Java并发编程的艺术_方腾飞，魏鹏，程晓明著_9787111737971

本书从并发编程的底层实现机制入手，围绕JDK源码、JVM、CPU等多角度详细介绍了设计Java并发程序的框架、原理、核心技术、设计模式与应用，同时辅以丰富的示例代码，使得开发人员能够更快地领悟Java并发编程的要领，利用Java平台的基础并发功能快速地构建大规模的并发应用。

【为什么要写这本书】
记得第一次写并发编程的文章还是在2012年，当时我花了几个星期的时间写了一篇名为《深入分析volatile的实现原理》的文章，准备在自己的博客中发布。后来在同事建法的建议下，我抱着试一试的心态将其投向了InfoQ，并幸运地在半小时后得到文章被InfoQ主编采纳的回复，喜悦之情无以言表。这是我第一次在专业媒体平台上发表文章。而后在InfoQ编辑张龙的不断鼓励和支持下，我陆续在InfoQ发表了几篇与并发编程相关的文章，有了“聊聊并发”专栏。在这个专栏的写作过程中，我得到非常多的帮助并有了快速的成长，在此非常感谢InfoQ的编辑们。2013年，机械工业出版社的福川兄找到我，问我有没有兴趣写一本书。起初我觉得自己资历尚浅，婉言拒绝了，但和福川兄一直保持联系。又经过一段时间的沉淀，我决定把自己多年的并发编程经验分享出来，但并发编程领域的技术点非常多且深，所以我邀请了同事魏鹏和朋友晓明一起参与到本书的写作过程中。

【第2版与第1版的区别】
本书第1版是基于JDK 7的源码来介绍Java并发框架以及线程池原理的。第2版基于JDK 11对第1版的源码进行了更新。在第2版的写作过程中，长期支持版JDK 17正式发布。新JDK拥有更多的特性，所以第2版在第1版的基础上又介绍了自JDK 8起Java并发框架的一些新组件和变化，旨在帮助读者更好地理解和掌握它们。
此外，随着云原生以及微服务架构在生产环境的大量落地，怎样高效和稳健地进行分布式编程成为开发者无法回避的话题。为此，第2版增加了三章（第12～14章）分布式编程相关的内容。虽然有大量的框架可以简化分布式编程，但本书依旧选择回到原点，通过阐述分布式编程的基本原理帮助读者从本质上理解分布式编程的挑战以及在面对不同的分布式场景时如何选择合适的解决方案。

【本书特色】
本书结合JDK的源码介绍了Java并发框架、线程池的实现原理，使读者不仅知其然还知其所以然。本书对原理的剖析并没有局限于Java层面，而是深入JVM甚至CPU层面进行讲解，帮助读者从底层了解并发技术。
此外，本书结合线上应用，给出了一些并发编程实战技巧，以及线上处理并发问题的步骤和思路。

【读者对象】
*Java开发工程师
*架构师
*并发编程爱好者
*开设相关课程的大专院校师生

【如何阅读本书】
阅读本书之前，你必须有一定的Java基础和开发经验，最好还有一定的并发编程基础。如果你是一名并发编程初学者，建议按照顺序阅读本书，并按照书中的例子进行编码和实战。如果你有一定的并发编程经验，可以把本书当作一本手册，直接查看需要学习的章节。

本书共14章，由三位作者共同完成。其中第1章、第5章和第13章由魏鹏编写，第4章和第10章由程晓明编写，第12章由三位作者共同编写，第14章由程晓明和方腾飞编写，其余7章由方腾飞编写。
第1章从介绍多线程技术带来的好处开始，讲述了如何启动和终止线程以及线程的状态，详细阐述了多线程之间进行通信的基本方式和等待/通知的经典范式。
第2章介绍Java并发编程的挑战，说明了进入并发编程的世界可能会遇到哪些问题，以及如何解决。
第3章介绍Java并发机制的底层实现原理，以及在CPU和JVM层面是如何帮助Java实现并发编程的。
第4章深入介绍Java的内存模型。Java线程之间的通信对程序员完全透明，内存可见性问题很容易困扰Java程序员，本章试图揭开Java内存模型的神秘面纱。
第5章介绍Java并发包中与锁相关的API和组件，以及这些API和组件的使用方式与实现细节。
第6章介绍Java中的大部分并发容器，并深入剖析实现原理，让读者领略大师的设计
技巧。
第7章介绍Java中的原子操作类，并给出一些实例。
第8章介绍Java中提供的并发工具类，这是并发编程中的“瑞士军刀”。
第9章介绍Java中的线程池实现原理和使用建议。
第10章介绍Executor框架的整体结构和成员组件。
第11章给出几个并发编程实战案例，并介绍了排查并发编程问题的方法。
第12章介绍分布式编程基础知识，包括分布式编程原则、范式以及常见的分布式协议。
第13章介绍分布式锁，以及如何在分布式环境下进行并发控制，并给出一个支持扩展的分布式锁框架。
第14章介绍常见的分布式系统架构，并结合实际场景探讨了相应的架构方案。

