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并发编程的Java抽象
2011-09-29 14:55:39           
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各种程序员都工作在各自的程序抽象维度,如果我们发现解决一件事情比较难,也许是我们面对的抽象级别还不够高,或者引入的间接程度不够,本文以抽象角度来剖析并发编程
一、机器和OS级别抽象
(1) 冯诺伊曼模型
经典的顺序化计算模型,貌似可以保证顺序化一致性,但是没有哪个现代的多处理架构会提供顺序一致性,冯氏模型只是现代多处理器行为的模糊近似。
这个计算模型,指令或者命令列表改变内存变量直接契合命令编程泛型,它以显式的算法为中心,这和声明式编程泛型有区别。就并发编程来说,会显著的引入时间概念和状态依赖
所以所谓的函数式编程可以解决其中的部分问题。

(2) 进程和线程
进程抽象运行的程序,是操作系统资源分配的基本单位,是资源cpu,内存,IO的综合抽象。
线程是进程控制流的多重分支,它存在于进程里,是操作系统调度的基本单位,线程之间同步或者异步执行,共享进程的内存地址空间。

(3)  并发与并行
并发,英文单词是concurrent,是指逻辑上同时发生,有人做过比喻,要完成吃完三个馒头的任务,一个人可以这个馒头咬一口,那个馒头咬一口,这样交替进行,最后吃完三个馒头,这就是并发,因为在三个馒头上同时发生了吃的行为,如果只是吃完一个接着吃另一个,这就不是并发了,是排队,三个馒头如果分给三个人吃,这样的任务完成形式叫并行,英文单词是parallel。
回到计算机概念,并发应该是单CPU时代或者单核时代的说法,这个时候CPU要同时完成多任务,只能用时间片轮转,在逻辑上同时发生,但在物理上是串行的。现在大多数计算机都是多核或者多CPU,那么现在的多任务执行方式就是物理上并行的。
为了从物理上支持并发编程,CPU提供了相应的特殊指令,比如原子化的读改写,比较并交换。

(4) 平台内存模型 
在可共享内存的多处理器体系结构中,每个处理器都有它自己的缓存,并且周期性的与主存同步,为什么呢?因为处理器通过降低一致性来换取性能,这和CAP原理通过降低一致性来获取伸缩性有点类似,所以大量的数据在CPU的寄存器中被计算,另外CPU和编译器为了性能还会乱序执行,但是CPU会提供存储关卡指令来保证存储的同步,各种平台的内存模型或者同步指令可能不同,所以这里必须介入对内存模型的抽象,JMM就是其中之一。

二、编程模型抽象
(1) 基于线程模型
(2) 基于Actor模型
(3) 基于STM软件事务内存
........
Java体系是一个基于线程模型的本质编程平台,所以我们主要讨论线程模型。

三、并发单元抽象
大多数并发应用程序都是围绕执行任务进行管理的,任务是抽象,离散的工作单元,所以编写并发程序,首要工作就是提取和分解并行任务。一旦任务被抽象出来,他们就可以交给并发编程平台去执行,同时在任务抽象还有另一个重要抽象,那就是生命周期,一个任务的开始,结束,返回结果,都是生命周期中重要的阶段。那么编程平台必须提供有效安全的管理任务生命周期的API。

四、线程模型
线程模型是Java的本质模型,它无所不在,所以Java开发必须搞清楚底层线程调度细节,不搞清楚当然就会有struts1,struts2的原理搞不清楚的基本灾难(比如在struts2的action中塞入状态,把struts2的action配成单例)。
用线程来抽象并发编程,是比较低级别的抽象,所以难度就大一些,难度级别会根据我们的任务特点有以下几个类别
(1) 任务非常独立,不共享,这是最理想的情况,编程压力为0。
(2) 共享数据,压力开始增大,必须引入锁,Volatile变量,问题有活跃度和性能危险。
(3) 状态依赖,压力再度增大,这时候我们基本上都是求助jdk 提供的同步工具。

五、任务执行
任务是一个抽象体,如果被抽象了出来,下一步就是交给编程平台去执行,在Java中,描述任务的一个基本接口是Runnable,可是这个抽象太有限了,它不能返回值和抛受检查异常,所以Jdk5.0有另外一个高级抽象Callable。
任务的执行在Jdk中也是一个底级别的Thread,线程有好处,但是大量线程就有大大的坏处,所以如果任务量很多我们并不能就创建大量的线程去服务这些任务,那么Jdk5.0在任务执行上做了抽象,将任务和任务执行隔离在接口背后,这样我们就可以引入比如线程池的技术来优化执行,优化线程的创建。
任务是有生命周期的,所以Jdk5.0提供了Future这个对象来描述对象的生命周期,通过这个future可以取到任务的结果甚至取消任务。

六、锁
当然任务之间共享了数据,那么要保证数据的安全,必须提供一个锁机制来协调状态,锁让数据访问原子,但是引入了串行化,降低了并发度,锁是降低程序伸缩性的原罪,锁是引入上下文切换的主要原罪,锁是引入死锁,活锁,优先级倒置的绝对原罪,但是又不能没有锁,在Java中,锁是一个对象,锁提供原子和内存可见性,Volatile变量提供内存可见性不提供原子,原子变量提供可见性和原子,通过原子变量可以构建无锁算法和无锁数据结构,但是这需要高高手才可以办到。

作者“Adley”
 
 

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