深入理解高並發編程：核心原理與案例實戰

目錄

第1篇 基礎知識

第1章 操作系統線程調度 2

1.1 馮·諾依曼體系結構 2

1.1.1 概述 2

1.1.2 計算機五大組成部分 3

1.2 CPU架構 5

1.2.1 CPU的組成部分 5

1.2.2 CPU邏輯結構 6

1.2.3 單核CPU的不足 8

1.2.4 多核CPU架構 8

1.2.5 多CPU架構 10

1.3 操作系統線程 11

1.3.1 用戶級線程 11

1.3.2 內核級線程 12

1.3.3 混合級線程 14

1.4 Java線程與操作系統線程的關係 15

1.5 本章總結 16

第2章 並發編程概述 17

2.1 並發編程的基本概念 17

2.1.1 程序 17

2.1.2 進程與線程 17

2.1.3 線程組 18

2.1.4 用戶線程與守護線程 19

2.1.5 並行與並發 20

2.1.6 同步與異步 21

2.1.7 共享與獨享 21

2.1.8 臨界區 22

2.1.9 阻塞與非阻塞 22

2.2 並發編程的風險 22

2.2.1 安全性問題 22

2.2.2 活躍性問題 23

2.2.3 性能問題 24

2.3 並發編程中的鎖 24

2.3.1 悲觀鎖與樂觀鎖 24

2.3.2 公平鎖與非公平鎖 25

2.3.3 獨占鎖與共享鎖 26

2.3.4 可重入鎖與不可重入鎖 26

2.3.5 可中斷鎖與不可中斷鎖 26

2.3.6 讀/寫鎖 27

2.3.7 自旋鎖 27

2.3.8 死鎖、飢餓與活鎖 27

2.4 本章總結 28

第2篇 核心原理

第3章 並發編程的三大核心問題 30

3.1 分工問題 30

3.1.1 類比現實案例 30

3.1.2 並發編程中的分工 32

3.2 同步問題 32

3.2.1 類比現實案例 33

3.2.2 並發編程中的同步 33

3.3 互斥問題 35

3.3.1 類比現實案例 35

3.3.2 並發編程中的互斥 35

3.4 本章總結 36

第4章 並發編程的本質問題 37

4.1 計算機的核心矛盾 37

4.1.1 核心矛盾概述 37

4.1.2 CPU如何解決核心矛盾 38

4.1.3 操作系統如何解決核心矛盾 38

4.1.4 編譯程序如何解決核心矛盾 38

4.1.5 引發的問題 39

4.2 原子性 39

4.2.1 原子性概述 39

4.2.2 原子性問題 41

4.2.3 Java中的原子性問題 42

4.2.4 原子性問題總結 46

4.3 可見性 46

4.3.1 可見性概述 46

4.3.2 可見性問題 47

4.3.3 Java中的可見性問題 49

4.3.4 可見性問題總結 51

4.4 有序性 51

4.4.1 有序性概述 51

4.4.2 有序性問題 52

4.4.3 Java中的有序性問題 53

4.4.4 有序性問題總結 56

4.5 解決方案 57

4.5.1 原子性問題解決方案 57

4.5.2 可見性與有序性問題解決方案 57

4.6 本章總結 58

第5章 原子性的核心原理 59

5.1 原子性原理 59

5.2 處理器保證原子性 60

5.2.1 CPU保證基本內存操作的原子性 60

5.2.2 總線鎖保證原子性 60

5.2.3 緩存鎖保證原子性 62

5.3 互斥鎖保證原子性 62

5.3.1 互斥鎖模型 62

5.3.2 優化後的互斥鎖模型 63

5.4 CAS保證原子性 64

5.5 本章總結 64

第6章 可見性與有序性核心原理 65

6.1 CPU多級緩存架構 65

6.1.1 CPU為何使用多級緩存架構 65

6.1.2 CPU多級緩存架構原理 66

6.1.3 CPU的計算流程 67

6.2 緩存一致性 68

6.2.1 什麼是緩存一致性 68

6.2.2 緩存一致性協議 69

6.2.3 MESI協議緩存狀態 70

6.2.4 MESI協議的狀態轉換 70

6.2.5 MESI協議帶來的問題 76

6.3 偽共享 76

6.3.1 偽共享的概念 76

