Java并发编程实战

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内容简介: 《Java并发编程实战》深入浅出地介绍了Java线程和并发,是一本完美的Java并发参考手册。书中从并发性和线程安全性的基本概念出发,介绍了如何使用类库提供的基本并发构建块,用于避免并发危险、构造线程安全的类及验证线程安全的规则,如何将小的线程安全类组合成更大的线程安全类,如何利用线程来提高并发应用程序的吞吐量,如何识别可并行执行的任务,如何提高单线程子系统的响应性,如何确保并发程序执行预期任务,如何提高并发代码的性能和可伸缩性等内容,最后介绍了一些高级主题,如显式锁、原子变量、非阻塞算法以及如何开发自定义的同步工具类。
《Java并发编程实战》适合Java程序开发人员阅读。

目录: 《Java并发编程实战》
对本书的赞誉
译者序
前 言
第1章 简介1
1.1 并发简史1
1.2 线程的优势2
1.2.1 发挥多处理器的强大能力2
1.2.2 建模的简单性3
1.2.3 异步事件的简化处理3
1.2.4 响应更灵敏的用户界面4
1.3 线程带来的风险4
1.3.1 安全性问题5
1.3.2 活跃性问题7
1.3.3 性能问题7
1.4 线程无处不在7
第一部分 基础知识
第2章 线程安全性11
2.1 什么是线程安全性13
2.2 原子性14
2.2.1 竞态条件15
2.2.2 示例:延迟初始化中的竞态条件16
2.2.3 复合操作17
2.3 加锁机制18
2.3.1 内置锁20
2.3.2 重入21
2.4 用锁来保护状态22
2.5 活跃性与性能23
第3章 对象的共享27
3.1 可见性27
3.1.1 失效数据28
3.1.2 非原子的64位操作29
3.1.3 加锁与可见性30
3.1.4 Volatile变量 30
3.2 发布与逸出32
3.3 线程封闭35
3.3.1 Ad-hoc线程封闭35
3.3.2 栈封闭36
3.3.3 ThreadLocal类37
3.4 不变性38
3.4.1 Final域39
3.4.2 示例:使用Volatile类型来发布不可变对象40
3.5 安全发布41
3.5.1 不正确的发布:正确的对象被破坏42
3.5.2  不可变对象与初始化安全性42
3.5.3 安全发布的常用模式43
3.5.4 事实不可变对象44
3.5.5 可变对象44
3.5.6 安全地共享对象44
第4章 对象的组合46
4.1 设计线程安全的类46
4.1.1 收集同步需求47
4.1.2 依赖状态的操作48
4.1.3 状态的所有权48
4.2 实例封闭49
4.2.1 Java监视器模式51
4.2.2 示例:车辆追踪51
4.3 线程安全性的委托53
4.3.1 示例:基于委托的车辆追踪器54
4.3.2 独立的状态变量55
4.3.3 当委托失效时56
4.3.4 发布底层的状态变量57
4.3.5 示例:发布状态的车辆追踪器58
4.4 在现有的线程安全类中添加功能59
4.4.1 客户端加锁机制60
4.4.2 组合62
4.5 将同步策略文档化62
第5章 基础构建模块66
5.1 同步容器类66
5.1.1 同步容器类的问题66
5.1.2 迭代器与Concurrent-ModificationException68
5.1.3 隐藏迭代器69
5.2 并发容器70
5.2.1 ConcurrentHashMap71
5.2.2 额外的原子Map操作72
5.2.3 CopyOnWriteArrayList72
5.3 阻塞队列和生产者-消费者模式73
5.3.1 示例:桌面搜索75
5.3.2 串行线程封闭76
5.3.3 双端队列与工作密取77
5.4 阻塞方法与中断方法77
5.5 同步工具类78
5.5.1 闭锁79
5.5.2 FutureTask80
5.5.3 信号量82
5.5.4 栅栏83
5.6 构建高效且可伸缩的结果缓存85
第二部分 结构化并发应用程序
第6章 任务执行93
6.1 在线程中执行任务93
6.1.1 串行地执行任务94
6.1.2 显式地为任务创建线程94
6.1.3 无限制创建线程的不足95
6.2 Executor框架96
