《Java并发编程的艺术》

编辑推荐

　　阿里系和1号店资深技术专家撰写，Java并发编程领域的扛鼎之作，内容在InfoQ等社群得到高度认可

　　从JDK源码、JVM、CPU等多角度全面剖析和讲解Java并发编程的框架、原理和核心技术

　　随着大数据时代的来临，程序员可能每天要处理几十个TB的数据，如何让程序快速且安全地处理各种大数据，就需要掌握不同的并发编程模型和并发编程技巧。用户的一个点击，需要在毫秒级处理完多个任务，同样需要并发编程的参与。

　　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。

　　《Java并发编程的艺术》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，从并发编程的底层实现机制入手，逐步介绍了在设计Java并发程序时各种重要的技术、设计模式与应用，同时辅以丰富的示例代码，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。

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内容简介

　　并发编程领域的扛鼎之作，作者是阿里和1号店的资深Java技术专家，对并发编程有非常深入的研究，《Java并发编程的艺术》是他们多年一线开发经验的结晶。《Java并发编程的艺术》的部分内容在出版早期发表在Java并发编程网和InfoQ等技术社区，得到了非常高的评价。它选取了Java并发编程中核心的技术进行讲解，从JDK源码、JVM、CPU等多角度全面剖析和讲解了Java并发编程的框架、工具、原理和方法，对Java并发编程进行了为深入和透彻的阐述。

　　《Java并发编程的艺术》内容涵盖Java并发编程机制的底层实现原理、Java内存模型、Java并发编程基础、Java中的锁、并发容器和框架、原子类、并发工具类、线程池、Executor框架等主题，每个主题都做了深入的讲解，同时通过实例介绍了如何应用这些技术。

作者简介

　　方腾飞（花名清英，英文名kiral），

　　蚂蚁金服集团技术专家，从事Java开发近10年。5年以上的团队管理、项目管理和敏捷开发经验，崇尚团队合作。曾参与CMS、电子海图、SOC、ITIL、电子商务网站和信贷管理系统等项目。目前在蚂蚁金服网商银行贷款管理团队负责数据采集平台开发工作。与同事合作开发了talacodeReview插件，深受阿里数千名工程师拥趸，并开发过开源工具jdbcutil（https://github.com/kiral/utils）。创办了并发编程网，组织翻译了百余篇国外优秀技术文章，并曾为InfoQ撰写“聊聊并发”专栏，在《程序员》杂志撰写敏捷实践系列文章

　　魏　鹏，

　　阿里巴巴集团技术专家，在阿里巴巴中国网站技术部工作多年，曾担任中国网站交易平台架构师，主导了交易系统服务化工作，设计实现的数据迁移系统高效地完成了阿里巴巴中国网站交易数据到阿里巴巴集团的迁移工作。目前在阿里巴巴共享业务事业部从事Java应用容器Pandora和服务框架HSF的相关工作，其中Java应用容器Pandora是阿里巴巴中间件运行的基础，而服务框架HSF则是阿里巴巴集团实现服务化的主要解决方案，二者在阿里巴巴拥有为广泛的使用量。个人平时喜欢阅读技术书籍，翻译一些国外优秀文档，喜欢总结、乐于分享，对Java应用容器、多线程编程以及分布式系统感兴趣。

　　程晓明，

　　1号店资深架构师，从事1号店交易平台系统的开发，技术上关注并发与NIO。因5年前遇到的一个线上故障，解决过程中对Java并发编程产生了浓厚的兴趣，从此开始了漫长的探索之旅：从底层实现机制、内存模型到Java同步。纵观我自己对Java并发的学习过程，是一个从高层到底层再到高层的一个反复迭代的过程，我估计很多读者的学习过程应该与我类似。文章多见诸《IBMdeveloperWorks》、InfoQ和《程序员》杂志。

