单核CPU可以多线程么？

即使是单核处理器也支持多线程执行代码，CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现
这个机制。时间片是CPU分配给各个线程的时间，因为时间片非常短，所以CPU通过不停地切
换线程执行，让我们感觉多个线程是同时执行的，时间片一般是几十毫秒（ms）。

CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后会切换到下一个
任务。但是，在切换前会保存上一个任务的状态，以便下次切换回这个任务时，可以再加载这
个任务的状态。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

为什么并发执行的速度会比串行慢

这是因为线程有创建和上下文切换的开销

如何减少上下文切换

减少上下文切换的方法有无锁并发编程、CAS算法、使用最少线程和使用协程。

• 无锁并发编程。多线程竞争锁时，会引起上下文切换，所以多线程处理数据时，可以用一
  些办法来避免使用锁，如将数据的ID按照Hash算法取模分段，不同的线程处理不同段的数据。
• CAS算法。Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁。
• 使用最少线程。避免创建不需要的线程，比如任务很少，但是创建了很多线程来处理，这
  样会造成大量线程都处于等待状态。
• 协程：在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务间的切换。

避免死锁

• 避免一个线程同时获取多个锁。
• 避免一个线程在锁内同时占用多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源。
• 尝试使用定时锁，使用lock.tryLock（timeout）来替代使用内部锁机制。
• 对于数据库锁，加锁和解锁必须在一个数据库连接里，否则会出现解锁失败的情况。

java字节码描述

Java代码在编译后会变成Java字节码，字节码被类加载器加载到JVM里，JVM执行字节
码，最终需要转化为汇编指令在CPU上执行。

volatile关键字

被volatile关键字修饰的变量，再多线程中，一个线程修改他会立即被其他线程看到

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会多出lock前缀指令：

• 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
• 这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效

处理器为了提交效率，读取缓冲，当有写请求时，如果带上了volatile关键字，会发送一个前缀lock指令，将这个变量所在的缓冲行写到系统内存，但是有很多处理器，就会有多个缓冲行，他是怎么保证缓存一致的呢，每个处理器会嗅探总线传播的数据是不是过期了，如果缓存行的对应的内存地址被修改，那么就把缓存行设置为无效，当下次访问内存的时候，强制写到缓存行。

在每次volatile写之前会加上storestore屏障，写之后会加上storeload屏障。
在每次volatile读之前会加上loadload屏障，读之后加上loadstore屏障。
目的是为了指令重排序。

由于volatile仅仅保证对单个volatile变量的读/写具有原子性，而锁的互斥执行的特性可以
确保对整个临界区代码的执行具有原子性。

synchronized的实现原理与应用

具体表现为以下3种形式：

• 对于普通同步方法，锁是当前实例对象。
• 对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象。
• 对于同步方法块，锁是Synchonized括号里配置的对象。

synchronized内部实现

通过 javap -v XXX.class文件可以发现

代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，而方法同步是ACC_SYNCHRONIZED方法获取到的，无论哪种方式都是通过一个对象的monitor进行获取

任何线程对同步代码的访问，都要先获取监视器，如果获取失败，就会放到SyncchronizedQueue队列中，当持有线程释放了锁后，会释放阻塞在队列中的线程。

synchronized用的锁是存在Java对象头里的，HashCode、分代年龄和锁标记位。

偏向锁

当一个线程在访问同步代码块的时候，对象头mark_word会存储当前线程的Id，在重复获取锁的时候不需要cas进行获取，而是检查mark_word是否有当前线程的偏行锁，如果没有，检查mark_word是否是1，不是的话，cas竞争，将设置为1，如果为1，那么就将对象头的偏向锁指向当前线程。