6.2.1 示例:基于Executor的Web服务器97
6.2.2 执行策略98
6.2.3 线程池98
6.2.4 Executor的生命周期99
6.2.5 延迟任务与周期任务101
6.3 找出可利用的并行性102
6.3.1 示例:串行的页面渲染器102
6.3.2 携带结果的任务Callable与Future103
6.3.3 示例:使用Future实现页面渲染器104
6.3.4 在异构任务并行化中存在的局限106
6.3.5 CompletionService:Executor与BlockingQueue106
6.3.6 示例:使用CompletionService实现页面渲染器107
6.3.7 为任务设置时限108
6.3.8 示例:旅行预定门户网站109
第7章 取消与关闭111
7.1 任务取消111
7.1.1 中断113
7.1.2 中断策略116
7.1.3 响应中断117
7.1.4 示例:计时运行118
7.1.5 通过Future来实现取消120
7.1.6 处理不可中断的阻塞121
7.1.7 采用newTaskFor来封装非标准的取消122
7.2 停止基于线程的服务124
7.2.1 示例:日志服务124
7.2.2 关闭ExecutorService127
7.2.3 “毒丸”对象128
7.2.4 示例:只执行一次的服务129
7.2.5 shutdownNow的局限性130
7.3 处理非正常的线程终止132
7.4 JVM关闭135
7.4.1 关闭钩子135
7.4.2 守护线程136
7.4.3 终结器136
第8章 线程池的使用138
8.1 在任务与执行策略之间的隐性耦合138
8.1.1 线程饥饿死锁139
8.1.2 运行时间较长的任务140
8.2 设置线程池的大小140
8.3 配置ThreadPoolExecutor141
8.3.1 线程的创建与销毁142
8.3.2 管理队列任务142
8.3.3 饱和策略144
8.3.4 线程工厂146
8.3.5 在调用构造函数后再定制ThreadPoolExecutor147
8.4 扩展 ThreadPoolExecutor148
8.5 递归算法的并行化149
第9章 图形用户界面应用程序156
9.1 为什么GUI是单线程的156
9.1.1 串行事件处理157
9.1.2 Swing中的线程封闭机制158
9.2 短时间的GUI任务160
9.3 长时间的GUI任务161
9.3.1 取消162
9.3.2 进度标识和完成标识163
9.3.3 SwingWorker165
9.4 共享数据模型165
9.4.1 线程安全的数据模型166
9.4.2 分解数据模型166
9.5 其他形式的单线程子系统167
第三部分 活跃性、性能与测试
第10章 避免活跃性危险169
10.1 死锁169
10.1.1 锁顺序死锁170
10.1.2 动态的锁顺序死锁171
10.1.3 在协作对象之间发生的死锁174
10.1.4 开放调用175
10.1.5 资源死锁177
10.2 死锁的避免与诊断178
10.2.1 支持定时的锁178
10.2.2 通过线程转储信息来分析死锁178
10.3 其他活跃性危险180
10.3.1 饥饿180
10.3.2 糟糕的响应性181
10.3.3 活锁181
第11章 性能与可伸缩性183
11.1 对性能的思考183
11.1.1 性能与可伸缩性184
11.1.2 评估各种性能权衡因素185
11.2 Amdahl定律186
11.2.1 示例:在各种框架中隐藏的串行部分188
11.2.2 Amdahl定律的应用189
11.3 线程引入的开销189
11.3.1 上下文切换190
11.3.2 内存同步190
11.3.3 阻塞192
11.4 减少锁的竞争192
11.4.1 缩小锁的范围(“快进快出”)193
11.4.2 减小锁的粒度195
11.4.3 锁分段196
11.4.4 避免热点域197
11.4.5 一些替代独占锁的方法198
11.4.6 监测CPU的利用率199
11.4.7 向对象池说“不”200
11.5 示例:比较Map的性能200
11.6 减少上下文切换的开销201
第12章 并发程序的测试204