6.3.2 偽共享產生的場景 77

6.3.3 如何解決偽共享問題 77

6.4 volatile核心原理 78

6.4.1 保證可見性核心原理 78

6.4.2 保證有序性核心原理 79

6.4.3 volatile的局限性 81

6.5 內存屏障 82

6.5.1 編譯器重排序 82

6.5.2 CPU重排序 83

6.5.3 as-if-serial原則 83

6.5.4 計算機硬件實現的內存屏障 84

6.6 Java內存模型 84

6.6.1 Java內存模型的概念 85

6.6.2 Java內存模型的八大操作 85

6.6.3 Java內存模型解決可見性與有序性問題 87

6.7 Happens-Before原則 90

6.7.1 Happens-Before原則概述 90

6.7.2 程序次序原則 90

6.7.3 volatile變量原則 91

6.7.4 傳遞原則 91

6.7.5 鎖定原則 91

6.7.6 線程啟動原則 92

6.7.7 線程終結原則 93

6.7.8 線程中斷原則 93

6.7.9 對象終結原則 94

6.8 本章總結 95

第7章 synchronized核心原理 96

7.1 synchronized用法 96

7.1.1 同步實例方法 97

7.1.2 同步靜態方法 98

7.1.3 同步代碼塊 99

7.2 Java對象結構 102

7.2.1 對象結構總覽 102

7.2.2 對像頭 103

7.2.3 實例數據 103

7.2.4 對齊填充 103

7.3 Java對像頭 104

7.3.1 Mark Word  104

7.3.2 類型指針 106

7.3.3 數組長度 106

7.4 使用JOL查看對象信息 107

7.4.1 引入JOL環境依賴 107

7.4.2 打印對象信息 107

7.4.3 打印對象鎖狀態 109

7.5 synchronized核心原理 115

7.5.1 synchronized底層原理 115

7.5.2 Monitor鎖原理 116

7.5.3 反編譯synchronized方法 118

7.5.4 反編譯synchronized代碼塊 119

7.6 偏向鎖 121

7.6.1 偏向鎖核心原理 122

7.6.2 偏向鎖的撤銷 122

7.6.3 偏向鎖案例 123

7.7 輕量級鎖 124

7.7.1 輕量級鎖核心原理 124

7.7.2 輕量級鎖案例 126

7.8 重量級鎖 127

7.8.1 重量級鎖核心原理 127

7.8.2 重量級鎖案例 127

7.9 鎖升級的過程 129

7.10 鎖消除 130

7.11 本章總結 131

第8章 AQS核心原理 132

8.1 AQS核心數據結構 132

8.1.1 AQS數據結構原理 132

8.1.2 AQS內部隊列模式 133

8.2 AQS底層鎖的支持 134

8.2.1 核心狀態位 134

8.2.2 核心節點類 135

8.2.3 獨占鎖模式 137

8.2.4 共享鎖模式 142

8.3 本章總結 145

第9章 Lock鎖核心原理 146

9.1 顯示鎖 146

9.2 公平鎖與非公平鎖 148

9.2.1 公平鎖原理 148

9.2.2 ReentrantLock中的公平鎖 149

9.2.3 公平鎖實戰 153

9.2.4 非公平鎖原理 154

9.2.5 ReentrantLock中的非公平鎖 156

9.2.6 非公平鎖實戰 159

9.3 悲觀鎖與樂觀鎖 159

9.3.1 悲觀鎖原理 160

9.3.2 悲觀鎖實戰 160

9.3.3 樂觀鎖原理 162

9.3.4 樂觀鎖實戰 162

9.4 可中斷鎖與不可中斷鎖 163

9.4.1 可中斷鎖原理 163

9.4.2 可中斷鎖實戰 164

9.4.3 不可中斷鎖原理 166

9.4.4 不可中斷鎖實戰 166

9.5 排他鎖與共享鎖 167

9.5.1 排他鎖原理 167

9.5.2 排他鎖實戰 167

9.5.3 共享鎖原理 169

9.5.4 共享鎖實戰 169