前　言

第1章　Java并发编程基础 1

1.1　线程简介 1

1.1.1　什么是线程 1

1.1.2　为什么要使用多线程 2

1.1.3　线程优先级 3

1.1.4　线程的状态 4

1.1.5　Daemon线程 8

1.2　启动和终止线程 8

1.2.1　构造线程 9

1.2.2　启动线程 9

1.2.3　理解中断 9

1.2.4　过期的suspend()、resume()和

stop() 11

1.2.5　安全地终止线程 12

1.3　线程间通信 13

1.3.1　volatile和synchronized关键字 13

1.3.2　等待/通知机制 15

1.3.3　等待/通知的经典范式 18

1.3.4　管道输入/输出流 19

1.3.5　thread.join()的使用 20

1.3.6　ThreadLocal的使用 22

1.4　线程应用实例 23

1.4.1　等待超时模式 23

1.4.2　一个简单的数据库连接池示例 23

1.4.3　线程池技术及其示例 27

1.4.4　一个基于线程池技术的简单

Web服务器 30

1.5　本章小结 34

第2章　并发编程的挑战 35

2.1　上下文切换 35

2.1.1　多线程一定快吗 35

2.1.2　测试上下文切换次数和时长 37

2.1.3　如何减少上下文切换 37

2.1.4　减少上下文切换实战 38

2.2　死锁 39

2.3　资源限制的挑战 40

2.4　本章小结 41

第3章　Java并发机制的底层实现

原理 42

3.1　volatile的应用 42

3.2　synchronized的实现原理与应用 45

3.2.1　Java对象头 46

3.2.2　锁的升级与对比 47

3.3　原子操作的实现原理 50

3.4　本章小结 54

第4章　Java内存模型 55

4.1　Java内存模型基础 55

4.1.1　并发编程模型的两个关键

问题 55

4.1.2　Java内存模型的抽象结构 56

4.1.3　从源代码到指令序列的重

排序 57

4.1.4　并发编程模型的分类 58

4.1.5　happens-before简介 60

4.2　重排序 61

4.2.1　数据依赖性 62

4.2.2　as-if-serial语义 62

4.2.3　程序顺序规则 63

4.2.4　重排序对多线程的影响 63

4.3　顺序一致性 65

4.3.1　数据竞争与顺序一致性 65

4.3.2　顺序一致性内存模型 66

4.3.3　同步程序的顺序一致性效果 68

4.3.4　未同步程序的执行特性 69

4.4　volatile的内存语义 71

4.4.1　volatile的特性 72

4.4.2　volatile写-读建立的

happens-before关系 73

4.4.3　volatile写-读的内存语义 74

4.4.4　volatile内存语义的实现 76

4.4.5　JSR-133为什么要增强volatile的

内存语义 80

4.5　锁的内存语义 81

4.5.1　锁的释放-获取建立的

happens-before关系 81

4.5.2　锁的释放和获取的内存语义 81

4.5.3　锁内存语义的实现 83

4.5.4　concurrent包的实现 87

4.6　f?inal域的内存语义 89

4.6.1　f?inal域的重排序规则 89

4.6.2　写f?inal域的重排序规则 89

4.6.3　读f?inal域的重排序规则 90

4.6.4　f?inal域为引用类型 92

4.6.5　为什么f?inal引用不能在构造

函数中“逸出” 93

4.6.6　f?inal语义在处理器中的实现 94

4.6.7　JSR-133为什么要增强f?inal的

语义 95

4.7　happens-before 95

4.7.1　JMM的设计 95

4.7.2　happens-before的定义 97

4.7.3　happens-before规则 98

4.8　双重检查锁定与延迟初始化 100

4.8.1　双重检查锁定的由来 100

4.8.2　问题的根源 102

4.8.3　基于volatile的解决方案 104

4.8.4　基于类初始化的解决方案 105

4.9　Java内存模型综述 111

4.9.1　处理器的内存模型 111

4.9.2　各种内存模型之间的关系 112

4.9.3　JMM的内存可见性保证 114

4.9.4　JSR-133对旧内存模型的修补 115

4.10　JDK 9内存顺序模型 115

4.10.1　背景 115

4.10.2　Plain 116

4.10.3　Opaque 116