12.1 正确性测试205
12.1.1 基本的单元测试206
12.1.2 对阻塞操作的测试207
12.1.3 安全性测试208
12.1.4 资源管理的测试212
12.1.5 使用回调213
12.1.6 产生更多的交替操作214
12.2 性能测试215
12.2.1 在PutTakeTest中增加计时功能215
12.2.2 多种算法的比较217
12.2.3 响应性衡量218
12.3 避免性能测试的陷阱220
12.3.1 垃圾回收220
12.3.2 动态编译220
12.3.3 对代码路径的不真实采样222
12.3.4 不真实的竞争程度222
12.3.5 无用代码的消除223
12.4 其他的测试方法224
12.4.1 代码审查224
12.4.2 静态分析工具224
12.4.3 面向方面的测试技术226
12.4.4 分析与监测工具226
第四部分 高级主题
第13章 显式锁227
13.1 Lock与 ReentrantLock227
13.1.1 轮询锁与定时锁228
13.1.2 可中断的锁获取操作230
13.1.3 非块结构的加锁231
13.2 性能考虑因素231
13.3 公平性232
13.4 在synchronized和ReentrantLock之间进行选择234
13.5 读-写锁235
第14章 构建自定义的同步工具238
14.1 状态依赖性的管理238
14.1.1 示例:将前提条件的失败传递给调用者240
14.1.2 示例:通过轮询与休眠来实现简单的阻塞241
14.1.3 条件队列243
14.2 使用条件队列244
14.2.1 条件谓词244
14.2.2 过早唤醒245
14.2.3 丢失的信号246
14.2.4 通知247
14.2.5 示例:阀门类248
14.2.6 子类的安全问题249
14.2.7 封装条件队列250
14.2.8 入口协议与出口协议250
14.3 显式的Condition对象251
14.4 Synchronizer剖析253
14.5 AbstractQueuedSynchronizer254
14.6 java.util.concurrent同步器类中的 AQS257
14.6.1 ReentrantLock257
14.6.2 Semaphore与CountDownLatch258
14.6.3 FutureTask259
14.6.4 ReentrantReadWriteLock259
第15章 原子变量与非阻塞同步机制261
15.1 锁的劣势261
15.2 硬件对并发的支持262
15.2.1 比较并交换263
15.2.2 非阻塞的计数器264
15.2.3 JVM对CAS的支持265
15.3 原子变量类265
15.3.1 原子变量是一种“更好的volatile”266
15.3.2 性能比较:锁与原子变量267
15.4 非阻塞算法270
15.4.1 非阻塞的栈270
15.4.2 非阻塞的链表272
15.4.3 原子的域更新器274
15.4.4 ABA问题275
第16章 Java内存模型277
16.1 什么是内存模型,为什么需要它277
16.1.1 平台的内存模型278
16.1.2 重排序278
16.1.3 Java内存模型简介280
16.1.4 借助同步281
16.2 发布283
16.2.1 不安全的发布283
16.2.2 安全的发布284
16.2.3 安全初始化模式284
16.2.4 双重检查加锁286
16.3 初始化过程中的安全性287
附录A 并发性标注289
参考文献291

译者序: 并发编程是Java语言的重要特性之一,在Java平台上提供了许多基本的并发功能来辅助开发多线程应用程序。然而,这些相对底层的并发功能与上层应用程序的并发语义之间并不存在一种简单而直观的映射关系。因此,如何在Java并发应用程序中正确且高效地使用这些功能就成了Java开发人员的关注重点。
本书正是为了解决这个问题而写的。书中采用循序渐进的讲解方式,从并发编程的基本理论入手,逐步介绍了在设计Java并发程序时各种重要的设计原则、设计模式以及思维模式,同时辅以丰富的示例代码作为对照和补充,使得开发人员能够更快地领悟Java并发编程的要领,围绕着Java平台的基础并发功能快速地构建大规模的并发应用程序。
