Java并发实现原理：JDK源码剖析

本书全面而系统地剖析了Java Concurrent包中的每一个部分，对并发的实现原理进行了深入的探讨。全书分为8章，第1章从基础的多线程知识讲起，厘清多线程中容易误解的知识点，探究背后的原理，包括内存重排序、happen-before、内存屏障等；第2～8章，从简单到复杂，逐个剖析Concurrent包的每个部分，包括原子类、锁、同步工具类、并发容器、线程池、ForkJoinPool和CompletableFuture。

本书适合有一定Java开发经验的工程师、架构师阅读。通过阅读本书，读者可以对多线程编程形成一个“深刻而直观”的认识，而不是仅仅停留在概念和理论层面。

余春龙

中科院软件所计算机硕士毕业。热衷于高并发高可用架构、业务建模、领域驱动设计，在十年的工作中，经历过游戏、社交、广告、电商等各种类型的项目，积累了较丰富的工程经验。

适读人群 ：有一定Java开发经验的工程师、架构师

本书全面系统地讲解了Java并发实现原理，从基础的多线程知识讲起，全面介绍了Concurrent包的每个部分，详细分析多线程背后的原理，同时从源码角度进行了剖析，为不可多得的一本好书。

前言

并发编程可选择的方式有多进程、多线程和多协程。作者在另一本书《软件架构设计：大型网站技术架构与业务架构融合之道》中，曾对这三种方式进行了详细的比较。对于Java来说，它既不像C++那样，在运行中调用Linux的系统API去“fork”出多个进程；也不像Go那样，在语言层面原生提供多协程。在Java中，并发就是多线程模式。

对于人脑的认知来说，“代码一行行串行”当然最容易理解。但在多线程下，多个线程的代码交叉并行，要访问互斥资源，要互相通信。作为开发者，需要仔细设计线程之间的互斥与同步，稍不留心，就会写出非线程安全的代码。正因此，多线程编程一直是一个被广泛而深入讨论的领域。

在JDK 1.5发布之前，Java只在语言级别上提供一些简单的线程互斥与同步机制，也就是synchronized关键字、wait与notify。如果遇到复杂的多线程编程场景，就需要开发者基于这些简单的机制解决复杂的线程同步问题。而从JDK 1.5开始，并发编程大师Doug Lea奉上了一个系统而全面的并发编程框架——JDK Concurrent包，里面包含了各种原子操作、线程安全的容器、线程池和异步编程等内容。

本书基于JDK 7和JDK 8，对整个Concurrent包进行全面的源码剖析。JDK 8中大部分并发功能的实现和JDK 7一样，但新增了一些额外特性。例如CompletableFuture、ConcurrentHashMap的新实现、StampedLock、LongAdder等。

对整个Concurrent包的源码进行分析，有以下几个目的：

（1）帮助使用者合理地选择解决方案。Concurrent包很庞大，有各式各样的线程互斥与同步机制。明白实现原理，使用者可以根据自己的业务场景，选择最适合自己的解决方案。避免重复造轮子，也避免因为使用不当而掉到“坑”里。

（2）对源码的分析，将让使用者对内存屏障、CAS原子操作、锁、无锁等底层原理的认识，不再停留于一个“似是而非”的阶段，而是深刻地认识其本质。

（3）吸收借鉴大师的思维。在Concurrent包中，可以看到各种巧妙的并发处理策略。看了Concurrent包，才会发现在多线程中，不是只有简陋的互斥锁、通知机制和线程池。

