（MESI）

用于保證多個(gè)CPU cache之間緩存共享數(shù)據(jù)的一致性

MESI協(xié)議中的狀態(tài)

M: Modified 修改：指的是該緩存行只被緩存在該CPU的緩存中，并且是被修改過的，因此他與主存中的數(shù)據(jù)是不一致的，該緩存行中的數(shù)據(jù)需要在未來的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)（允許其他CPU讀取主存相應(yīng)中的內(nèi)容之前）寫回主存，然后狀態(tài)變成E（獨(dú)享）

E：Exclusive 獨(dú)享：指的是該緩存行只被緩存在該CPU的緩存中，是未被修改過的，與主存的數(shù)據(jù)是一致的，可以在任何時(shí)刻當(dāng)有其他CPU讀取該內(nèi)存時(shí)，變成S（共享）狀態(tài)，當(dāng)CPU修改該緩存行的內(nèi)容時(shí)，變成M（被修改）的狀態(tài)

S：Share 共享：意味著該緩存行可能會(huì)被多個(gè)CPU進(jìn)行緩存，并且該緩存中的數(shù)據(jù)與主存數(shù)據(jù)是一致的，當(dāng)有一個(gè)CPU修改該緩存行時(shí)，其他CPU是可以被作廢的，變成I(無效的)

I：Invalid 無效：代表這個(gè)緩存是無效的，可能是有其他CPU修改了該緩存行

local read：讀本地緩存的數(shù)據(jù)

local write：將數(shù)據(jù)寫到本地緩存里面

remote read：將內(nèi)（主）存中的數(shù)據(jù)讀取到緩存中來

remote write：將緩存中的數(shù)據(jù)寫會(huì)到主存里面

CPU多級(jí)緩存-亂序執(zhí)行優(yōu)化

處理器為提高運(yùn)算速度而作出違背代碼原有順序的優(yōu)化

JAVA內(nèi)存模型（Java Memory Model，JMM） Java 內(nèi)存模型

Heap(堆)：java里的堆是一個(gè)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)，堆是由垃圾回收來負(fù)責(zé)的，堆的優(yōu)勢(shì)是可以動(dòng)態(tài)的分配內(nèi)存大小，生存期也不必事先告訴編譯器，因?yàn)樗窃谶\(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的，java的垃圾回收器會(huì)定時(shí)收走不用的數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是由于要在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配，所以存取速度可能會(huì)慢一些。

Stack(棧)：棧的優(yōu)勢(shì)是存取速度比堆要快，僅次于計(jì)算機(jī)里的寄存器，棧的數(shù)據(jù)是可以共享的，缺點(diǎn)是存在棧中的數(shù)據(jù)的大小與生存期必須是確定的，缺乏一些靈活性。棧中主要存放一些基本類型的變量，比如 int，short，long，byte，double，float，boolean，char，對(duì)象句柄。

java內(nèi)存模型要求調(diào)用棧和本地內(nèi)存變量存放在線程棧（Thread Stack）上，對(duì)象存放在堆上。一個(gè)本地變量可能存放一個(gè)對(duì)象的引用，這時(shí)引用變量存放在本地棧上，但是對(duì)象本身存放在堆上，成員變量跟隨著對(duì)象存放在堆上，而不管是原始類型還是引用類型，靜態(tài)成員變量跟隨著類的定義一起存在在堆上。存在堆上的對(duì)象，可以被持有這個(gè)對(duì)象的引用的線程訪問。如果兩個(gè)線程同時(shí)訪問同一個(gè)對(duì)象的私有變量，這時(shí)他們獲得的是這個(gè)對(duì)象的私有拷貝。
計(jì)算機(jī)硬件架構(gòu)

JVM 與硬件內(nèi)存架構(gòu)的關(guān)聯(lián)

Java內(nèi)存模型抽象結(jié)構(gòu)

Java內(nèi)存模型-同步八種操作

lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量，把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一條線程獨(dú)占狀態(tài)

unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存的變量，把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定

read（讀取）：作用于主內(nèi)存的變量，把一個(gè)變量值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動(dòng)作使用

load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把read操作從內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中

use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量值傳遞給執(zhí)行引擎

assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存的變量

store（存儲(chǔ)）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write的操作

write（寫入）：作用于主內(nèi)存的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存的變量中

Java內(nèi)存模型-同步規(guī)則

如果要把一個(gè)變量從主內(nèi)存中復(fù)制到工作內(nèi)存，就需要按順序地執(zhí)行read和load操作，如果把變量從工作內(nèi)存中同步回主內(nèi)存中，就要按順序地執(zhí)行store和write操作。但Java內(nèi)存模型只要求上述操作必須按順序執(zhí)行，而沒有保證必須是連續(xù)執(zhí)行

不允許read和load、store和write操作之一多帶帶出現(xiàn)

不允許一個(gè)線程丟棄它的最近assign操作，即變量在工作內(nèi)存中改變了之后必須同步到主內(nèi)存中

不允許一個(gè)線程無原因地（沒有發(fā)生過任何assign操作）把數(shù)據(jù)從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存中

一個(gè)新的變量只能再主內(nèi)存中誕生，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個(gè)未被初始化（load或assign）的變量。即就是對(duì)一個(gè)變量實(shí)施use和store操作之前，必須先執(zhí)行過了assign和load操作

一個(gè)變量在同一時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其進(jìn)行l(wèi)ock操作，但lock操作可以被同一條線程重復(fù)執(zhí)行多次，多次執(zhí)行l(wèi)ock后，只有執(zhí)行相同次數(shù)的unlock操作，變量才會(huì)被解鎖。lock和unlock必須成對(duì)出現(xiàn)

如果對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行l(wèi)ock操作，將會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作初始化變量的值

如果一個(gè)變量事先沒有被lock操作鎖定，則不允許對(duì)它執(zhí)行unlock操作；也不允許去unlock一個(gè)被其他線程鎖定的變量

對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步到主內(nèi)存中（執(zhí)行store和write操作）

Java內(nèi)存模型-同步操作與規(guī)則

并發(fā)的優(yōu)勢(shì)與風(fēng)險(xiǎn)

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