全书内容由浅入深,共分为四个部分。第一部分介绍了Java并发编程的基础理论,包括线程安全性与状态对象的基础知识,如何构造线程安全的类并将多个小型的线程安全类构建成更大型的线程安全类,以及Java平台库中的一些基础并发模块;第二部分介绍了并发应用程序的构造理论,包括应用程序中并行语义的分解及其与逻辑任务的映射,任务的取消与关闭等行为的实现,以及Java线程池中的一些高级功能,此外还介绍了如何提高GUI应用程序的响应性;第三部分介绍了并发编程的性能调优,包括如何避免活跃性问题,如何提高并发代码的性能和可伸缩性以获得理想的性能,以及在测试并发代码正确性和性能时的一些实用技术;第四部分介绍了Java并发编程中的一些高级主题,包括显式锁、原子变量、非阻塞算法以及如何开发自定义的同步工具类等。
本书的特点在于注重阐述并发技术背后的理论知识,对于每种技术的介绍不仅使读者能做到“知其然”,更能做到“知其所以然”。对于希望深入研究和探索Java并发编程的读者来说,本书是非常合适的。
参与本书翻译工作的还有李杨、吴汉平、徐光景、童胜汉、陈军、胡凯、刘红、张玮、陈红、李斌、李勇涛、王海涛、周云波、彭敏才、张世锋、朱介秋、宗敬、李静、叶锦、高波、熊莉、程凤、陈娟、胡世娟、董敏、谢路阳、冯卓、李志勇、胡欢、王进等。由于译者的时间和水平有限,翻译中的疏漏和错误在所难免,还望读者和同行不吝指正。
童云兰  
2011年11月于武汉  

前言: 在写作本书时,对于中端桌面系统来说,多核处理器正变得越来越便宜。无独有偶,许多开发团队也注意到,在他们的项目中出现了越来越多与线程有关的错误报告。在NetBeans开发者网站上的最近一次公告中,一位核心维护人员注意到,为了修复与线程相关的问题,在某个类中竟然打了14次补丁。Dion Almaer,这位TheServerSide网站的前编辑,最近(在经过一番痛苦的调试过程并最终发现了一个与线程有关的错误之后)在其博客上写道,在大多数Java程序中充满了各种并发错误,使得程序只有在“偶然的情况下”才能正常工作。
确实,在开发、测试以及调试多线程程序时存在着巨大的困难,因为并发性错误通常并不会以某种确定的方式显现出来。当这些错误出现时,通常是在最糟糕的时刻,例如在正式产品中,或者在高负载的情况下。
当开发Java并发程序时,所要面对的挑战之一就是:平台提供的各种并发功能与开发人员在程序中需要的并发语义并不匹配。在Java语言中提供了一些底层机制,例如同步和条件等待,但在使用这些机制来实现应用级的协议与策略时必须始终保持一致。如果没有这些策略,那么在编写程序时,虽然程序看似能顺利地编译和运行,但却总会出现各种奇怪的问题。许多介绍并发的其他书籍更侧重于介绍一些底层机制和API,而在设计级的策略和模式上叙述的不多。
Java 5.0在Java并发应用程序的开发方面进展巨大,它不仅提供了一些新的高层组件,还补充了一些底层机制,从而使得无论是新手级开发人员还是专家级开发人员都能够更容易地构建并发应用程序。本书的作者都是JCP专家组的主要成员,也正是该专家组编写了这些新功能。本书不仅描述了这些新功能的行为和特性,还介绍了它们的底层设计模式和促使它们被添加到平台库中的应用场景。
我们的目标是向读者介绍一些设计规则和思维模式,从而使读者能够更容易也更乐意去构建正确的以及高性能的Java并发类和应用程序。
我们希望你能享受本书的阅读过程。
Brian Goetz  
Williston,VT  
2006年3月  

媒体评论: “我曾有幸在一个伟大的团队中工作,参与设计和实现在Java 5.0和Java 6等平台中新增的并发功能。现在,仍然是这个团队,将透彻地讲解这些新功能,以及关于并发的一般性概念。并发已不再只是高级用户谈论的话题,每一位Java开发人员都应该阅读这本书。”
—Martin Buchholz,Sun公司的JDK并发大师  
“在过去30多年时间里,计算机性能一直遵循着摩尔定律,但从现在开始,它将遵循Amdahl定律。编写能高效利用多处理器的代码非常具有挑战性。 在这本书中介绍的一些概念和技术,对于在当前(以及未来的)系统上编写安全的和可伸缩的代码来说都是非常有用的。”