本书将从多线程基础知识讲起，逐步地深入整个Concurrent包。读完本书，你将对多线程的原理、各种并发的设计原理有一个全面而深刻的理解。

限于时间和水平，书中难免有不足之处，望广大读者批评指正。

作 者

第1章 多线程基础

1.1 线程的优雅关闭

1.1.1 stop与destory函数

1.1.2 守护线程

1.1.3 设置关闭的标志位

1.2 InterruptedException与interrupt()函数

1.2.1 什么情况下会抛出Interrupted异常

1.2.2 轻量级阻塞与重量级阻塞

1.2.3 t.isInterrupted()与Thread.interrupted()的区别

1.3 synchronized关键字

1.3.1 锁的对象是什么

1.3.2 锁的本质是什么

1.3.3 synchronized实现原理

1.4 wait与notify

1.4.1 生产者?消费者模型

1.4.2 为什么必须和synchronized一起使用

1.4.3 为什么wait()的时候必须释放锁

1.4.4 wait()与notify()的问题

1.5 volatile关键字

1.5.1 64位写入的原子性（Half Write）

1.5.2 内存可见性

1.5.3 重排序：DCL问题

1.6 JMM与happen-before

1.6.1 为什么会存在“内存可见性”问题

1.6.2 重排序与内存可见性的关系

1.6.3 as-if-serial语义

1.6.4 happen-before是什么

1.6.5 happen-before的传递性

1.6.6 C++中的volatile关键字

1.6.7 JSR-133对volatile语义的增强

1.7 内存屏障

1.7.1 Linux中的内存屏障

1.7.2 JDK中的内存屏障

1.7.3 volatile实现原理

1.8 final关键字

1.8.1 构造函数溢出问题

1.8.2 final的happen-before语义

1.8.3 happen-before规则总结

1.9 综合应用：无锁编程

1.9.1 一写一读的无锁队列：内存屏障

1.9.2 一写多读的无锁队列：volatile关键字

1.9.3 多写多读的无锁队列：CAS

1.9.4 无锁栈

1.9.5 无锁链表

第2章 Atomic类

2.1 AtomicInteger和AtomicLong

2.1.1 悲观锁与乐观锁

2.1.2 Unsafe 的CAS详解

2.1.3 自旋与阻塞

2.2 AtomicBoolean和AtomicReference

2.2.1 为什么需要AtomicBoolean

2.2.2 如何支持boolean和double类型

2.3 AtomicStampedReference和AtomicMarkable Reference

2.3.1 ABA问题与解决办法

2.3.2 为什么没有AtomicStampedInteger或AtomictStampedLong

2.3.3 AtomicMarkableReference

2.4 AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater和AtomicReferenceField Updater

2.4.1 为什么需要AtomicXXXFieldUpdater

2.4.2 限制条件

2.5 AtomicIntegerArray、AtomicLongArray和AtomicReferenceArray

2.5.1 使用方式

2.5.2 实现原理

2.6 Striped64与LongAdder

2.6.1 LongAdder原理

2.6.2 最终一致性

2.6.3 伪共享与缓存行填充

2.6.4 LongAdder核心实现

2.6.5 LongAccumulator

2.6.6 DoubleAdder与DoubleAccumulator

第3章 Lock与Condition

3.1 互斥锁

3.1.1 锁的可重入性

3.1.2 类继承层次

3.1.3 锁的公平性vs.非公平性

3.1.4 锁实现的基本原理

3.1.5 公平与非公平的lock()实现差异

3.1.6 阻塞队列与唤醒机制

3.1.7 unlock()实现分析

3.1.8 lockInterruptibly()实现分析

3.1.9 tryLock()实现分析

3.2 读写锁

3.2.1 类继承层次

3.2.2 读写锁实现的基本原理

3.2.3 AQS的两对模板方法

3.2.4 WriteLock公平vs.非公平实现

3.2.5 ReadLock公平vs.非公平实现

3.3 Condition

3.3.1 Condition与Lock的关系

3.3.2 Condition的使用场景

3.3.3 Condition实现原理

3.3.4 await()实现分析

3.3.5 awaitUninterruptibly()实现分析