9.6 可重入鎖 170

9.6.1 可重入鎖原理 170

9.6.2 可重入鎖實戰 172

9.7 讀/寫鎖 175

9.7.1 讀/寫鎖原理 175

9.7.2 ReadWriteLock讀/寫鎖 176

9.7.3 ReadWriteLock鎖降級 177

9.7.4 StampedLock讀/寫鎖 178

9.7.5 StampedLock鎖的升級與降級 179

9.7.6 讀/寫鎖實戰 182

9.8 LockSupport  185

9.8.1 LockSupport原理 185

9.8.2 LockSupport實戰 185

9.9 本章總結 187

第10章 CAS核心原理 188

10.1 CAS的基本概念 188

10.2 CAS的核心類Unsafe  189

10.2.1 Unsafe類的核心方法 190

10.2.2 Unsafe類實戰 192

10.3 使用CAS實現count++  194

10.3.1 案例分析 194

10.3.2 程序實現 194

10.3.3 測試程序 198

10.4 ABA問題 199

10.4.1 ABA問題概述 199

10.4.2 ABA問題解決方案 200

10.4.3 Java如何解決ABA問題 200

10.5 本章總結 202

第11章 死鎖的核心原理 203

11.1 死鎖的基本概念 203

11.2 死鎖的分析 204

11.2.1 線程不安全 204

11.2.2 串行執行 206

11.2.3 發生死鎖 208

11.3 形成死鎖的必要條件 210

11.4 死鎖的預防 210

11.5 本章總結 216

第12章 鎖優化 217

12.1 縮小鎖的範圍 217

12.2 減小鎖的粒度 219

12.3 鎖分離 220

12.4 鎖分段 221

12.5 鎖粗化 221

12.6 避免熱點區域問題 222

12.7 獨占鎖的替換方案 223

12.8 其他優化方案 223

12.9 本章總結 223

第13章 線程池核心原理 224

13.1 線程池的核心狀態 224

13.1.1 核心狀態說明 224

13.1.2 核心狀態的流轉過程 225

13.2 線程池的創建方式 227

13.2.1 通過Executors類創建線程池 227

13.2.2 通過ThreadPoolExecutor類創建線程池 229

13.2.3 通過ForkJoinPool類創建線程池 232

13.2.4 通過ScheduledThreadPoolExecutor類創建線程池 234

13.3 線程池執行任務的核心流程 235

13.3.1 執行任務的流程 235

13.3.2 拒絕策略 237

13.4 線程池的關閉方式 238

13.4.1 shutdown()方法 238

13.4.2 shutdownNow()方法 238

13.5 如何確定*佳線程數 238

13.5.1 CPU密集型程序 238

13.5.2 I/O密集型程序 239

13.6 本章總結 239

第14章 ThreadLocal核心原理 240

14.1 ThreadLocal的基本概念 240

14.2 ThreadLocal的使用案例 241

14.3 ThreadLocal的核心原理 244

14.3.1 Thread類源碼 244

14.3.2 set()方法 244

14.3.3 get()方法 245

14.3.4 remove()方法 247

14.4 ThreadLocal變量的不繼承性 247

14.5 InheritableThreadLocal的使用案例 249

14.6 InheritableThreadLocal的核心原理 250

14.7 本章總結 253

第3篇 實戰案例

第15章 手動開發線程池實戰 256

15.1 案例概述 256

15.2 項目搭建 257

15.3 核心類實現 257

15.3.1 定義核心字段 257

15.3.2 創建內部類WorkThread  258

15.3.3 創建線程池的構造方法 259

