java高并发系列 - 第1天:必须知道的几个概念

摘要：并发和并行并发和并行是两个非常容易被混淆的概念。并发说的是在一个时间段内，多件事情在这个时间段内交替执行。并行说的是多件事情在同一个时刻同事发生。由于线程池是一个线程，得不到执行，而被饿死，最终导致了程序死锁的现象。

同步和异步通常来形容一次方法调用，同步方法调用一旦开始，调用者必须等到方法调用返回后，才能继续后续的行为。异步方法调用更像一个消息传递，一旦开始，方法调用就会立即返回，调用者就可以继续后续的操作。而异步方法通常会在另外一个线程中“真实”地执行。整个过程，不会阻碍调用者的工作。

如图：

上图中显示了同步方法调用和异步方法调用的区别。对于调用者来说，异步调用似乎是一瞬间就完成的。如果异步调用需要返回结果，那么当这个异步调用真实完成时，则会通知调用者。

打个比方，比如购物，如果你去商场买空调，当你到了商场看重了一款空调，你就向售货员下单。售货员去仓库帮你调配物品。这天你热的是在不行了，就催着商家赶紧给你送货，于是你就在商店里面候着他们，直到商家把你和空调一起送回家，一次愉快的购物就结束了。这就是同步调用。

不过，如果我们赶时髦，就坐在家里打开电脑，在电脑上订购了一台空调。当你完成网上支付的时候，对你来说购物过程已经结束了。虽然空调还没有送到家，但是你的任务已经完成了。商家接到你的订单后，就会加紧安平送货，当然这一切已经跟你无关了。你已经支付完成，想干什么就能去干什么，出去溜几圈都不成问题，等送货上门的时候，接到商家的电话，回家一趟签收就完事了。这就是异步调用。

并发和并行是两个非常容易被混淆的概念。他们都可以表示两个或者多个任务一起执行，但是侧重点有所不同。并发偏重于多个任务交替执行，而多个任务之间有可能还是串行的，而并行是真正意义上的“同时执行”，下图很好地诠释了这点。

大家排队在一个咖啡机上接咖啡，交替执行，是并发；两台咖啡机上面接咖啡，是并行。

从严格意义上来说，并行的多任务是真的同时执行，而对于并发来说，这个过程只是交替的，一会执行任务A，一会执行任务B，系统会不停地在两者之间切换。但对于外部观察者来说，即使多个任务之间是串行并发的，也会造成多任务间并行执行的错觉。

并发说的是在一个时间段内，多件事情在这个时间段内交替执行。

并行说的是多件事情在同一个时刻同事发生。

实际上，如果系统内只有一个CPU，而使用多进程或者多线程任务，那么真实环境中这些任务不可能是真实并行的，毕竟一个CPU一次只能执行一条指令，在这种情况下多进程或者多线程就是并发的，而不是并行的（操作系统会不停地切换多任务）。真实的并行也只可能出现在拥有多个CPU的系统中（比如多核CPU）。

临界区
临界区用来表示一种公共资源或者说共享数据，可以被多个线程使用，但是每一次只能有一个线程使用它，一旦临界区资源被占用，其他线程要想使用这个资源就必须等待。

比如，一个办公室里有一台打印机，打印机一次只能执行一个任务。如果小王和小明同时需要打印文件，很明显，如果小王先发了打印任务，打印机就开始打印小王的文件，小明的任务就只能等待小王打印结束后才能打印，这里的打印机就是一个临界区的例子。

在并行程序中，临界区资源是保护的对象，如果意外出现打印机同时执行两个任务的情况，那么最有可能的结果就是打印出来的文件是损坏的文件，它既不是小王想要的，也不是小明想要的。

阻塞（Blocking）和非阻塞（Non-Blocking）
阻塞和非阻塞通常用来形容很多线程间的相互影响。比如一个线程占用了临界区资源，那么其他所有需要这个资源的线程就必须在这个临界区中等待。等待会导致线程挂起，这种情况就是阻塞。此时，如果占用资源的线程一直不愿意释放资源，那么其他线程阻塞在这个临界区上的线程都不能工作。

非阻塞的意思与之相反，它强调没有一个线程可以妨碍其他线程执行，所有的线程都会尝试不断向前执行。

死锁（Deadlock）、饥饿（Starvation）和活锁（Livelock）
死锁、饥饿和活锁都属于多线程的活跃性问题。如果发现上述几种情况，那么相关线程就不再活跃，也就是说它可能很难再继续往下执行了。

死锁应该是最糟糕的一种情况了（当然，其他几种情况也好不到哪里去），如下图显示了一个死锁的发生：

A、B、C、D四辆小车都在这种情况下都无法继续行驶了。他们彼此之间相互占用了其他车辆的车道，如果大家都不愿意释放自己的车道，那么这个状况将永远持续下去，谁都不可能通过，死锁是一个很严重的并且应该避免和实时小心的问题，后面的文章中会做更详细的讨论。

饥饿是指某一个或者多个线程因为种种原因无法获得所要的资源，导致一直无法执行。比如它的优先级可能太低，而高优先级的线程不断抢占它需要的资源，导致低优先级线程无法工作。在自然界中，母鸡给雏鸟喂食很容易出现这种情况：由于雏鸟很多，食物有限，雏鸟之间的事务竞争可能非常厉害，经常抢不到事务的雏鸟有可能被饿死。线程的饥饿非常类似这种情况。此外，某一个线程一直占着关键资源不放，导致其他需要这个资源的线程无法正常执行，这种情况也是饥饿的一种。于死锁想必，饥饿还是有可能在未来一段时间内解决的（比如，高优先级的线程已经完成任务，不再疯狂执行）。

活锁是一种非常有趣的情况。不知道大家是否遇到过这么一种场景，当你要做电梯下楼时，电梯到了，门开了，这是你正准备出去。但很不巧的是，门外一个人当着你的去路，他想进来。于是，你很礼貌地靠左走，礼让对方。同时，对方也非常礼貌的靠右走，希望礼让你。结果，你们俩就又撞上了。于是乎，你们都意识到了问题，希望尽快避让对方，你立即向右边走，同时，他立即向左边走。结果，又撞上了！不过介于人类的智慧，我相信这个动作重复两三次后，你应该可以顺利解决这个问题。因为这个时候，大家都会本能地对视，进行交流，保证这种情况不再发生。但如果这种情况发生在两个线程之间可能就不那么幸运了。如果线程智力不够。且都秉承着“谦让”的原则，主动将资源释放给他人使用，那么久会导致资源不断地在两个线程间跳动，而没有一个线程可以同时拿到所有资源正常执行。这种情况就是活锁。

package com.jvm.visualvm;


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();
    }

    /**
     * 线程死锁等待演示
     */
    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 {
    }
}

运行上面代码，可以通过jstack查看到死锁信息:

"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$Obj1的锁，等待获取com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2的锁
thread2持有com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2的锁，等待获取com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1的锁，两个线程相互等待获取对方持有的锁，出现死锁。

package com.jvm.jconsole;

import java.util.concurrent.*;


public class ExecutorLock {
    private static ExecutorService single = Executors.newSingleThreadExecutor();

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


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

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

执行代码，输出：

in MyCallable
使用jstack命令查看线程堆栈信息：

"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

堆栈信息结合图中的代码，可以看出主线程在32行处于等待中，线程池中的工作线程在25行处于等待中，等待获取结果。由于线程池是一个线程，AnotherCallable得不到执行，而被饿死，最终导致了程序死锁的现象。