3.3.6 notify()实现分析

3.4 StampedLock

3.4.1 为什么引入StampedLock

3.4.2 使用场景

3.4.3 “乐观读”的实现原理

3.4.4 悲观读/写：“阻塞”与“自旋”策略实现差异

第4章 同步工具类

4.1 Semaphore

4.2 CountDownLatch

4.2.1 CountDownLatch使用场景

4.2.2 await()实现分析

4.2.3 countDown()实现分析

4.3 CyclicBarrier

4.3.1 CyclicBarrier使用场景

4.3.2 CyclicBarrier实现原理

4.4 Exchanger

4.4.1 Exchanger使用场景

4.4.2 Exchanger 实现原理

4.4.3 exchange(V x)实现分析

4.5 Phaser

4.5.1 用Phaser替代CyclicBarrier和CountDownLatch

4.5.2 Phaser新特性

4.5.3 state变量解析

4.5.4 阻塞与唤醒（Treiber Stack）

4.5.5 arrive()函数分析

4.5.6 awaitAdvance()函数分析

第5章 并发容器

5.1 BlockingQueue

5.1.1 ArrayBlockingQueue

5.1.2 LinkedBlockingQueue

5.1.3 PriorityBlockingQueue

5.1.4 DelayQueue

5.1.5 SynchronousQueue

5.2 BlockingDeque

5.3 CopyOnWrite

5.3.1 CopyOnWriteArrayList

5.3.2 CopyOnWriteArraySet

5.4 ConcurrentLinkedQueue/ Deque

5.5 ConcurrentHashMap

5.5.1 JDK 7中的实现方式

5.5.2 JDK 8中的实现方式

5.6 ConcurrentSkipListMap/Set

5.6.1 ConcurrentSkipListMap

5.6.2 ConcurrentSkipListSet

第6章 线程池与Future

6.1 线程池的实现原理

6.2 线程池的类继承体系

6.3 ThreadPoolExecutor

6.3.1 核心数据结构

6.3.2 核心配置参数解释

6.3.3 线程池的优雅关闭

6.3.4 任务的提交过程分析

6.3.5 任务的执行过程分析

6.3.6 线程池的4种拒绝策略

6.4 Callable与Future

6.5 ScheduledThreadPool Executor

6.5.1 延迟执行和周期性执行的原理

6.5.2 延迟执行

6.5.3 周期性执行

6.6 Executors工具类

第7章 ForkJoinPool

7.1 ForkJoinPool用法

7.2 核心数据结构

7.3 工作窃取队列

7.4 ForkJoinPool状态控制

7.4.1 状态变量ctl解析

7.4.2 阻塞栈Treiber Stack

7.4.3 ctl变量的初始值

7.4.4 ForkJoinWorkerThread状态与个数分析

7.5 Worker线程的阻塞-唤醒机制

7.5.1 阻塞–入栈

7.5.2 唤醒–出栈

7.6 任务的提交过程分析

7.6.1 内部提交任务pushTask

7.6.2 外部提交任务addSubmission

7.7 工作窃取算法：任务的执行过程分析

7.7.1 顺序锁 SeqLock

7.7.2 scanGuard解析

7.8 ForkJoinTask的fork/join

7.8.1 fork

7.8.2 join的层层嵌套

7.9 ForkJoinPool的优雅关闭

7.9.1 关键的terminate变量

7.9.2 shutdown()与shutdownNow()的区别

第8章 CompletableFuture

8.1 CompletableFuture用法

8.1.1 最简单的用法

8.1.2 提交任务：runAsync与supplyAsync

8.1.3 链式的CompletableFuture：thenRun、thenAccept和thenApply

8.1.4 CompletableFuture的组合：thenCompose与thenCombine

8.1.5 任意个CompletableFuture的组合

8.2 四种任务原型

8.3 CompletionStage接口

8.4 CompletableFuture内部原理

8.4.1 CompletableFuture的构造：ForkJoinPool

8.4.2 任务类型的适配

8.4.3 任务的链式执行过程分析

8.4.4 thenApply与thenApplyAsync的区别

8.5 任务的网状执行：有向无环图

8.6 allOf内部的计算图分析