Java高并发编程详解:多线程与架构设计

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编辑推荐

m 立足于线程源码剖析,从基础入手,逐层渐进深入,环环紧扣,针对技术细节进行了细致归纳,在解读源码的时候又引入了优秀的架构设计。 m 以业务场景下的真实问题作为导向,详细阐述每一个解决方案的来龙去脉,突出“身临其境”的阅读效果。 m 将大量的实际案例、原理剖析和实战代码相结合,让读者能够更加清晰深入地理解每一个技术细节的用法和实用技巧。 m 结合业界公认的好的设计架构技巧模式解决实际开发中遇到的问题,站在程序架构设计的角度指导读者设计高效灵活的多线程应用程序。

内容简介

本书主要包含四个部分:

*部分主要阐述Thread的基础知识,详细介绍线程的API使用、线程安全、线程间数据通信,以及如何保护共享资源等内容,它是深入学习多线程内容的基础。

第二部分引入了ClassLoader,这是因为ClassLoader与线程不无关系,我们可以通过synchronized关键字,或者Lock等显式锁的方式在代码的编写阶段对共享资源进行数据一致性保护,那么一个Class在完成初始化的整个过程到*后在方法区(JDK8 以后在元数据空间)其数据结构是怎样确保数据一致性的呢?这就需要对ClassLoader有一个比较全面的认识和了解。

第三部分详细、深入地介绍volatile关键字的语义,volatile关键字在Java中非常重要,可以说它奠定了Java核心并发包的高效运行,在这一部分中,我们通过实例展示了如何使用volatile关键字以及非常详细地介绍了Java内存模型等知识。

本书的第四部分,站在程序架构设计的角度深入讲解了如何设计高效灵活的多线程应用程序,这一部分长达15个章节,其重要程度可见一斑。

 

作者简介

汪文君 汇丰软件(广东)研发中心数据服务中心技术经理、技术专家,目前专注于实时数据data pipeline平台的构建与架构,在加入汇丰软件以前,曾有5年多的移动通讯工作经验,以及移动互联网、云计算和B2C电子商务平台的开发架构经验,热衷于技术分享、技术细节锤炼。目前已录制10余套技术视频,在互联网上广泛传播。