4.10.4　Release/Acquire 117

4.10.5　volatile 118

4.10.6　总结 118

4.11　本章小结 119

第5章　Java中的锁 120

5.1　Lock接口 120

5.2　队列同步器 122

5.2.1　队列同步器的接口与示例 122

5.2.2　队列同步器的实现分析 125

5.3　重入锁 136

5.4　读写锁 141

5.4.1　读写锁的接口与示例 141

5.4.2　读写锁的实现分析 143

5.5　StampedLock 146

5.5.1　StampedLock的接口与示例 147

5.5.2　StampedLock的实现分析 152

5.6　LockSupport工具 160

5.7　Condition接口 161

5.7.1　Condition的接口与示例 162

5.7.2　Condition的实现分析 164

5.8　本章小结 168

第6章　Java并发容器和框架 169

6.1　ConcurrentHashMap的实现

原理与使用 169

6.1.1　为什么要使用

ConcurrentHashMap 169

6.1.2　ConcurrentHashMap的结构 170

6.1.3　ConcurrentHashMap的

初始化 171

6.1.4　定位Segment 173

6.1.5　ConcurrentHashMap的操作 174

6.1.6　JDK 8中的

ConcurrentHashMap 175

6.2　ConcurrentLinkedQueue 175

6.2.1　ConcurrentLinkedQueue的

结构 176

6.2.2　入队列 176

6.2.3　出队列 179

6.3　Java中的阻塞队列 181

6.3.1　什么是阻塞队列 181

6.3.2　7个阻塞队列 182

6.3.3　阻塞队列的实现原理 186

6.4　Fork/Join框架 189

6.4.1　什么是Fork/Join框架 189

6.4.2　工作窃取算法 190

6.4.3　Fork/Join框架的设计 190

6.4.4　使用Fork/Join框架 191

6.4.5　Fork/Join框架的异常处理 192

6.4.6　Fork/Join框架的实现原理 193

6.5　本章小结 194

第7章　Java中的13个原子操作类 195

7.1　原子更新基本类型 195

7.2　原子更新数组类型 197

7.3　原子更新引用类型 198

7.4　原子更新字段类型 199

7.5　JDK 8中的原子更新新特性 200

7.6　本章小结 201

第8章　Java中的并发工具类 202

8.1　等待多线程完成的

CountDownLatch 202

8.2　同步屏障CyclicBarrier 204

8.2.1　CyclicBarrier简介 204

8.2.2　CyclicBarrier的应用场景 206

8.2.3　CyclicBarrier和

CountDownLatch的区别 208

8.3　控制并发线程数的Semaphore 209

8.4　线程间交换数据的Exchanger 210

8.5　本章小结 211

第9章　Java中的线程池 212

9.1　线程池的实现原理 212

9.2　线程池的使用 215

9.2.1　线程池的创建 215

9.2.2　向线程池提交任务 216

9.2.3　关闭线程池 217

9.2.4　合理地配置线程池 217

9.2.5　线程池的监控 218

9.3　本章小结 219

第10章　Executor框架 220

10.1　Executor框架简介 220

10.1.1　Executor框架的两级调度

模型 220

10.1.2　Executor框架的结构与成员 220

10.2　ThreadPoolExecutor详解 225

10.2.1　FixedThreadPool详解 225

10.2.2　SingleThreadExecutor

详解 226

10.2.3　CachedThreadPool详解 227

10.3　ScheduledThreadPoolExecutor

?详解 229

10.3.1　ScheduledThreadPoolExecutor的

运行机制 229

10.3.2　ScheduledThreadPoolExecutor的

实现 230

10.4　FutureTask详解 233

10.4.1　FutureTask简介 233

10.4.2　FutureTask的使用 235

10.4.3　JDK 6的FutureTask实现 236

10.4.4　JDK 8的FutureTask实现 238

