【并发控制】：掌握***mon.primitives提升Java并发程序性能的秘诀

# 1. 并发编程与性能优化概述

在现代软件开发领域，随着多核处理器的普及和高性能计算的需求增加，对并发编程的需求变得越来越迫切。本章节将对并发编程及其与性能优化之间的关系进行概述，为读者提供一个全面的理解基础。

## 1.1 并发编程的重要性

并发编程是一种编程范式，它允许多个计算过程同时执行。通过有效利用并发，程序员能够开发出响应更快、吞吐量更高、资源利用率更优的应用程序。然而，随着并发程度的增加，程序的复杂性也随之提升，特别是在保证线程安全和同步控制方面。

## 1.2 并发与性能优化

性能优化通常指通过各种技术手段提高程序运行的效率，而并发编程是实现性能优化的重要手段之一。通过对程序中的关键部分进行并发处理，可以显著减少执行时间，提高系统的吞吐量。然而，不当的并发实现也可能引入资源竞争、死锁等问题，反而降低性能。

## 1.3 本章小结

本章介绍了并发编程的重要性和它在性能优化中的作用。我们将在后续章节中深入探讨Java并发编程的基础知识、并发控制的理论与实践，以及具体的性能优化策略。为了进一步理解这些概念，我们需要具备对Java内存模型、线程安全机制等基础知识的深入了解。

# 2. 深入理解Java并发基础

## 2.1 并发编程的基本概念

### 2.1.1 进程与线程的区别

进程（Process）是操作系统中进行资源分配和调度的一个独立单位，是程序执行的一个实例。每个进程都有自己的地址空间、代码、数据和其他系统资源，如文件句柄、安全属性等。线程（Thread）是进程中的一个实体，是系统进行运算调度的最小单位。线程被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。

在并发编程中，进程和线程的区别具有重要意义：

- **资源分配**：进程拥有独立的地址空间，因此资源分配比线程更加“重量级”。线程共享进程的资源，如内存数据等，使得线程间的通信更简单，但同时也会带来线程安全问题。
- **通信开销**：由于线程共享进程资源，线程间的通信通常比进程间的通信（IPC）开销要小。线程间可以快速地共享变量，而进程间通信往往需要复杂的机制。
- **上下文切换**：线程上下文切换的开销比进程切换的开销小，因为线程共享了大部分资源，不需要切换所有资源。

### 2.1.2 并发与并行的理解

并发（Concurrency）和并行（Parallelism）是多任务处理中经常被提及的两个概念，它们描述了任务执行的不同方式。

- **并发**是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，而不是指同一时刻发生。在并发编程中，多个任务可以同时被启动，但在任意给定时刻，只有一个任务正在运行。操作系统通过上下文切换在任务间进行快速切换，使得每个任务都有机会在CPU上运行。
- **并行**则是指两个或多个事件在同一时刻发生。并行通常要求硬件支持，例如多核处理器，能够在同一时刻处理多个任务。

在现代计算机系统中，并发和并行都是提高系统性能的重要手段。Java的并发编程允许程序员在单核处理器上实现并发，而现代多核处理器可以在物理层面上实现真正的并行。

## 2.2 Java线程的创建与管理

### 2.2.1 使用Thread类

在Java中，线程的创建和管理通常通过继承`Thread`类或实现`Runnable`接口来实现。下面是一个使用`Thread`类创建线程的简单示例：

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 在这里编写线程要执行的代码
        System.out.println("Hello from the thread: " + this.getName());
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyThread mt = new MyThread();
        mt.start(); // 调用start()方法启动线程
    }
}

在上述示例中，我们创建了一个`MyThread`类，继承自`Thread`类，并重写了`run`方法，该方法包含了线程执行的代码。通过调用`start`方法，Java虚拟机（JVM）会为线程分配系统资源，并创建线程执行的上下文，然后调用`run`方法开始执行线程。

需要注意的是，`start`方法是启动线程的关键，它会创建一个新的线程，并在新线程中调用`run`方法。直接调用`run`方法并不会创建新线程，而是作为普通方法在当前线程中执行，这不符合并发编程的需求。

### 2.2.2 实现Runnable接口

另一种创建线程的方法是实现`Runnable`接口，这种方式更加灵活，并且是推荐的做法：

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 在这里编写线程要执行的代码
        System.out.println("Hello from the thread: " + Thread.currentThread().getName());
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(myRunnable);
        thread.start(); // 启动线程
    }
}