目 录

第一部分:多线程基础       20

第1章:快速认识线程       22

1.1 线程的介绍    22

1.2 快速创建并启动一个线程    22

1.2.1 尝试并行运行     23

1.2.2 并发运行交替输出     24

1.2.3 使用Jconsole观察线程      25

1.3 线程的生命周期详解    26

1.3.1 线程的NEW状态      27

1.3.2 线程的RUNNABLE状态  28

1.3.3 线程的 RUNNING状态    28

1.3.4 线程的BLOCKED状态     29

1.3.5 线程的TERMINATED状态      29

1.4 线程的start方法剖析--模板设计模式在Thread中的应用 30

1.4.1 Thread start方法源码分析以及注意事项  30

1.4.2 模板设计模式在Thread中的应用    33

1.4.3 Thread模拟营业大厅叫号机程序      34

1.5 Runnable接口的引入以及策略模式在Thread中的使用    39

1.5.1 Runnable的职责  39

1.5.2 策略模式在Thread中的应用    40

1.5.3 模拟营业大厅叫号机程序  42

1.6 本章总结 43

第2章:深入理解Thread构造函数   45

2.1 线程的命名    45

2.1.1 线程的默认命名  45

2.1.2 命名线程     46

2.1.3 修改线程的名字  47

2.2 线程的父子关系    48

2.3 Thread与ThreadGroup   48

2.4 Thread与Runnable  50

2.5 Thread与JVM虚拟机栈       50

2.5.1 Thread与Stacksize      51

2.5.2 JVM内存结构     53

2.5.3 Thread与虚拟机栈      58

2.6 守护线程 62

2.6.1 什么是守护线程  62

2.6.2 守护线程的作用  64

2.7 本章总结 64

第3章:Thread API的详细介绍 66

3.1 线程sleep       66

3.1.1 sleep方法介绍     66

3.1.2 使用TimeUnit替代Thread.sleep       67

3.2 线程yield       68

3.2.1 yield方法介绍     68

3.2.2 yield vs sleep 69

3.3 设置线程的优先级 69

3.3.1 线程优先级介绍  70

3.3.2 线程优先级源码分析  71

3.3.3 关于优先级的一些总结     72

3.4 获取线程ID   73

3.5 获取当前线程 73

3.6 设置线程上下文类加载器    74

3.7 线程interrupt  75

3.7.1 interrupt 75

3.7.2 isInterrupted  77

3.7.3 interrupted    79

3.7.4 interrupt注意事项       81

3.8 线程join  82

3.8.1 线程join方法详解     83

3.8.2 join方法结合实战       85

3.9 如何关闭一个线程 90

3.9.1 正常关闭     90

3.9.2 异常退出     94

3.9.3 进程假死     94

3.10 本章总结      95

第4章:线程安全与数据同步    97

4.1 数据同步 97

4.1.1 数据不一致问题的引入     97

4.1.2 数据不一致问题原因分析  99

4.2 初识 synchronized关键字    101

4.2.1 什么是synchronized   102

4.2.2 synchronized关键字的用法 103

4.3 深入synchronized关键字     105

4.3.1 线程堆栈分析     105

4.3.2 JVM指令分析     108

4.3.3 使用synchronized需要注意的问题   112

4.4 This Monitor和Class Monitor的详细介绍   114

4.4.1 this monitor   114

4.4.2 class monitor 117

4.5 程序死锁的原因以及如何诊断    120

4.5.1 程序死锁     120

4.5.2 程序死锁举例     121

4.5.3 死锁诊断     124

4.6 本章总结 126

第5章:线程间通信    127

5.1 同步阻塞与异步非阻塞 127

5.1.1 同步阻塞消息处理     127

5.1.2 异步非阻塞消息处理  128

5.2 单线程间通信 129

5.2.1 初识wait和notify      129

5.2.2 wait和notify方法详解       133

5.2.3 wait和notify注意事项       135

5.2.4 wait vs sleep  137

5.3 多线程间通信 137

5.3.1 生产者消费者     137

5.3.2 线程休息室wait set    140

5.4 自定义显式锁BooleanLock   141

5.4.1 synchronized关键字的缺陷 142

5.4.2 显式锁BooleanLock   143

5.5 本章总结 153

第6章:ThreadGroup详细讲解  155

6.1 ThreadGroup与Thread   155

6.2 创建Thread Group 155

6.3 拷贝Thread数组和ThreadGroup数组 157

6.3.1 拷贝Thread数组 157

6.3.2 拷贝ThreadGroup数组      159

6.4 ThreadGroup操作   160

6.4.1 ThreadGroup的基本操作    161

6.4.2 ThreadGroup的interrupt     164

6.4.3 ThreadGroup的destroy       166

6.4.4 守护ThreadGroup       168

6.5 本章总结 169

第7章:Hook线程以及捕获线程执行异常      170

7.1 获取线程运行时异常    170

7.1.1 UncaughtExceptionHandler介绍 170

