Java并发编程的艺术

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内容简介

第1章介绍Java并发编程的挑战,会向读者说明可能会遇到哪些问题,以及如何解决。第2章Java并发编程的底层实现原理,从CPU和JVM2个层面剖析。第3章详细深入介绍了Java的内存模型。第4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/通知经典范式。第5章介绍Java并发包中与锁相关的API和组件,以及这些API和组件的使用方式和实现细节。第6章介绍了Java中的大部分并发容器及其实现原理。第7章介绍了Java中的原子操作类,并给出一些实例。第8章介绍了Java中提供的很多并发工具类。第9章介绍了Java中的线程池实现原理和使用建议。第10章介绍了Executor框架的整体结构和成员组件。第11章介绍几个并发编程的实战与并发编程问题排查。

目 录

前言
第1章并发编程的挑战
1.1上下文切换
1.1.1多线程一定快吗
1.1.2测试上下文切换次数和时长
1.1.3如何减少上下文切换
1.1.4减少上下文切换实战
1.2死锁
1.3资源限制的挑战
1.4本章小结


第2章Java并发机制的底层实现原理
2.1volatile的应用
2.2synchronized的实现原理与应用
2.2.1Java对象头
2.2.2锁的升级与对比
2.3原子操作的实现原理
2.4本章小结


第3章Java内存模型
3.1Java内存模型的基础
3.1.1并发编程模型的两个关键问题
3.1.2Java内存模型的抽象结构
3.1.3从源代码到指令序列的重排序
3.1.4并发编程模型的分类
3.1.5happensbefore简介
3.2重排序
3.2.1数据依赖性
3.2.2asifserial语义
3.2.3程序顺序规则
3.2.4重排序对多线程的影响
3.3顺序一致性
3.3.1数据竞争与顺序一致性
3.3.2顺序一致性内存模型
3.3.3同步程序的顺序一致性效果
3.3.4未同步程序的执行特性
3.4volatile的内存语义
3.4.1volatile的特性
3.4.2volatile写读建立的happensbefore关系
3.4.3volatile写读的内存语义
3.4.4volatile内存语义的实现
3.4.5JSR133为什么要增强volatile的内存语义
3.5锁的内存语义
3.5.1锁的释放获取建立的happensbefore关系
3.5.2锁的释放和获取的内存语义
3.5.3锁内存语义的实现
3.5.4concurrent包的实现
3.6final域的内存语义
3.6.1final域的重排序规则
3.6.2写final域的重排序规则
3.6.3读final域的重排序规则
3.6.4final域为引用类型
3.6.5为什么final引用不能从构造函数内"溢出"
3.6.6final语义在处理器中的实现
3.6.7JSR133为什么要增强f?inal的语义
3.7happensbefore
3.7.1JMM的设计
3.7.2happensbefore的定义
3.7.3happensbefore规则
3.8双重检查锁定与延迟初始化
3.8.1双重检查锁定的由来
3.8.2问题的根源
3.8.3基于volatile的解决方案
3.8.4基于类初始化的解决方案
3.9Java内存模型综述
3.9.1处理器的内存模型
3.9.2各种内存模型之间的关系
3.9.3JMM的内存可见性保证
3.9.4JSR133对旧内存模型的修补
3.10本章小结


第4章Java并发编程基础
4.1线程简介
4.1.1什么是线程
4.1.2为什么要使用多线程
4.1.3线程优先级
4.1.4线程的状态
4.1.5Daemon线程
4.2启动和终止线程
4.2.1构造线程
4.2.2启动线程
4.2.3理解中断
4.2.4过期的suspend()、resume()和stop()
4.2.5安全地终止线程
4.3线程间通信
4.3.1volatile和synchronized关键字
4.3.2等待/通知机制
4.3.3等待/通知的经典范式
4.3.4管道输入/输出流
4.3.5Thread.join()的使用
4.3.6ThreadLocal的使用
4.4线程应用实例
4.4.1等待超时模式
4.4.2一个简单的数据库连接池示例
4.4.3线程池技术及其示例
4.4.4一个基于线程池技术的简单Web服务器
4.5本章小结


第5章Java中的锁
5.1Lock接口
5.2队列同步器
5.2.1队列同步器的接口与示例
5.2.2队列同步器的实现分析
5.3重入锁
5.4读写锁
5.4.1读写锁的接口与示例
5.4.2读写锁的实现分析
5.5LockSupport工具
5.6Condition接口
5.6.1Condition接口与示例
5.6.2Condition的实现分析
5.7本章小结


第6章Java并发容器和框架
6.1ConcurrentHashMap的实现原理与使用
6.1.1为什么要使用ConcurrentHashMap
6.1.2ConcurrentHashMap的结构
6.1.3ConcurrentHashMap的初始化
6.1.4定位Segment
6.1.5ConcurrentHashMap的操作
6.2ConcurrentLinkedQueue
6.2.1ConcurrentLinkedQueue的结构
6.2.2入队列
6.2.3出队列
6.3Java中的阻塞队列
6.3.1什么是阻塞队列
6.3.2Java里的阻塞队列
6.3.3阻塞队列的实现原理
6.4Fork/Join框架
6.4.1什么是Fork/Join框架
6.4.2工作窃取算法
6.4.3Fork/Join框架的设计
6.4.4使用Fork/Join框架
6.4.5Fork/Join框架的异常处理
6.4.6Fork/Join框架的实现原理
6.5本章小结


