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学完不亏!Java并发实现原理之JDK源码剖析

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前言

并发编程可选择的方式有多进程、多线程和多协程。对于Java来说,它既不像C++那样,在运行中调用Linux的系统API去“fork”出多个进程;也不像Go那样,在语言层面原生提供多协程。在Java中,并发就是多线程模式。

对于人脑的认知来说,“代码一行行串行”当然最容易理解。但在多线程下,多个线程的代码交叉并行,要访问互斥资源,要互相通信。作为开发者,需要仔细设计线程之间的互斥与同步,稍不留心,就会写出非线程安全的代码。正因此,多线程编程一直是一个被广泛而深入讨论的领域。

在JDK 1.5发布之前,Java只在语言级别上提供一些简单的线程互斥与同步机制,也就是synchronized关键字、wait与notify。如果遇到复杂的多线程编程场景,就需要开发者基于这些简单的机制解决复杂的线程同步问题。而从JDK 1.5开始,并发编程大师Doug Lea奉上了一个系统而全面的并发编程框架——JDK Concurrent包,里面包含了各种原子操作、线程安全的容器、线程池和异步编程等内容。

本文基于JDK 7和JDK 8,对整个Concurrent包进行全面的源码剖析。JDK 8中大部分并发功能的实现和JDK 7一样,但新增了一些额外特性。例如CompletableFuture、ConcurrentHashMap的新实现、StampedLock、LongAdder等。

对整个Concurrent包的源码进行分析,有以下几个目的:

  • (1)帮助使用者合理地选择解决方案。Concurrent包很庞大,有各式各样的线程互斥与同步机制。明白实现原理,使用者可以根据自己的业务场景,选择最适合自己的解决方案。避免重复造轮子,也避免因为使用不当而掉到“坑”里。
  • (2)对源码的分析,将让使用者对内存屏障、CAS原子操作、锁、无锁等底层原理的认识,不再停留于一个“似是而非”的阶段,而是深刻地认识其本质。
  • (3)吸收借鉴大师的思维。在 Concurrent 包中,可以看到各种巧妙的并发处理策略。看了Concurrent包,才会发现在多线程中,不是只有简陋的互斥锁、通知机制和线程池。

本文将从多线程基础知识讲起,逐步地深入整个Concurrent包。读完本书,你将对多线程的原理、各种并发的设计原理有一个全面而深刻的理解。
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第1章 多线程基础

  • 1.1 线程的优雅关闭
  • 1.2 InterruptedException()函数与interrupt()函数
  • 1.3 synchronized关键字
  • 1.4 wait()与notify()
  • 1.5 volatile关键字
  • 1.6 JMM与happen-before
  • 1.7 内存屏障
  • 1.8 final关键字
  • 1.9 综合应用:无锁编程
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第2章 Atomic类

从本章开始,我们将从简单到复杂,从底层到上层,一步步剖析整个 Concurrent 包的层次体系,如图所示:
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  • 2.1 AtomicInteger和AtomicLong
  • 2.2 AtomicBoolean和AtomicReference
  • 2.3 AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference
  • 2.4 AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater和AtomicReferenceFieldUpdater
  • 2.5 AtomicIntegerArray、AtomicLongArray和Atomic-ReferenceArray
  • 2.6 Striped64与LongAdder
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第3章 Lock与Condition

  • 3.1 互斥锁
  • 3.2 读写锁
  • 3.3 Condition
  • 3.4 StampedLock
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第4章 同步工具类

除了锁与 Condition,Concurrent 包还提供了一系列同步工具类。这些同步工具类的原理,有些也是基于AQS的,有些则需要特殊的实现机制,这一章将对所有同步工具类的实现原理进行剖析。

  • 4.1 Semaphore
  • 4.2 CountDownLatch
  • 4.3 CyclicBarrier
  • 4.4 Exchanger
  • 4.5 Phaser
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第5章 并发容器

在Lock和Phaser的实现中,已经介绍了基于CAS实现的无锁队列和无锁栈。本章将全面介绍Concurrent包提供的各种并发容器。

  • 5.1 BlockingQueue
  • 5.2 BlockingDeque
  • 5.3 CopyOnWrite
  • 5.4 ConcurrentLinkedQueue/Deque
  • 5.5 ConcurrentHashMap
  • 5.6 ConcurrentSkipListMap/Set
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第6章 线程池与Future

  • 6.1 线程池的实现原理
  • 6.2 线程池的类继承体系
  • 6.3 ThreadPoolExector
  • 6.4 Callable与Future
  • 6.5 ScheduledThreadPoolExecutor
  • 6.6 Executors工具类
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第7章 ForkJoinPool

  • 7.1 ForkJoinPool用法
  • 7.2 核心数据结构
  • 7.3 工作窃取队列
  • 7.4 ForkJoinPool状态控制
  • 7.5 Worker线程的阻塞—唤醒机制
  • 7.6 任务的提交过程分析
  • 7.7 工作窃取算法:任务的执行过程分析
  • 7.8 ForkJoinTask的fork/join
  • 7.9 ForkJoinPool的优雅关闭
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第8章 CompletableFuture

从JDK 8开始,在Concurrent包中提供了一个强大的异步编程工具CompletableFuture。在JDK8之前,异步编程可以通过线程池和Future来实现,但功能还不够强大。CompletableFuture的出现,使Java的异步编程能力向前迈进了一大步。在探讨CompletableFuture的原理之前,先详细看一下CompletableFuture的用法,从这些用法中,可以看到相较之前的Future有哪些能力得到了提升。

  • 8.1 CompletableFuture用法
  • 8.2 四种任务原型
  • 8.3 CompletionStage接口
  • 8.4 CompletableFuture内部原理
  • 8.5 任务的网状执行:有向无环图
  • 8.6 allOf内部的计算图分析
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