7.1.2 UncaughtExceptionHandler实例 171

7.1.3 UncaughtExceptionHandler源码分析 173

7.2 注入钩子线程(Hook)       175

7.2.1 Hook线程介绍    175

7.2.2 Hook线程实战    177

7.2.3 Hook线程应用场景以及注意事项    179

7.3 本章总结 179

第8章:线程池原理以及自定义线程池    180

8.1 线程池原理    180

8.2 线程池实现    181

8.2.1 线程池接口定义  182

8.2.2 线程池详细实现  188

8.3 线程池应用    198

8.4 本章总结 202

第二部分:Java ClassLoader       204

第9章 类的加载过程  205

9.1 类的加载过程介绍 205

9.2 类的主动使用和被动使用    206

9.3 类加载过程详解    209

9.3.1 类的加载阶段     210

9.3.2 类的连接阶段     212

9.3.3 类的初始化阶段  219

9.4 本章总结 221

第10章 JVM类加载器       224

10.1 JVM内置三大类加载器      224

10.1.1 根类加载器介绍       225

10.1.2 扩展类加载器介绍   226

10.1.3 系统类加载器介绍   227

10.2 自定义类加载器   227

10.2.1 自定义类加载器,问候世界   228

10.2.2 双亲委托机制详细介绍   233

10.2.3 破坏双亲委托机制   236

10.2.4 类加载器命名空间,运行时包,类的卸载等       239

10.3 本章总结      246

第11章 线程上下文类加载器    249

11.1 为什么需要线程上下文类加载器      249

11.2 数据库驱动的初始化源码分析   250

第三部分 深入理解volatile关键字    254

第12章 volatile关键字的介绍   255

12.1 初识volatile关键字     255

12.2 机器硬件CPU      257

12.3 Java 内存模型      262

第13章 深入volatile关键字      265

13.1 并发编程的三个重要特性   265

13.1.1 原子性       265

13.1.2 可见性       266

13.1.3 有序性       266

13.2 JMM如何保证三大特性      268

13.2.1 JMM与原子性   269

13.2.2 JMM与可见性   271

13.2.3 JMM与有序性   272

13.3 volatile关键字深入解析      273

13.3.1 volatile关键字的语义       274

13.3.2 volatile的原理和实现机制       277

13.3.3 volatile的使用场景   278

13.3.4 volatile vs synchronized     280

第15章 7种单例设计模式的设计     282

14.1 饿汉式   282

14.2 懒汉式   283

14.3 懒汉式 同步方法 284

14.4 Double-Check 285

14.5 Volatile Double-Check  288

14.6 Holder方式   288

14.7枚举方式       289

14.8本章总结       291

第四部分 多线程设计架构模式  292

第15章 监控任务的生命周期    296

15.1 场景描述      296

15.2 当观察者模式遇到Thread   296

15.2.1 接口定义   296

15.2.2 ObservableThread实现      300

15.3 测试及技巧总结   303

15.3.1 测试运行   303

15.3.2 关键点总结       304

第16章 Single Thread Execution设计模式       305

16.1 机场过安检   305

16.1.1 非线程安全       305

16.1.2 问题分析   308

16.1.3 线程安全   310

16.2 吃面问题      311

16.2.1 吃面引起的死锁       312

16.2.2 解决吃面引起的死锁问题       314

16.2.3 哲学家吃面       316

16.3 本章总结      317

第17章 读写锁分离设计模式    318

17.1 场景描述      318

17.2 读写分离程序设计      318

17.2.1 接口定义   318

17.2.2 程序实现   321

17.3 读写锁的使用      328

17.4 关于更多读写锁的话题      332

第18章 不可变对象设计模式    334

18.1 线程安全性   334

18.2 不可变对象的设计      334

18.2.1 非线程安全的累加器       335

18.2.2 方法同步增加线程安全性       338

18.2.3 不可变的累加器对象设计       339

18.3 技巧总结      341

第19章 Future设计模式    342

19.1 先给你一张凭据   342

19.2 Future设计模式实现    342

19.2.1 接口定义   343

19.2.2 程序实现   344

19.3 Future的使用以及技巧总结       347

19.4 增强FutureService使其支持回调      349

19.5 本章总结      351

第20章 Guarded Suspension 设计模式     352

20.1 什么是Guarded Suspension设计模式       352

20.2 Guarded Suspension示例     352

第21章 线程上下文设计模式    355

21.1 什么是上下文      355

21.2 线程上下文设计   356

21.3 ThreadLocal详解   358

21.3.1 ThreadLocal的使用场景及注意事项       358