在这个示例中，`MyRunnable`类实现了`Runnable`接口。在`main`方法中，我们创建了`MyRunnable`类的实例和`Thread`类的实例，并将`Runnable`实例传递给`Thread`构造器。然后，通过`start`方法启动线程。这种方式允许将`Runnable`对象传递给不同的线程，增加了代码的复用性和灵活性。

无论是继承`Thread`类还是实现`Runnable`接口，都需要明确在哪些情况下使用。继承`Thread`类的方法适用于那些只需要提供线程执行代码的场景，而实现`Runnable`接口适用于可以与别的对象共享数据或需要使用多个线程共享同一个`Runnable`实例的情况。

## 2.3 Java内存模型与线程安全

### 2.3.1 JMM的基础知识

Java内存模型（Java Memory Model, JMM）是Java语言规范的一部分，定义了共享变量的访问规则，以及如何在多线程中同步数据。它规定了不同变量（包括实例字段、静态字段和构成数组对象的元素）的内存访问行为，以及这些变量是如何被线程看到的。

JMM的主要目的是：

- 定义变量的访问规则，确保线程间的数据一致性。
- 提供足够的可见性（visibility），使得在不需要使用同步的情况下，程序员可以预见线程操作的结果。
- 提供足够的原子性（atomicity），使得简单的操作如读取、写入和赋值等是原子操作。

JMM的一个核心概念是**内存屏障**（Memory Barriers）。内存屏障是一组处理器指令，用于实现内存可见性和操作的顺序性，确保特定操作的执行顺序。

### 2.3.2 理解synchronized和volatile

在Java中，确保线程安全的两种常用关键字是`synchronized`和`volatile`。

#### synchronized

`synchronized`关键字提供了一种控制多个线程同时访问共享资源的机制。它保证了同一时刻只有一个线程可以执行`synchronized`块中的代码。以下是两种使用`synchronized`的常见形式：

- **同步方法**：使用`synchronized`修饰符声明方法，它会被同步在调用它的对象上。

public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 在这里编写线程安全的代码
}

- **同步代码块**：在方法或代码块中使用`synchronized`关键字加上括号，并放入想要同步的对象，可以是任意对象，甚至是`this`。

public void someMethod() {
    Object lock = new Object();
    synchronized (lock) {
        // 在这里编写线程安全的代码
    }
}

`synchronized`的关键在于锁，当一个线程进入`synchronized`块时，它会获得锁，其他线程就会阻塞，直到锁被释放。

#### volatile

`volatile`关键字是另一种保证线程安全的方式，它提供了变量的可见性。当一个变量被声明为`volatile`时，任何线程对该变量的修改都会立即反映到其他线程中。这意味着对于`volatile`变量的读取总是能获取到最新的值。

private volatile boolean flag = false;

public void setFlag(boolean flag) {
    this.flag = flag;
}

在上述代码中，无论何时，当`flag`变量被更改时，其他线程都会立即看到这个改变，这使得`flag`可以作为一种轻量级的同步机制，用于简单的状态标志。

`synchronized`和`volatile`可以配合使用，以达到更精确的同步和可见性要求。`synchronized`可以保证线程安全地访问共享资源，而`volatile`则确保了变量的及时更新。

在深入理解了Java并发编程的基础概念后，下一步是探索并发控制的理论与实践，包括锁的分类、死锁的避免策略以及并发集合与同步工具的使用，这些是提高并发应用程序性能和稳定性的关键因素。

# 3. 并发控制的理论与实践

## 3.1 锁的分类与特性

### 排他锁与共享锁

在并发编程中，锁的机制用于控制对共享资源的访问，确保在多线程环境下的数据一致性。排他锁（也称为互斥锁）和共享锁是最基本的锁类型，它们具有不同的特性与应用场景。

排他锁（Exclusive Locks，X锁）：确保一个线程独占某个资源，在锁的持有期间，其他任何线程都无法访问该资源。在Java中，synchronized关键字和ReentrantLock类实现的都是排他锁的机制。排他锁适用于那些一次只能由一个线程修改的资源。

共享锁（Shared Locks，S锁）：允许多个线程同时读取共享资源，但不允许写入。这种锁的典型用途是在读多写少的场景中提高并发读取的性能。在Ja