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前言

java多线程并发编程本质上就是为了充分使用CPU从而提高程序执行效率。为了避免多线程并发环境下数据一致性问题，并根据并发编程特性提供一系列实现解决这个问题。
并发三大特性：原子性、可见性、有序性；锁概念和锁实现；volatile和synchronization；重量锁和轻量锁以及锁升级；CAS和AQS。
sunchronized锁升级流程图、CAS流程图、AQS流程图。

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一、进程和线程

1. 进程

进程是操作系统资源分配的基本单位。
例如在操作系统中，存在各种可执行的程序文件，当我们启动程序时，操作系统会在内存中为程序运行分配内存空间，这个正在执行的程序就是一个进程。一个操作系统可以同时启动多个程序，也就是可以同时运行多个进程。

2. 线程

线程是操作系统调度单位的最小单位。
在一个进程中可以创建多条线程，例如一个可以同时执行多个任务。多条线程共享同一进程下的资源（这就是为什么会有多线程并发问题）。

3. 串行、并行和并发

串行：同一时间只能做一件事情，需要等前面事情处理完了再执行下一个。
并行：同一时间多个事务同时进行。
并发：在程序执行中，多个事务交替执行。
注：

1. 并发的出现是为了提高CPU的利用率。因为CPU的执行效率对比于IO要快得多，大多数情况下CPU在执行完计算后需要等待IO，并发的出现可以让CPU不需要等待IO而是切换线程执行其它任务。
2. 并发是伪并行：因为CPU的执行速度和切换时间非常短，可以看作在同一时间执行多个任务。

总结

java多线程并发编程本质上就是为了充分使用CPU从而提高程序执行效率。为了避免多线程并发环境下数据一致性问题，并根据并发编程特性提供一系列实现解决这个问题。

二、java线程创建方式和区别

1.四种方式

a. 继承Thread类，重写run（）方法后调用start（）方法开启线程。
b. 实现Runnable接口，实现run（）方法，新建一个Thread将Runnable作为构造参数传入比调用start（）方法启动线程。
c. 实现Callable接口，实现call（）方法。
d. 使用线程池方式获取线程对象。

2. 区别

Thread和Runnable的区别：一个是继承，一个是接口，从对象特性看使用接口实现的更为灵活。
Runnable和Callable的区别：call（）方法有返回值，run（）方法没有返回值。

3. java中线程的几种状态

在操作系统中，线程只有运行、阻塞和结束三个状态。在java环境中，java为线程管理又多了新建、就绪、wait、sleep、block等状态。
a. 新建：new Thread（）。
b. 就绪：调用 start（）方法。
c. 运行：线程获取到cpu资源执行。
d. 阻塞：cpu线程切换、锁等待、线程调用wait（）sleep（）方法。
e. 结束：线程执行完毕或者调用interrupt（）stop（）等方法。

三、并发编程的三大特性

（一） 有序性

理解并发编程的有序性，需要先理解Happens-Before原则和指令重排。

1. jvm的Happens-Before

在java环境中，需要一个规则来确定操作与操作之间的先后执行顺序，这个判断规则就是Happens-Before规则。分别有以下几条规则：

1. 程序顺序规则：在一个线程中，每个操作Happens-Before与后面操作。（注：这里所谓的操作顺序与指令重排优化并不冲突，这里限制的其实是之前面操作执行结果对于后面操作必须可见，如果不满足这个条件则不允许重排）
2. volatile变量规则：如果变量声明了volatile，则对这个变量的写Happens-Before与所有对变量的读操作。（注：这里的读操作包括多线程环境以及指令重排条件）
3. 锁规则：对一个锁的解锁Happens-Before于对这个锁的加锁操作。（也就是说想要获取这个锁，必须等待这个锁释放，也可以理解为添加了锁功能的操作必须等获得锁才能继续执行）
4. 传递性：如果A操作Happens-Before于B操作，B操作Happens-Before于C操作，则A操作Happens-Before于C操作。
5. 线程启动规则：Thread对象的start（）方法Happens-Before于此线程其它动作。
6. 线程终止规则：线程的所有操作都Happens-Before于线程的终止检测。（也就是如果一个线程查询状态为结束，表示该线程的所有操作都以及执行）
7. 线程中断规则：线程的interrupt（）方法Happens-Before线程中断执行。（也就是说如果线程发生中断，会在中断执行之前执行interrupt方法）

2. 指令重排

java属于高级语言，在jvm中会进一步解析编译为操作系统可执行的编程语言。在java语言中一行代码会解析为多条指令，同时jvm为了提高执行效率，会在符合Happens-Before原则下对这些指令进行重排序。
例如：java的半初始化状态，会对成员变量的赋值拆分为三步：开辟内存空间并设置默认值、对内存空间赋值引用、对内存空间设置真实值。

（二）可见性

先了解线程不可见性再理解为什么会需要可见性。如图，当线程操作共享资源时，会先从共享内存空间拷贝数据到线程临时空间，这个临时空间是线程独享的，其它线程不可见。同时，每个线程内部的操作过程对另一个线程来说也是不可见的。

由于线程直接的不可见性，为了保证多线程并发环境下数据安全，需要保证共享数据在多线程操作中的可见性。
在java中，提供了volatile和synchronized保证数据可见性。

（三）原子性

在java环境中，使用了锁来实现原子性。也就是加了锁的操作（属性赋值、代码块）会作为一个整体执行。

（四）具体案例

1. 从对象和变量的半初始状态分析指令重排和线程安全。
2. 从双重检查单例模式分析volatile和synchronized

四、java的锁概念和实现

（一）JVM内存屏障

JVM提供了四个汇编指令级别内存屏障来保证内存数据读写的原子性。
LoadLoad、LoadStore、StoreStore、StoreLoad

（二）volatile 和 synchronized

使用volatile修饰的变量保证了线程可见性和禁止指令重排。
java提供synchronizated实现对方法或者代码块的加锁动作。

（三）锁的分类

重量级锁：早期JDK版本的synchronized
轻量级锁：偏向锁、自旋锁

（四）synchronized锁升级

如图，java的synchronized升级经历了偏向锁-轻量级锁（自旋锁）-重量级锁的过程。

（五）CAS

CAS 是单词 complete and save缩写，是乐观锁的一种实现。具体流程图如下，

实现CAS有两点需要注意：

1. 在进行判断和更新内存这两个动作需要保证原子性。
2. 为了避免ABA问题，可以增加一个version属性判断。
3. 判断不相等时循环操作直到成功可以看成自旋锁的实现。

（六）AQS

AQS是AbstractQueueSynchronizer缩写。AQS底层就是volatile和CAS的实现。

1. AQS数据结构

如下图，AQS主要内存结构：

1. 声明volatile的state变量，可以看成是一个锁对象，进入线程操作前需要竞争获得state。
2. 一个存储类型为thread的双向队列，双向是为了方便实现入队出队操作。
3. 一个指向队头的head变量。
4. 一个指向队尾的tail变量。

2. AQS的执行顺序

1. 代码执行流程：acquire-tryAcquire-addWaiter-acquireQuered
2. 两个CAS方法：completeAndSetState()和aompleteAndSetTail()
3. acquireQueued方法是一个自旋锁实现。