21.3.2 ThreadLocal的方法详解及源码分析       359

21.3.3 ThreadLocal的内存泄漏问题分析   365

21.4 使用ThreadLocal设计线程上下文     370

第22章 Balking设计模式   373

22.1 什么是Balking设计    373

22.2 Balking模式之文档编辑      374

22.2.1 Document    374

22.2.2 AutoSaveThread  377

22.2.3 DocumentEditThread  378

22.3 本章总结      380

第23章 Latch设计模式      381

23.1 什么是Latch 381

23.2 CountDownLatch程序实现  382

23.2.1 无限等待的Latch     382

23.2.2 有超时设置的Latch  387

23.3 Latch设计模式总结     389

第24章 Thread-Per-Message设计模式      392

24.1 什么是Thread-Per-Message 392

24.2 每个任务一个线程      392

24.3 多用户的网络聊天      395

24.3.1 服务端程序       396

24.3.2 响应客户端连接的Handler     397

24.3.3 聊天程序测试   400

24.4 本章总结      400

第25章 Two Phase Termination设计模式  401

25.1 什么是Two Phase Termination    401

25.2 Two Phase Termination示例 402

25.2.1 线程停止的Two Phase Termination 402

25.2.2 进程关闭的Two Phase Termination 404

25.3 知识扩展      404

25.3.1 Strong Reference(强引用)及LRUCache      405

25.3.2 Soft Reference(软引用)及SoftLRUCache   410

25.3.3 Weak Reference(弱引用)      413

25.3.4 Phantom Reference(幻影引用)     415

25.4 本章总结      418

第26章 Worker-Thread设计模式      419

26.1 什么是Worker-Thread模式 419

26.2 Worker-Thread模式实现      419

26.2.1 产品及组装说明书   420

26.2.2 流水线传送带   421

26.2.3 流水线工人       423

26.3 Worker-Thread模式测试与总结  425

26.3.1 产品流水线测试       425

26.3.2 Worker-Thread vs Producer-Consumer     426

第27章 Active Objects设计模式       428

27.1 接受异步消息的主动对象   428

27.2 标准Active Objects模式设计     428

27.2.1 OrderService接口设计      430

27.2.2 OrderServiceImpl 详解     431

27.2.3 OrderServiceProxy详解    432

27.2.4 MethodMessage   434

27.2.5 ActiveMessageQueue  437

27.2.6 OrderServiceFactory及测试     439

27.3 通用Active Objects框架设计     441

27.3.1 ActiveMessage详解    442

27.3.2 @ActiveMethod  445

27.3.3 ActiveServiceFactory详解 446

27.3.4 ActiveMessageQueue及其它     449

27.4 Active Objects总结       451

第28章 Event Bus(消息总线)设计模式       452

28.1 Event Bus设计      452

28.1.1 Bus接口详解     453

28.1.2 同步EventBus详解  455

28.1.3 异步EventBus详解  458

28.1.4 Subscriber注册表Registry详解       459

28.1.5 Event广播Dispatcher详解       462

28.1.6其它类接口设计 466

28.1.7 Event Bus测试   468

28.2 Event Bus实战--监控目录变化   470

28.2.1 WatchService遇到EventBus     471

28.2.2 FileChangeEvent 473

28.2.3 监控目录变化   473

28.3 EventBus总结       475

第29章 Event Driven(事件驱动) 设计模式     476

29.1 Event-Driven Architecture基础    476

29.1.1 Events  476

29.1.2 Event Handlers   477

29.1.3 Event Loop  478

29.2 开发一个Event-Driven 框架     480

29.2.1 同步EDA框架设计  480

29.2.2 异步EDA框架设计  487

29.3 Event-Driven的使用    492

29.3.1 Chat Event  492

29.3.2 Chat Channel(Handler)      494

29.3.3 Chat User线程   495

29.4 本章总结      498

前 言

为什么写这本书

从大学毕业到现在已有11年的时间,在这11年中,我一直保持着一个习惯,将工作中用到的技术梳理成系统性的文档。在项目的开发过程中,由于时间的紧迫性,我们对某个技术领域知识的掌握往往都是比较碎片化的,系统化地串联知识碎片,不仅能加深对该技术的掌握,还能方便日后快速查阅,帮助记忆。截至目前,我已经在互联网上发布了大约12本电子书,主要是围绕着项目构建工具、Java开发的相关技术、NoSQL、J2EE等内容展开的。