偏向锁的撤销只有在竞争的时候才会释放，只有等到安全点的时候(这个时间没有执行的字节码的时候)，首先会暂停拥有偏向锁的线程，检查拥有偏向锁的栈，拥有的将会被执行，最后会唤醒竞争的线程。

java保证原子性有哪些方式

简单分为两种：加锁和使用自旋cas

JVM锁除了偏向锁，都是使用cas实现的加锁

cas

比较预期值和更新之后的值是否相等，如果相等的话，就更形

cas 的缺点

1. ABA问题，他是比较当前值和预期的值是否相等，如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么cas检测时，会发现这个值是没有变化的，但是实际上却变化了，ABA问题的解决的方法时加上版本号，每次更新的时候版本号会加一，JDK1.5出现的AtomicStampedReference来解决ABA问题，比较了当前标志是否等于预期的标志。
2. 循环时间开销大。自旋时间太长会出现较大的CPU开销
3. 只能保证一个共享变量的原子性。从JDK1.5出现了AtomicReference保证引用对象的原子性。可以把多个变量放到一个对象里面，进行cas操作。

java内存模型的基础

线程之间的通信有两种方式，分别为共享内存和消息传递。

在共享内存的并发模型中，通过共享程序的公共状态，隐式通信。

在消息传递的并发模型中，线程之间必须通知传递消息通信。

java内存模型的抽象结构

JMM定义了抽象关系，线程之间的共享变量存储在主内存中，每个线程都有自己的本地内存，本地内存存储了该线程的读写副本。

如果线程A与线程B之间要通信的话：

1. 线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
2. 线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

happens-before原则

从JDK 5开始，Java使用新的JSR-133内存模型（除非特别说明，本文针对的都是JSR-133内
存模型）。JSR-133使用happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。在JMM中，如果一
个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须要存在happens-before关
系。这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内，也可以是在不同线程之间。

与程序员密切相关的happens-before规则如下：

• 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。
• 监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。
• volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的
  读。
• 传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

两个操作之间具有happens-before关系，并不意味着前一个操作必须要在后一个
操作之前执行！happens-before仅仅要求前一个操作（执行的结果）对后一个操作可见

一个happens-before规则对应于一个或多个编译器和处理器重排序规则

获取锁和释放锁的内存语义

释放锁的时候，会把共享变量刷到主内存里面。获取锁的时候，临界区的本地变量无效，从主存中刷到本地内存中。

aqs

Java队列同步器框架AbstractQueuedSynchronizer,AQS使用一个整型的volatile变量（命名为state）来维护同步状态。

主要包括：

1. 同步队列
2. 独占式同步状态获取与释放
3. 共享式同步状态获取与释放
4. 以及超时获取同步状态等同步器的核心数据结构与模板方法

同步队列

同步器依靠的是一个FIFO的双向队列来维持一个同步状态，当线程阻塞时，会把节点信息放到队尾（这个时候会调用compareAndSetTail，多个线程竞争，保证线程安全），当有线程释放的时候，会唤醒队头的线程（这个时候不用cas，只是头节点断开就行了，只会有一个成功）。

独占式同步状态获取与释放

在获取同步状态时，同步器维护一个同步队列，获取状态失败的线程都会被加入到队列中并在队列中进行自旋，移出队列（或停止自旋）的条件是前驱节点为头节点且成功获取了同步状态。在释放同步状态时，同步器调用tryRelease(int arg)方法释放同步状态，然后唤醒头节点的后继节点。

ReentrantLock

ReentrantLock分为公平锁和非公平锁。

• 公平锁和非公平锁释放时，最后都要写一个volatile变量state。
• 公平锁获取时，首先会去读volatile变量。
• 非公平锁获取时，首先会用CAS更新volatile变量，这个操作同时具有volatile读和volatile
  写的内存语义