10.5　本章小结 243

第11章　Java并发编程实践 244

11.1　生产者和消费者模式 244

11.1.1　生产者和消费者模式实战 245

11.1.2　多生产者和多消费者场景 247

11.1.3　线程池与生产者和消费者

模式 250

11.2　线上问题定位 250

11.3　性能测试 252

11.4　异步任务池 254

11.5　本章小结 256

第12章　分布式编程基础 257

12.1　分布式CAP原则 257

12.1.1　CAP原则简介 257

12.1.2　CAP原则证明 258

12.1.3　CAP原则思考 260

12.2　分布式事务：两阶段提交 262

12.2.1　分布式事务面临的挑战 262

12.2.2　拜占庭将军问题 263

12.2.3　两阶段提交协议 264

12.2.4　对两阶段提交的思考 265

12.3　分布式事务：TCC 266

12.3.1　TCC的主要优势 267

12.3.2　TCC的使用代价 269

12.3.3　支持TCC的Seata 270

12.3.4　一个基于Seata的参考

示例 273

12.4　分布式协议：RAFT 279

12.4.1　RAFT的运行流程 279

12.4.2　集群中断和恢复 280

12.5　分布式协议：Paxos 282

12.5.1　背景 282

12.5.2　Basic Paxos 285

12.5.3　Multi-Paxos 301

12.6　本章小结 306

第13章　分布式锁 308

13.1　什么是分布式锁 308

13.1.1　分布式锁的定义 308

13.1.2　使用分布式锁的原因 309

13.1.3　分布式锁的分类 309

13.2　实现分布式锁会遇到的问题 310

13.2.1　性能问题 311

13.2.2　正确性问题 313

13.2.3　可用性问题 313

13.2.4　成本问题 315

13.3　分布式锁框架 316

13.3.1　为什么需要分布式锁框架 317

13.3.2　分布式锁框架的组成 317

13.3.3　实现：基于Redis的

分布式锁 321

13.3.4　扩展：分布式锁访问日志 325

13.4　拉模式的分布式锁 327

13.4.1　什么是拉模式 327

13.4.2　拉模式需要注意的问题 329

13.4.3　Redis分布式锁实现 330

13.4.4　Redis分布式锁存在的

问题 333

13.4.5　扩展：本地热点锁 337

13.5　推模式的分布式锁 340

13.5.1　什么是推模式 341

13.5.2　ZooKeeper如何实现推模式的

分布式锁 343

13.5.3　Curator分布式锁 349

13.5.4　ZooKeeper分布式锁实现 351

13.5.5　ZooKeeper分布式锁存在的

问题 351

13.6　再看分布式锁 353

13.6.1　比选择推与拉更重要的

是什么 353

13.6.2　解锁胜于用锁 355

13.7　本章小结 357

第14章　分布式系统架构 358

14.1　分布式场景下的限流架构方案 358

14.1.1　限流算法 358

14.1.2　基于Redis的分布式限流 360

14.1.3　基于Sentinel的分布式

限流 365

14.2　分布式场景下的秒杀架构

方案 366

14.2.1　背景 366

14.2.2　需求分析 366

14.2.3　用例分析 367

14.2.4　秒杀流程图 367

14.2.5　关键设计：库存设计 368

14.2.6　关键设计：秒杀令牌 369

14.3　分布式场景下的高并发架构

方案 369

14.3.1　应对高并发的常用策略 369

14.3.2　减少强依赖 370

14.3.3　多层故障隔离 371

14.3.4　五种架构选型 372

14.3.5　三种缓存设计方案 372

14.4　分布式场景下的资损防控 372

14.4.1　资损的定义 372

14.4.2　如何进行资损防控 373

14.4.3　第一道防线：事前规避 373

14.4.4　第二道防线：事中定位 374

14.4.5　第三道防线：事后应急 375

14.4.6　如何进行资损演练 376

14.5　分布式场景下的稳定性保障 376

14.5.1　什么是稳定性保障 376

14.5.2　明确稳定性保障目标 376

14.5.3　如何进行稳定性保障 377

14.5.4　大促稳定性保障 380

14.6　本章小结 382

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