目录

前　言
第1章　并发编程的挑战1
1.1　上下文切换1
1.1.1　多线程一定快吗1
1.1.2　测试上下文切换次数和时长3
1.1.3　如何减少上下文切换3
1.1.4　减少上下文切换实战4
1.2　死锁5
1.3　资源限制的挑战6
1.4　本章小结7
第2章　Java并发机制的底层实现原理8
2.1　volatile的应用8
2.2　synchronized的实现原理与应用11
2.2.1　Java对象头12
2.2.2　锁的升级与对比13
2.3　原子操作的实现原理16
2.4　本章小结20
第3章　Java内存模型21
3.1　Java内存模型的基础21
3.1.1　并发编程模型的两个关键问题21
3.1.2　Java内存模型的抽象结构22
3.1.3　从源代码到指令序列的重排序23
3.1.4　并发编程模型的分类24
3.1.5　happens-before简介26
3.2　重排序27
3.2.1　数据依赖性28
3.2.2　as-if-serial语义28
3.2.3　程序顺序规则29
3.2.4　重排序对多线程的影响29
3.3　顺序一致性31
3.3.1　数据竞争与顺序一致性31
3.3.2　顺序一致性内存模型32
3.3.3　同步程序的顺序一致性效果34
3.3.4　未同步程序的执行特性35
3.4　volatile的内存语义38
3.4.1　volatile的特性38
3.4.2　volatile写-读建立的happens-before关系39
3.4.3　volatile写-读的内存语义40
3.4.4　volatile内存语义的实现42
3.4.5　JSR-133为什么要增强volatile的内存语义46
3.5　锁的内存语义47
3.5.1　锁的释放-获取建立的
　　　happens-before关系47
3.5.2　锁的释放和获取的内存语义48
3.5.3　锁内存语义的实现50
3.5.4　concurrent包的实现54
3.6　final域的内存语义55
3.6.1　final域的重排序规则55
3.6.2　写final域的重排序规则56
3.6.3　读final域的重排序规则57
3.6.4　final域为引用类型58
3.6.5　为什么final引用不能从构造函数内“溢出”59
3.6.6　final语义在处理器中的实现61
3.6.7　JSR-133为什么要增强f?inal的语义62
3.7　happens-before62
3.7.1　JMM的设计62
3.7.2　happens-before的定义64
3.7.3　happens-before规则65
3.8　双重检查锁定与延迟初始化67
3.8.1　双重检查锁定的由来67
3.8.2　问题的根源69
3.8.3　基于volatile的解决方案71
3.8.4　基于类初始化的解决方案72
3.9　Java内存模型综述78
3.9.1　处理器的内存模型78
3.9.2　各种内存模型之间的关系80
3.9.3　JMM的内存可见性保证80
3.9.4　JSR-133对旧内存模型的修补81
3.10　本章小结82
第4章　Java并发编程基础83
4.1　线程简介83
4.1.1　什么是线程83
4.1.2　为什么要使用多线程84
4.1.3　线程优先级85
4.1.4　线程的状态87
4.1.5　Daemon线程90
4.2　启动和终止线程91
4.2.1　构造线程91
4.2.2　启动线程92
4.2.3　理解中断92
4.2.4　过期的suspend()、resume()和stop()93
4.2.5　安全地终止线程95
4.3　线程间通信96
4.3.1　volatile和synchronized关键字96
4.3.2　等待/通知机制98
4.3.3　等待/通知的经典范式101
4.3.4　管道输入/输出流102
4.3.5　Thread.join()的使用103
4.3.6　ThreadLocal的使用105
4.4　线程应用实例106
4.4.1　等待超时模式106
4.4.2　一个简单的数据库连接池示例106
4.4.3　线程池技术及其示例110
4.4.4　一个基于线程池技术的简单Web服务器114
4.5　本章小结118
第5章　Java中的锁119
5.1　Lock接口119
5.2　队列同步器121
5.2.1　队列同步器的接口与示例121
5.2.2　队列同步器的实现分析124
5.3　重入锁136
5.4　读写锁140
5.4.1　读写锁的接口与示例141
5.4.2　读写锁的实现分析142
5.5　LockSupport工具146
5.6　Condition接口147
5.6.1　Condition接口与示例148
5.6.2　Condition的实现分析150
5.7　本章小结154
第6章　Java并发容器和框架155
6.1　ConcurrentHashMap的实现原理与使用155
6.1.1　为什么要使用ConcurrentHashMap155
6.1.2　ConcurrentHashMap的结构156
6.1.3　ConcurrentHashMap的初始化157
6.1.4　定位Segment159
6.1.5　ConcurrentHashMap的操作160
6.2　ConcurrentLinkedQueue161
6.2.1　ConcurrentLinkedQueue的结构162