锁释放-获取的内存语义的实现至少有下面两种方式。

1. 利用volatile变量的写-读所具有的内存语义。
2. 利用CAS所附带的volatile读和volatile写的内存语义。

ReadWriteLock保证HashMap解决并发安全问题

每次修改操作之前加上写锁，读之前加上读锁。

concurrent包的实现

首先，声明共享变量为volatile。

然后，使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步。

同时，配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信

AQS，非阻塞数据结构和原子变量类（java.util.concurrent.atomic包中的类），这些concurrent
包中的基础类都是使用这种模式来实现的，而concurrent包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的

final域的内存语义

线程优先级

java将线程的优先级分为1-10，默认为5，线程的优先级越高，代表获取的时间片数量越高。

线程的状态

同一时刻，线程只能拥有一个状态

• new 线程被构建，还没有调用start方法
• Runnable 运行状态，java将就绪和运行笼统称作运行中
• blocked 阻塞状态，表示线程阻塞于锁
• waiting 等待状态，表示线程需要等待其他线程发出一些动作（通知或者中断）
• time_waiting 超时等待状态，指定时间自行返回
• terminated 终止状态

daemon线程

后台线程，只能在运行前设置为daemon

等待通知机制

注意

1. 使用wait()、notify()和notifyAll()时需要先对调用对象加锁。
2. 调用wait()方法后，线程状态由RUNNING变为WAITING，并将当前线程放置到对象的
   等待队列
3. notify()或notifyAll()方法调用后，等待线程依旧不会从wait()返回，需要调用notify()或
   notifAll()的线程释放锁之后，等待线程才有机会从wait()返回
4. notify()方法将等待队列中的一个等待线程从等待队列中移到同步队列中，而notifyAll()
   方法则是将等待队列中所有的线程全部移到同步队列，被移动的线程状态由WAITING变为
   BLOCKED。
5. 从wait()方法返回的前提是获得了调用对象的锁。

WaitThread首先获取了对象的锁，然后调用对象的wait()方法，从而放弃了锁并进入了对象的等待队列WaitQueue中，进入等待状态。由于WaitThread释放了对象的锁，NotifyThread随后获取了对象的锁，并调用对象的notify()方法，将WaitThread从WaitQueue移到SynchronizedQueue中，此时WaitThread的状态变为阻塞状态。NotifyThread释放了锁之后，WaitThread再次获取到锁并从wait()方法返回继续执行。

Thread.join()的使用

如果一个线程A执行了thread.join()语句，其含义是：当前线程A等待thread线程终止之后才
从thread.join()返回，谁调用谁等待。

java并发框架

为什么要使用ConcurrentHashMap

1. hashMap并发put导致死循环，因为会形成一个环形链表。
2. hashTable使用synchronized，效率低
3. 分段锁提升效率

• get操作

get 操作不用加锁，经过两次hash运算，第一次找到对应的segment，第二次找到对应的entry，并且都将变量声明成volatile类型，保证segment的count字段和entry的value保证内容可见性，能够被多个线程同时读，即使两个线程同时修改和读取同一变量，由于happen before原则，对volatile的写优先于读。

• put操作

需要对共享变量进行加锁，需要进行两个过程，第一，定位到segment，判断segment中的hashEntry是否需要扩容，第二，定位到对应的hashEntry

值得一提的是，Segment的扩容判断比HashMap更恰当，因为HashMap是在插入元素后判断元素是否已经到达容量的，如果到达了就进行扩容，但是很有可能扩容之后没有新元素插入，这时HashMap就进行了一次无效的扩容。

如何扩容，创建一个是原来两倍的数组，将原来数组的元素放到新的数组里面，为了高效，只是对segment进行扩容。

• size 操作

先尝试通过不锁柱segment的方式统计两次各segment的大小，如果在统计的过程中，count发生了变化，则加锁统计所有segment的大小

如何判断容器是否发生变化了呢，有一个变量modCount，当有remove、clean、add操作时，modCont会加1，前后比较modCount的值即可判断

ConcurrentLinkedQueue

非阻塞的无界队列，cas实现。

阻塞队列

支持两个操作：

1. 支持添加时队列如果满了，阻塞当前线程，直到队列不满。
2. 支持从队列中移除元素，如果队列为空，获取元素的线程会等待到队列非空

抛出异常	返回特殊值	一直阻塞	超时退出
add	offer	put	offer(e,time)
remove	poll	take	poll(e,time)

线程池

好处

• 降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
• 提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
• 提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，
  还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。但是，要做到合理利用
  线程池，必须对其实现原理了如指掌。