—Doron Rajwan,Intel公司研究人员  
“如果你正在编写、设计、调试、维护以及分析多线程的Java程序,那么本书正是你所需要的。如果你曾对某个方法进行过同步,但却不理解其中的原因,那么你以及你的用户都有必要从头至尾仔细地读一读这本书。”
—Ted Neward,《Effective Enterprise Java》的作者  
“Brian非常清晰地阐述了并发的一些基本问题与复杂性。对于使用线程并关注程序执行性能的开发人员来说,这是一本必读的书。”
—Kirk Pepperdine,JavaPerformanceTuning.com网站CTO  
“本书深入浅出地介绍了一些复杂的编程主题,是一本完美的Java并发参考手册。书中的每一页都包含了程序员日常需要应对的问题(以及相应的解决方案)。随着摩尔定律的发展趋势由提高处理器核的速度转向增加处理器核的数量,如何有效地利用并发性已变得越来越重要,本书正好介绍了这些方面的内容。”
—Cliff Click博士,Azul Systems公司高级软件工程师  
“我对并发有着浓厚的兴趣,并且与大多数程序员相比,我或许写过更多存在线程死锁的代码,也在同步上犯了更多的错误。在介绍Java线程和并发等主题的众多书籍中,Brian的这本书最具可读性,它通过循序渐进的方式将一些复杂的主题阐述得很清楚。我将本书推荐给Java Specialists?Newsletter的所有读者,因为它不仅有趣,而且很有用,它介绍了当前Java开发人员正在面对的许多问题。”
—Heinz Kabutz博士,Java Specialists?Newsletter的维护者  
“我一直努力想使一些简单的问题变得更简单,然而本书已经简化了一个复杂但却关键的主题:并发。这本书采用了创新的讲解方法、简单明了的风格,它注定会成为一本非常重要的书。
—Bruce Tate,《Beyond Java》的作者  
这本书为Java开发人员在线程编程领域提供了不可多得的知识。我在读这本书时受到了极大的启发,部分原因在于它详细地介绍了Java中并发领域的API,但更重要的却在于这本书以一种透彻并且易懂的方式来介绍复杂的并发知识,这是其他书籍很难媲美的。
—Bill Venners,《Inside the Java Virtual Machine》的作者  

书摘: 版权页:
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第一章 简介
编写正确的程序很难,而编写正确的并发程序則难上加难。与串行程序相比,在并发程序中存在更多容易出错的地方。那么,为什么还要编写并发程序?线程是Java语言中不可或缺的重要功能,它们能使复杂的异步代码变得更简单,从而极大地简化了复杂系统的开发。此外,要想充分发挥多处理器系统的强大计算能力,最简单的方式就是使用线程。随着处理器数量的持续增长,如何高效地使用并发正变得越来越重要。
1.1 并发简史
在早期的计算机中不包含操作系统,它们从头到尾只执行一个程序,并且这个程序能访问计算机中的所有资源。在这种裸机环境中,不仅很难编写和运行程序,而且每次只能运行一个程序,这对于昂贵并且稀有的计算机资源来说也是一种浪费。
操作系统的出现使得计算机每次能运行多个程序,并且不同的程序都在单独的进程中运行:操作系统为各个独立执行的进程分配各种资源,包括内存,文件句柄以及安全证书等。如果需要的话,在不同的进程之间可以通过一些粗粒度的通信机制来交换数据,包括:套接字、信号处理器、共享内存、信号量以及文件等。
之所以在计算机中加入操作系统来实现多个程序的同时执行,主要是基于以下原因:
资源利用率。在某些情况下,程序必须等待某个外部操作执行完成,例如输入操作或输出操作等,而在等待时程序无法执行其他任何工作。因此,如果在等待的同时可以运行另一个程序,那么无疑将提高资源的利用率。
公平性。不同的用户和翠序对于计算机上的资源有着同等的使用权。一种高效的运行方式是通过粗粒度的时间分片(Time Slicing)使这些用户和程序能共享计算机资源,而不是由一个程序从头运行到尾,然后再启动下一个程序。
便利性。通常来说,在计算多个任务时,应该编写多个程序,每个程序执行一个任务并在必要时相互通信,这比只编写一个程序来计算所有任务更容易实现。