2017年年初,很多人看过我写的《Java 8 之Stream》电子书之后,给我发邮件,希望我写一本能够涵盖Java 8 所有新特性的电子书。最开始一两个人这样提议的时候,我并没有在意,后来越来越多的朋友都有类似的需求,由于写电子书需要花费很长的时间,于是我尝试着将Java 8 新特性录制成视频教程,大概花了一个月的业余时间我录制了40集《汪文君Java8实战视频》,视频一经推出收获了非常多的好评,所幸大家都比较喜欢我的授课风格,在过去的2017年,我一口气录制了11套视频教程,超过400集(每集都在30分钟左右),当然也包括本书Java高并发相关的内容。

在我的计划中,关于Java高并发的内容将会发布4套视频教程,分别是:第一阶段(Java多线程基础),第二阶段(Java内存模型,高并发设计模式),第三阶段(Java并发包JUC),第四阶段(Java并发包源码剖析AQS)。其中三个阶段都已经发布了,在今日头条《心蓝说Java》中累计播放时长超过20万分钟,百度云盘下载量也是超过了30万余次。由于内容太多,本书只涵盖了前两个阶段的内容,经过了数以万计读者对视频教程问题的指正,本书的写作相对比较顺利,本书内容不仅修复了视频讲解中无法修复的缺陷,而且还加入了我对Java高并发更深一层的领悟和体会

本书是我第一本正式出版的书稿,关于本书的写作可以说是一次偶然的机缘巧合,在2017年9月初,机械工业出版社华章图书公司的策划编辑Lisa找到了我,她觉得我的视频内容比较系统,非常适合以书稿的形式发表,我们简单交流之后就快速敲定了本书内容的主体结构,围绕着高并发视频教程的前两个阶段展开,在今年我也会努力将高并发后两个阶段的内容编著成书,使之尽快与读者见面。

读者对象

l  计算机相关专业的在校学生。

l  从事Java语言的开发者。

l  从事Java系统架构的架构师。

l  使用Java作为开发语言的公司与集体。

l  开设Java课程的专业院校。

l  开设Java课程的培训机构。

如何阅读本书

本书主要分为四个大的主题部分,其中,第一部分主要阐述Thread的基础知识,详细介绍线程的API使用、线程安全、线程间数据通信以及如何保护共享资源等内容,它是深入学习多线程内容的基础。

在第二部分中之所以引入ClassLoader,是因为ClassLoader与线程不无关系,我们可以通过synchronized关键字,或者Lock等显式锁的方式在代码的编写阶段对共享资源进行数据一致性保护,那么一个Class在完成初始化的整个过程到最后在方法区(JDK8 以后在元数据空间)其数据结构是怎样确保数据一致性的呢?这就需要对ClassLoader有一个比较全面的认识和了解。

在本书的第三部分中,我们花费了三个章节的内容来详细、深入地介绍volatile关键字的语义,volatile关键字在Java中非常重要,可以说它奠定了Java核心并发包的高效运行,在这一部分中,我们通过实例展示了如何使用volatile关键字以及非常详细地介绍了Java内存模型等知识。

本书的最后一部分也就是第四部分,站在程序架构设计的角度讲解如何设计高效灵活的多线程应用程序,第四部分应该是内容最多的一部分,总共包含了十五个章节。

勘误和支持

由于作者的水平有限,编写的时间也很仓促,书中难免会出现一些错误或者不准确的地方,恳请读者批评指正。如果在阅读的过程中发现任何问题都欢迎将您宝贵的意见发送到我的个人邮箱532500648@qq.com,我会专门在我的今日头条 《心蓝说Java》开设专栏,用于修复书中出现错误和不妥的地方,我真挚地期待着您的建议和反馈。

