java 多线程处理大批量数据 java多线程汇总结果

文章目录

• 基础概念

• 过程、线程、协程
• Ques:

• 单核cpu设置多线程有意义吗？

• cpu密集型和 io 密集型

• 工作线程数(线程池中的线程数)越大越好吗？设置多少合适？

• 并发编程的三个特点

• 可见性

• 三级缓存
• volatile 保证可见性

• 有序性

• 创建对象的过程
• volatile 防止指令重排

• 原子性
• 乐观锁(无锁、自旋锁)

• CAS 的 ABA 问题

• CAS 如何在比较和交换过程中保证线程安全？

• 悲观锁（sychronized）

• 补充知识

• 用户态和内核态
• 对象的内存布局
• JOL

• 锁的升级过程
• 几个概念

• 偏向锁
• 偏向锁是否一定比自旋锁效率高？ ？

• 乐观锁和悲观锁谁效率更高？

 

基本概念过程、线程、协程

首先，让我们谈谈这三种差异。例如，我们启动了我们 xx.exe ，首先，我们将在内存中开辟一个空间，将程序加载到内存中。如果我们想启动它，我们的系统应该找到程序内部的主线程进行操作。定义:流程是操作系统资源分配的基本单位线程，是调度执行的基本单位。多个线程共享一个流程的资源协程/纤程 是绿色线程，即用户管理而不是操作系统管理的线程

Ques:单核cpu设置多线程有意义吗？

有意义的是，有些线程操作(等数据，调io什么的)不消耗cpu

cpu密集型和 io 密集型

cpu密集型程序是指cpu利用率高(cpu计算时间大)的io密集型(cpu利用率低(io调度时间大)

工作线程数(线程池中的线程数)越大越好吗？设置多少合适？

不是 ，具体线程数一般通过模拟实际情况进行压力测量   公式： N（threads） = N（cpu） *U（cpu）*（1+W/C）               N（cpu） 处理器的核数               U（cpu） CPU利用率的预期               W/C  等待时间与计算时间的比率   W如何确定/C？    Profiler(性能分析工具) 测算   java JProfiler       Arthas (远程)

可见性并发编程的三个特征

线程将数据从主存储器加载到本地缓存器，并在以后的操作中阅读本地缓存器的数据。此时，如果有第二个线程来修改数据，第一个线程是否可以看到被修改的值是并发编程的可见性。  针对可见性问题，先说三级缓存:

三级缓存

图中有两个cpu，每个cpu有两个核，

多个cpu共享内存，每个cpu共享L3缓存，

CPU内核共享L1、L2缓存、L3缓存。

当每个线程读取数据时，将从内存中奖数据加载到L3缓存->L2->L1，读的时候从L1开始->l2->L3到内存

补充： 局部空间原理：当我们使用某个值时，我们很快就会使用相邻值；      时间局部性是指如果程序中的指令执行，指令可能在不久的将来再次执行；如果数据被访问，数据可能在不久的将来再次被访问。      因此，在阅读数据时，会将周围的值读入缓存中。一般是缓存行的大小。缓存行64字节。因此，在操作数据时，为了防止数据不一致，存在缓存一致性原理。      (java8中有@contended注释(后续版本取消)。可以理解，前后填写数据，保证只读取数据，浪费空间换时间。)注意:缓存一致性协议≠MESI，MESI只是微软缓存一致性协议，比较有名。感兴趣的人可以去了解

volatile 保证可见性

1.volatile修改的内存每次修改都可以看到--->修改还同时修改主存中的数据，并通知其他用于重新load数据的线程 2.volatile修饰引用类型 (其他线程仍然看不见)-->volatile修饰引用类型一般不会出现

有序性

并发编程有序性问题：CPU可能会乱序执行，以提高执行效率：as-if-serial ->不影响单线程的最终一致性

创建对象的过程

解释几个重要的指令  0::new->申请内存，设置默认值(半初始化状态)       3:特殊调用，这里调用初始化方法       4:建立关联  引用对象与对象建立关联(引用类型指针指向堆位于栈内栈帧)

 

在实际操作中，这些指令3、4的顺序可能会被重新排序–>this溢出可能会发生(没有初始化已经联系起来，当场获得值是第一步初始化的默认值)

this 溢出是指在实例化完成之前，对象已返回引用。happens-before原则 JVM规定8种情况不允许重新安排(这方面的内容在这里跳过，有兴趣的可以去百度搜索)

volatile 防止指令重排

volatile实现细节 jvm层面           将内存屏障添加到指令之间，屏障两侧的指令不会重新排列           JVM层级   LOADLOAD   读读屏障  上下读不允许换序   其他不限制                    STORESTORE 写写屏障                       LOADSTORE   读写屏障                       STORELOAD   写读屏障

原子性

原子性是指一个线程的操作不能被其他线程打断，同时只有一个线程来操作一个变量。 这里先介绍几个基本概念1.rare condition 竞争条件--->多个线程访问共享数据的竞争.unconsistency  3.上锁的本质:并发编程序列化，将并发操作转化为顺序操作            将锁内的东西作为原子执行4.monitor  管程 （锁）5.critical section 临界区 锁定的大括号内部    如果临界区执行时间长，句子多，称为锁的粒度较粗，一般指锁的粒度较细

所谓上锁，就是保证临界区操作的原子性（atomicity）

乐观锁(无锁、自旋锁)