第7章Java中的13个原子操作类
7.1原子更新基本类型类
7.2原子更新数组
7.3原子更新引用类型
7.4原子更新字段类
7.5本章小结


第8章Java中的并发工具类
8.1等待多线程完成的CountDownLatch
8.2同步屏障CyclicBarrier
8.2.1CyclicBarrier简介
8.2.2CyclicBarrier的应用场景
8.2.3CyclicBarrier和CountDownLatch的区别
8.3控制并发线程数的Semaphore
8.4线程间交换数据的Exchanger
8.5本章小结


第9章Java中的线程池
9.1线程池的实现原理
9.2线程池的使用
9.2.1线程池的创建
9.2.2向线程池提交任务
9.2.3关闭线程池
9.2.4合理地配置线程池
9.2.5线程池的监控
9.3本章小结


第10章Executor框架
10.1Executor框架简介
10.1.1Executor框架的两级调度模型
10.1.2Executor框架的结构与成员
10.2ThreadPoolExecutor详解
10.2.1FixedThreadPool详解
10.2.2SingleThreadExecutor详解
10.2.3CachedThreadPool详解
10.3ScheduledThreadPoolExecutor详解
10.3.1ScheduledThreadPoolExecutor的运行机制
10.3.2ScheduledThreadPoolExecutor的实现
10.4FutureTask详解
10.4.1FutureTask简介
10.4.2FutureTask的使用
10.4.3FutureTask的实现
10.5本章小结


第11章Java并发编程实践
11.1生产者和消费者模式
11.1.1生产者消费者模式实战
11.1.2多生产者和多消费者场景
11.1.3线程池与生产消费者模式
11.2线上问题定位
11.3性能测试
11.4异步任务池
11.5本章小结

前 言

Preface?前 言为什么要写这本书记得第一次写并发编程的文章时还是在2012年,当时花了几个星期的时间写了一篇文章《深入分析volatile的实现原理》,准备在自己的博客中发表。在同事建法的建议下,怀着试一试的心态投向了InfoQ,庆幸的是半小时后得到InfoQ主编采纳的回复,高兴之情无以言表。这也是我第一次在专业媒体上发表文章,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,于是便形成了“聊聊并发”专栏。在这个专栏的写作过程中,我得到快速的成长和非常多的帮助,在此非常感谢InfoQ的编辑们。2013年,华章的福川兄找到我,问有没有兴趣写一本书,当时觉得自己资历尚浅,婉言拒绝了。后来和福川兄一直保持联系,最后允许我花两年的时间来完成本书,所以答应了下来。由于并发编程领域的技术点非常多且深,所以陆续又邀请了同事魏鹏和朋友晓明一起参与到本书的编写当中。
  写本书的过程也是对自己研究和掌握的技术点进行整理的过程,希望本书能帮助读者快速掌握并发编程技术。
  本书一共11章,由三名作者共同编写完成,其中第3章和第10章节由程晓明编写,第4章和第5章由魏鹏编写,其他7章由方腾飞编写。
  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,帮助读者做到知其所以然。
  本书对原理的剖析不仅仅局限于Java层面,而是深入到JVM,甚至CPU层面来进行讲解,帮助读者从更底层看并发技术。
  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,可以把本书当做一个手册,直接看需要学习的章节。以下是各章节的基本介绍。
  第1章介绍Java并发编程的挑战,向读者说明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2章介绍Java并发编程的底层实现原理,介绍在CPU和JVM这个层面是如何帮助Java实现并发编程的。
  第3章介绍深入介绍了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4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/通知经典范式。
  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章介绍了Java中的大部分并发容器,并深入剖析其实现原理,让读者领略大师的设计技巧。
  第7章介绍了Java中的原子操作类,并给出一些实例。
  第8章介绍了Java中提供的并发工具类,这是并发编程中的瑞士军刀。
  第9章介绍了Java中的线程池实现原理和使用建议。
  第10章介绍了Executor框架的整体结构和成员组件。
  第11章介绍几个并发编程的实战,以及排查并发编程造成问题的方法。
  勘误和支持由于笔者的水平有限,编写时间仓促,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。为此,特意创建一个在线支持与应急方案的站点。你可以将书中的错误发布在勘误表页面中,同时如果你遇到任何问题,也可以访问Q&A页面,我将尽量在线上为读者提供最满意的解答。书中的全部源文件除可以从华章网站下载外,还可以从并发编程网站下载,我也会将相应的功能更新及时发布出来。如果你有更多的宝贵意见,也欢迎发送邮件至邮箱tengfei@ifeve.com,期待能够得到你的真挚反馈。
  致谢感谢机械工业出版社华章公司的杨福川、高婧雅、孙海亮,在这一年多的时间中始终支持我的写作,你们的鼓励和帮助引导我顺利完成全部书稿。
  感谢方正电子的刘老师,是他带我进入了面向对象的世界。
  感谢我的主管朱老板,他在工作和生活上给予我很多的帮助和支持,还经常激励我完成本书编写。
  最后感谢我的爸妈、岳父母和老婆,感谢你们的支持,并时时刻刻为我灌输信心和力量!
  谨以此书献给我的儿子方熙皓,希望他能健康成长,以及众多热爱并发编程的朋友们,希望你们能快乐工作,认真生活!
  方腾飞

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