致谢

首先要感谢我的父亲,在我很小的时候,他就教育我做任何事情都要脚踏实地,一步一个脚印,做人不能浮躁,任何事情都不是一蹴而就的,这也致使我在遇到发展瓶颈的时候总能够耐得住性子寻求突破。

在本书最后一部分编写的过程中,我的妻子经历了十月怀胎为我生下了一对龙凤胎汪子敬、汪子兮兄妹,他俩的到来让我感觉到了初为人父的激动与喜悦,更加体会到了为人父母的不容易,感谢我的妻子,多谢你的支持和理解,本书的出版应该有一半你的功劳。

我还要感谢在我一路成长过程中带给我很多帮助的同事及朋友——徐景辉、Andrew Davidson、Bonson、Winne、Wilson、龙含等,在本书还是草稿阶段的时候,你们就给了我很多建设性的意见和建议。

当然也不能忘了感谢本书的策划编辑Lisa老师,是你直接促成了本书的诞生,在过去的半年多里,你反复不断地帮我审稿,修改错别字,调整不通顺的语句,你的专业水准和敬业精神帮助和鼓舞着本书能够最终顺利完稿。

最后一定要感谢我所在的研发团队——GBDS的Jack、Eachur、Jenny、Sebastian、Yuki、Kiki、Dillon、Gavin、Wendy、Josson、Echo、Ivy、Lik、Leo、Allen、Adrian、Kevin、Ken、Terrence,以及VADM的Jeffrey、Robert、Amy、Randy等,多谢你们在工作中对我的帮助。

 

谨以此书,献给我最亲爱的家人,以及众多热爱Java开发的朋友们。

汪文君(Alex Wang)

中国,广州,2018年3月

媒体评论

汪文君老师一直是我敬佩和学习的楷模。十年之前,我在公司认识了新来的长发少年汪文君同学,至今依然记得文君他对人热情,对于工作、生活中接触的各种事物都充满了好奇心,总是在热情高涨地学习新技术,他每天晚上都会拿出时间学习,很多节假日也都抽出专门的时间来学习和编程。本书围绕Java编程中多线程编程的基础与应用设计分为四个部分来展开讲解,包括多线程技术知识、Java ClassLoader、深入理解volatile关键字、多线程设计架构模式。通过这本书的学习,我们能够更全面地拓展自己的编程能力,更进一步地充实编程设计和架构设计的系统性思维。

——东软集团移动互联网事业部首席技术官  徐景辉

 

汪文君是我们软件开发团队里特别有朝气的一员,平时不管是工作还是业余时间,其都会对软件开发遇到的难题、专题进行不折不挠的攻关研究,他是团队所有人心目中的技术大牛。我作为部门主管,从三个月前得知他开始写这本书时,就特别期待,之前他利用业余时间录制网上视频供大家学习与交流,现在他把这些知识再加以整理出版成书,相信他的所作所为能让许多人受益。

——Head of Data Engineering at HSBC  Winne Chen

 

我与汪文君共事过几年,我们负责的是全球性交易系统,对系统性能的要求极高。他是团队里的技术骨干,在我们共事的日子里,汪文君解决了很多技术难题,更难能可贵的是,汪文君在设计阶段就敏捷地洞察到系统可能会出现的瓶颈并且提供解决方案,而且每一个点子,每一个难题的解决之道,他都极富激情地分享给团队的所有成员。得知他要写本Java多线程的书,有幸试读了其中一些章节,感觉特别棒,他能将每一个Java多线程相关的话题都讲解得很有深度。在整本书的构想方面,各个章节的内聚性都很强,章节与章节之间又是层层推进的关系,再加以精准的图示辅助理解,让读者阅读起来感觉非常舒服。本书中所讲解的都是一个个的实战运用,对提升Java内功必然大有裨益。

——Development manager at HSBC Global Banking and Markets  Bonson zheng

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