CAS操作：compare and swap/set/exchange  比较和交换

也就是说，当一个线程操作数据时，操作后将我的原始值与内存中的值进行比较。如果相同，则将新值更新到内存中 （细心的朋友可能会发现，这里的操作在阅读和更新之间仍然可能有一个坑。如果此时有人先更新，会有多线程问题吗？如何解决这个问题，让我们等一下）

CAS 的 ABA 问题

告诉我一个流行的例子。你出差了，然后在离开前看了看家里的样子。在出差的过程中，你的一个亲戚卖掉了房子，中间转了99只手。最后，你的亲戚感到内疚，又买了房子。回来后，对比一下，家还是那个家，但总觉得有些地方不对劲。这就是casaba的问题

aba问题的解决方案也很简单。只需添加一个版本号。也就是说，当你回来看的时候，这个房子的版本号99+和你的不一样，然后你就会知道有问题。比较原始数据时，同时比较版本号

CAS 如何在比较和交换过程中保证线程安全？

可以debug下atomic类，举个例子。atomicInteger

 

 

点击unsafe，可以看到这里有几种cas方法，但这是native c++本地方法。

 

 

这里直接给大家讲结论，感兴趣的可以去整个Hotspot源码debug，这里最后到一个   Atomic::cmpxchg 在方法中，会有if_mp的判断 ，mp是multi processor(多处理器)的含义。它将在汇编语言中执行  lock cmpxchg指令。cmpxchg(不是原子)   所以lock的指令给了一个锁，锁定了一个信号。(锁定北桥信号)

悲观锁（sychronized）补充知识用户态和核心态度

内核态： 执行在核心空间，可访问所有指令用户态度： 对于系统来说，只能访问用户可以访问的指令jvm只是一个用户态程序。然而，锁资源的申请必须通过kernnel和系统调用。因此，jdk早期的sychronized称为重量级锁

对象的内存布局

可以看出，对象的锁状态记录在markword中，具体情况如下图所示。锁状态主要取决于后三个橙色部分

JOL

使用JOL可以看到对象的内存布局，具体的maven依赖以下内存布局

<dependency>            <groupId>org.openjdk.jol</groupId>            <artifactId>jol-core</artifactId>            <version>0.8</version>       </dependency>

使用

Object o = new Object();        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

锁的升级过程

 

先说一下大致的流程，具体的字段意思稍后再说。

1. 创建一个对象，当锁未启动时，它将是一个普通对象

Object o = new Object();System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

此时的锁状态是无锁状态，markword最后三位是001：

2.锁定对象，锁将升级为轻量级锁(无锁、自旋锁)

Object o = new Object();System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable()); synchronized (o){    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable()); }

此时锁的状态很轻级锁，markword后两个是00：

3.竞争加剧:有线程自旋10次以上，-XX:PreBlockSpin（1.6之前 自旋次数可以通过此指令控制)，或者自旋线程数超过cpu核数的一半可以升级为重量级锁。  加入Adapative后，加入Adapative Self Spinning(自适应自旋)

7.如果偏向锁已经启动，new的对象就会匿名偏向锁

Jvm通过 -XX:BiasedLockingStarupDelay (偏向于锁默认启动延迟 4s)设置偏向锁启动时间，默认情况下，4s后启动，由于jvm启动过程中会有很多线程竞争，默认情况下不会打开偏向锁。

Thread.sleep(5000);Object t = new Object();System.out.println(ClassLayout.parseInstance(t).toPrintable());

可以看出，此时偏向锁已经启动，最后三个markword是101

8.sychronized 加锁匿名偏向锁后，就是偏向锁。

Thread.sleep(5000);  Object t = new Object();  System.out.println(ClassLayout.parseInstance(t).toPrintable());  synchronized (t){       System.out.println(ClassLayout.parseInstance(t).toPrintable());  }

可以看出，markword的后三位是101 偏向锁

5.轻度竞争:只要有一个线程来争夺这个锁，就会从偏向锁升级为轻量级锁。6.重度竞争:竞争加剧:有线程自旋10次以上，-XX:PreBlockSpin（1.6之前 自旋次数可以通过此指令控制)，或者自旋线程数超过cpu核数的一半可以升级为重量级锁。

4.普通对象升级为偏向锁

以class为单位，维护每个class的偏向锁取消计数器 LR 。每次class的对象偏向于取消操作时，添加一个LR(LR有一个指针指向displacedMarkword)。当该值达到重偏差阈值(默认20)时，jvm会觉得class偏差锁有问题，因此会进行批重偏差。若达到40，将出现批量重撤销。如果您感兴趣，可以了解epoch的批量偏差和批量重撤销

几个概念偏向于锁

偏向锁的目标是减少使用轻量级锁产生的性能消耗，而无竞争，只使用一个线程。 。 每次申请和释放轻量级锁时，至少需要一次CAS，但偏向锁只需要一次CAS才能初始化。 “偏见”是指， 偏向锁假设未来只有第一个申请锁的线程会使用锁 (申请锁不会有任何线程)

偏向锁是否一定比自旋锁效率高？ ？

不一定，在明确知道会有多线程竞争的情况下，偏向锁肯定会涉及到取消锁的过程。此时，直接关闭偏向锁，直接使用自旋锁

乐观锁和悲观锁谁效率更高？

临界区执行长等待线程较多，建议悲观  建议等待线程少，临界执行短。   悲观锁线程等待是在队列中等待操作系统的调度，而不消耗cpu资源。乐观锁更消耗cpu资源  实战--->建议直接 sychronized (现在优化得很好)    sychronized 它将确保可见性，因为它将在修改数据后刷新缓存，并确保线程的顺序执行 。不能保证有序性