15.3.4 創建執行任務的方法 260

15.3.5 創建關閉線程池的方法 260

15.3.6 完整源代碼示例 260

15.4 測試程序 262

15.5 本章總結 264

第16章 基於CAS實現自旋鎖實戰 265

16.1 案例概述 265

16.2 項目搭建 266

16.3 核心類實現 266

16.3.1 CasLock接口實現 266

16.3.2 MyCasLock類實現 267

16.4 測試程序 268

16.5 本章總結 270

第17章 基於讀/寫鎖實現緩存實戰 271

17.1 案例概述 271

17.2 項目搭建 272

17.3 核心類實現 272

17.3.1 ReadWriteCache核心接口的實現 272

17.3.2 ConcurrentReadWriteCache核心類的實現 273

17.4 測試程序 278

17.5 本章總結 279

第18章 基於AQS實現可重入鎖實戰 280

18.1 案例概述 280

18.2 項目搭建 281

18.3 核心類實現 281

18.3.1 AQSSync內部類的實現 281

18.3.2 ReentrantAQSLock核心類的實現 284

18.3.3 完整源代碼 285

18.4 測試程序 287

18.5 本章總結 290

第4篇 系統架構

第19章 深度解密分佈式鎖架構 292

19.1 鎖解決的本質問題 292

19.2 電商超賣問題 292

19.2.1 超賣問題概述 293

19.2.2 超賣問題案例 293

19.3 JVM提供的鎖 295

19.3.1 JVM鎖的原理 295

19.3.2 JVM鎖的不足 295

19.4 分佈式鎖 297

19.4.1 分佈式鎖的實現方法 297

19.4.2 分佈式鎖的基本要求 298

19.5 CAP理論與分佈式鎖模型 298

19.5.1 CAP理論 298

19.5.2 基於Redis的AP架構模型 299

19.5.3 基於Zookeeper的CP架構模型 299

19.5.4 AP架構模型的問題與解決方案 300

19.6 基於Redis實現分佈式鎖 301

19.6.1 Redis命令分析 301

19.6.2 引入分佈式鎖 302

19.6.3 引入try-finally代碼塊 303

19.6.4 引入Redis超時機制 304

19.6.5 加鎖操作原子化 305

19.6.6 誤刪鎖分析 307

19.6.7 實現加鎖和解鎖歸一化 308

19.6.8 可重入性分析 309

19.6.9 解決可重入性問題 311

19.6.10 實現鎖的阻塞性 313

19.6.11 解決鎖失效問題 315

19.6.12 解鎖操作原子化 321

19.7 本章總結 322

第20章 深度解密秒殺系統架構 323

20.1 電商系統架構 323

20.2 秒殺系統的特點 326

20.2.1 秒殺系統的業務特點 326

20.2.2 秒殺系統的技術特點 327

20.3 秒殺系統的方案 328

20.3.1 秒殺系統的三個階段 328

20.3.2 秒殺系統的性能優化 329

20.4 秒殺系統設計 330

20.4.1 同步下單流程 330

20.4.2 異步下單流程 332

20.5 扣減庫存設計 336

20.5.1 下單減庫存 336

20.5.2 付款減庫存 337

20.5.3 預扣減庫存 337

20.5.4 扣減庫存問題的解決方案 337

20.5.5 秒殺系統扣減庫存方案 338

20.6 Redis助力秒殺系統 338

20.6.1 Redis實現扣減庫存 338

20.6.2 完美解決超賣問題 340

20.6.3 Redis分割庫存 341

20.6.4 緩存穿透技術 342

20.7 服務器性能優化 343

20.7.1 操作系統參數 343

20.7.2 優化套接字緩衝區 344

20.7.3 優化頻繁接收大文件 345

20.7.4 優化TCP連接 346

20.8 本章總結 347