并发编程-基础

并发编程-基础

并发基础

一，进程和线程

1.1 进程和线程的定义

进程是程序的一次执行过程，程序是静态的，进程是动态的线程是一个比进程更小的执行单位，一个进程在执行过程中可以产生很多线程，每个线程都有自己独立的程序计数器，栈，也可以共享进程内的堆和方法区，进程之前的切换开销比线程大

1.2 进程和线程的关系，区别

关系

操作系统内存中可以存在多个进程，让操作系统并发成为了可能线程在进程内可以存在多个，同时处理多个进程子任务，让进程内部并发成为了可能

区别：

进程拥有独立的内存地址空间，进程和进程之间的内存地址空间是分隔开的，数据也是独立的，各个进程间互不打扰，线程共享进程内的地址空间和数据进程单独占有一定的内存地址空间，一个进程出现问题不会影响其他进程，不影响主程序的稳定性，可靠性高；一个线程崩溃可能影响整个程序的稳定性，可靠性较低。进程是操作系统资源分配的基本单位，线程是CPU调度的最小单位进程上下文切换消耗比线程大

1.3 状态转换

线程和进程的基本状态转换图：

java线程状态转换图：

区别：java中的runnable包括就绪和运行中

1.4 进程调度算法

时间片轮转

每个进程分配一个固定的时间片大小，时间片执行完则让出CPU资源，CPU执行下一个进程

优先级调度

非抢占式优先权算法

在这种方式下，系统一旦把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程后，该进程便一直执行下去，直至完成

抢占式优先权算法

在这种方式下，系统同样是把处理机分配给优先权最高的进程，使之执行。但在其执行期间，只要又出现了另一个其优先权更高的进程，进程调度程序就立即停止当前进程(原优先权最高的进程)的执行，重新将处理机分配给新到的优先权最高的进程

先来先服务

利用就绪队列实现，每次都是队列头部的进程获得调度，调度完成后进入队列尾部

多级反馈队列

被公认的一种较好的进程调度算法，总和了多种调度算法有多个优先级队列，从高到低，优先级越高的队列，时间片越短当一个新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完成，便可准备撤离系统；如果它在一个时间片结束时尚未完成，调度程序便将该进程转入第二队列的末尾，再同样地按FCFS原则等待调度执行；如果它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成，再依次将它放入第三队列，……，如此下去，当一个长作业(进程)从第一队列依次降到第n队列后，在第n队列便采取按时间片轮转的方式运行。仅当第一队列空闲时，调度程序才调度第二队列中的进程运行；仅当第1～(i-1)队列均空时，才会调度第i队列中的进程运行。如果处理机正在第i队列中为某进程服务时，又有新进程进入优先权较高的队列(第1～(i-1)中的任何一个队列)，则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机，即第i队列中某个正在运行的进程的时间片用完后，由调度程序选择优先权较高的队列中的那一个进程，把处理机分配给它。

二，CAS和原子操作

2.1 乐观锁和悲观锁

乐观锁

每次进入临界区时都认为不会发生冲突，无需加锁

乐观锁通常是使用CAS去保证线程安全

悲观锁

每次进入临界区都认为会发生冲突，每次都加锁，常用手段：synchronized，lock

2.2 CAS

CAS的全称是：比较并交换（Compare And Swap）。在CAS中，有这样三个值：

V：要更新的变量(var)E：预期值(expected)N：新值(new)

过程：

判断要更新的变量V是否等于E，等于则将V更新为新值N，不等于则什么都不干

他的底层是CPU的原子指令cmpxchg，从CPU级别保证原子性

当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败，但失败的线程并不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作

Java中的CAS

java中通过unsafe类实现了CAS和一些内存的直接操作

boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset,Object expected, Object x);boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,int expected,int x);boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset,long expected,long x);

Java中的原子类封装了unsafe类中实现的CAS，在java.util.concurrent.atomic包下面

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YAPaurht-1595093828582)(只暴露两个参数：value的旧值和新值 public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); }

可以看到内部走的是unsafe的cas方法

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

再看底层unsafe类顶底层cpp：

内部走的是：

(jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;

如果更新为新值e则CAS成功，再看底层该cmpxchg方法：

// atomic_windows_x86.inline.hpp#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0 \ __asm je L0 \ __asm _emit 0xF0 \ __asm L0: inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) { // alternative for InterlockedCompareExchange int mp = os::is_MP(); __asm { mov edx, dest mov ecx, exchange_value mov eax, compare_value LOCK_IF_MP(mp) cmpxchg dword ptr [edx], ecx }}

用到的汇编指令是：

cmpxchg dword ptr [edx], ecx

CAS的缺陷

ABA问题：

ABA问题：就是一个值原来是A，变成了B，又变回了A。这个时候使用CAS是检查不出变化的，但实际上却被更新了两次。

解决方法：加版本号或者时间戳判断

从JDK 1.5开始，JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference类来解决ABA问题。

AtomicStampedReference是如何解决ABA问题

AtomicStampedReference将对象引用和版本戳封装成一个pair

private static class Pair { final T reference; final int stamp; private Pair(T reference, int stamp) { this.reference = reference; this.stamp = stamp; } static Pair of(T reference, int stamp) { return new Pair(reference, stamp); }}

使用该atomicStampedReference时，传入需要cas更新的对于引用和版本戳即可

public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) { pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);}

CAS流程分析：检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果二者都相等，才使用CAS设置为新的值和标志

public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp) { Pair current = pair; return expectedReference == current.reference && expectedStamp == current.stamp && ((newReference == current.reference && newStamp == current.stamp) || casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));} private boolean casPair(Pair cmp, Pair val) { return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);}

CAS多与自旋结合。如果自旋CAS长时间不成功，会占用大量的CPU资源。pause指令只能保证一个共享变量的原子操作,使用JDK 1.5开始就提供的AtomicReference类保证对象之间的原子性，把多个变量放到一个对象里面进行CAS操作；

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