6.2.2　入队列162
6.2.3　出队列165
6.3　Java中的阻塞队列167
6.3.1　什么是阻塞队列167
6.3.2　Java里的阻塞队列168
6.3.3　阻塞队列的实现原理172
6.4　Fork/Join框架175
6.4.1　什么是Fork/Join框架175
6.4.2　工作窃取算法176
6.4.3　Fork/Join框架的设计177
6.4.4　使用Fork/Join框架177
6.4.5　Fork/Join框架的异常处理179
6.4.6　Fork/Join框架的实现原理179
6.5　本章小结181
第7章　Java中的13个原子操作类182
7.1　原子更新基本类型类182
7.2　原子更新数组184
7.3　原子更新引用类型185
7.4　原子更新字段类187
7.5　本章小结188
第8章　Java中的并发工具类189
8.1　等待多线程完成的CountDownLatch189
8.2　同步屏障CyclicBarrier191
8.2.1　CyclicBarrier简介191
8.2.2　CyclicBarrier的应用场景193
8.2.3　CyclicBarrier和CountDownLatch的区别195
8.3　控制并发线程数的Semaphore196
8.4　线程间交换数据的Exchanger198
8.5　本章小结199
第9章　Java中的线程池200
9.1　线程池的实现原理200
9.2　线程池的使用203
9.2.1　线程池的创建203
9.2.2　向线程池提交任务205
9.2.3　关闭线程池205
9.2.4　合理地配置线程池206
9.2.5　线程池的监控206
9.3　本章小结207
第10章　Executor框架208
10.1　Executor框架简介208
10.1.1　Executor框架的两级调度模型208
10.1.2　Executor框架的结构与成员208
10.2　ThreadPoolExecutor详解213
10.2.1　FixedThreadPool详解213
10.2.2　SingleThreadExecutor详解214
10.2.3　CachedThreadPool详解215
10.3　ScheduledThreadPoolExecutor详解217
10.3.1　ScheduledThreadPoolExecutor的运行机制217
10.3.2　ScheduledThreadPoolExecutor的实现218
10.4　FutureTask详解221
10.4.1　FutureTask简介222
10.4.2　FutureTask的使用222
10.4.3　FutureTask的实现224
10.5　本章小结227
第11章　Java并发编程实践228
11.1　生产者和消费者模式228
11.1.1　生产者消费者模式实战229
11.1.2　多生产者和多消费者场景231
11.1.3　线程池与生产消费者模式234
11.2　线上问题定位234
11.3　性能测试236
11.4　异步任务池238
11.5　本章小结240

前言/序言

　　为什么要写这《Java并发编程的艺术》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《Java并发编程的艺术》，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《Java并发编程的艺术》，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《Java并发编程的艺术》的编写当中。

　　写《Java并发编程的艺术》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《Java并发编程的艺术》能帮助读者快速掌握并发编程技术。

　　《Java并发编程的艺术》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。

　　《Java并发编程的艺术》特色《Java并发编程的艺术》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。

　　《Java并发编程的艺术》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。

　　《Java并发编程的艺术》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《Java并发编程的艺术》阅读《Java并发编程的艺术》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《Java并发编程的艺术》，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《Java并发编程的艺术》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。

　　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《Java并发编程的艺术》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