目錄



第1章走入並行世界 1
1.1何去何從的並行計算 1
1.1.1忘掉那該死的並行 2
1.1.2可怕的現實：摩爾定律的失效 4
1.1.3柳暗花明：不斷地前進 5
1.1.4光明或是黑暗 6
1.2你必須知道的幾個概念 7
1.2.1同步（Synchronous）和異步（Asynchronous） 7
1.2.2並發（Concurrency）和並行（Parallelism） 8
1.2.3臨界區 9
1.2.4阻塞（Blocking）和非阻塞（Non-Blocking） 9
1.2.5死鎖（Deadlock）、饑餓（Starvation）和活鎖（Livelock） 10
1.3並發級別 11
1.3.1阻塞 11
1.3.2無饑餓（Starvation-Free） 11
1.3.3無障礙（Obstruction-Free） 12
1.3.4無鎖（Lock-Free） 13
1.3.5無等待（Wait-Free） 13
1.4有關並行的兩個重要定律 14
1.4.1Amdahl定律 14
1.4.2Gustafson定律 16
1.4.3是否相互矛盾 17
1.5回到Java：JMM 18
1.5.1原子性（Atomicity） 18
1.5.2可見性（Visibility） 20
1.5.3有序性（Ordering） 22
1.5.4哪些指令不能重排：Happen-Before規則 27
第2章Java並行程序基礎 29
2.1有關線程你必須知道的事 29
2.2初始線程：線程的基本操作 32
2.2.1新建線程 32
2.2.2終止線程 34
2.2.3線程中斷 38
2.2.4等待（wait）和通知（notify） 41
2.2.5掛起（suspend）和繼續執行（resume）線程 45
2.2.6等待線程結束（join）和謙讓（yield） 48
2.3volatile與Java內存模型（JMM） 50
2.4分門別類的管理：線程組 53
2.5駐守後臺：守護線程（Daemon） 54
2.6先做重要的事：線程優先級 55
2.7線程安全的概念與關鍵字synchronized 57
2.8程序中的幽靈：隱蔽的錯誤 61
2.8.1無提示的錯誤案例 61
2.8.2並發下的ArrayList 62
2.8.3並發下詭異的HashMap 64
2.8.4初學者常見的問題：錯誤的加鎖 66
第3章JDK並發包 69
3.1多線程的團隊協作：同步控制 69
3.1.1超越synchronized的同步工具：重入鎖 70
3.1.2重入鎖的好搭檔：Condition 79
3.1.3允許多個線程同時訪問：信號量（Semaphore） 83
3.1.4ReadWriteLock讀寫鎖 85
3.1.5倒計數器：CountDownLatch 88
3.1.6循環柵欄：CyclicBarrier 89
3.1.7線程阻塞工具類：LockSupport 93
3.1.8深入理解鎖：AbstractQueuedSynchronizer 96
3.1.9 Guava和RateLimiter限流 105
3.2線程復用：線程池 108
3.2.1什麼是線程池 109
3.2.2不要重復發明輪子：JDK對線程池的支持 110
3.2.3刨根究底：核心線程池的內部實現 116
3.2.4超負載了怎麼辦：拒絕策略 120
3.2.5自定義線程創建：ThreadFactory 122
3.2.6我的應用我做主：擴展線程池 123
3.2.7合理的選擇：優化線程池線程數量 126
3.2.8堆棧去哪裡了：在線程池中尋找堆棧 127
3.2.9分而治之：Fork/Join框架 131
3.2.10Guava中對線程池的擴展 135
3.3不要重復發明輪子：JDK的並發容器 137
3.3.1超好用的工具類：並發集合簡介 137
3.3.2線程安全的HashMap 138
3.3.3深入淺出ConcurrentHashMap 139
3.3.4有關List的線程安全 145
3.3.5高效讀寫的隊列：深度剖析ConcurrentLinkedQueue類 145
3.3.6高效讀取：不變模式下的CopyOnWriteArrayList類 151
3.3.7數據共享通道：BlockingQueue 152
3.3.8隨機數據結構：跳表（SkipList） 157
3.4使用JMH進行性能測試 159
3.4.1什麼是JMH 160
3.4.2Hello JMH 160
3.4.3JMH的基本概念和配置 163
3.4.4理解JMH中的Mode 164
3.4.5理解JMH中的State 166
3.4.6有關性能的一些思考 166
3.4.7CopyOnWriteArrayList類與ConcurrentLinkedQueue類 169
第4章鎖的優化及注意事項 172
4.1有助於提高鎖性能的幾點建議 173
4.1.1減少鎖持有時間 173
4.1.2減小鎖粒度 174
4.1.3用讀寫分離鎖來替換獨占鎖 175
4.1.4鎖分離 175
4.1.5鎖粗化 178
4.2Java虛擬機對鎖優化所做的努力 179
4.2.1鎖偏向 179
4.2.2輕量級鎖 180
4.2.3自旋鎖 180
4.2.4鎖消除 180
4.3人手一支筆：ThreadLocal 181
4.3.1ThreadLocal的簡單使用 181
4.3.2ThreadLocal的實現原理 183
4.3.3對性能有何幫助 189
4.3.4線程私有的隨機數發生器ThreadLocalRandom 192
4.4無鎖 197
4.4.1與眾不同的並發策略：比較交換 197
4.4.2無鎖的線程安全整數：AtomicInteger 198
4.4.3Java中的指針：Unsafe類 200
4.4.4無鎖的對像引用：AtomicReference 202
4.4.5帶有時間戳的對像引用：AtomicStampedReference 205
4.4.6數組也能無鎖：AtomicIntegerArray 208
4.4.7讓普通變量也享受原子操作：AtomicIntegerFieldUpdater 209
4.4.8挑戰無鎖算法：無鎖的Vector實現 211
4.4.9讓線程之間互相幫助：細看SynchronousQueue的實現 216
4.5有關死鎖的問題 220
第5章並行模式與算法 224
5.1探討單例模式 224
5.2不變模式 228
5.3生產者-消費者模式 230
5.4高性能的生產者-消費者模式：無鎖的實現 235
5.4.1無鎖的緩存框架：Disruptor 235
5.4.2用Disruptor框架實現生產者-消費者模式的案例 236
5.4.3提高消費者的響應時間：選擇合適的策略 240
5.4.4CPU Cache的優化：解決偽共享問題 241
5.5Future模式 244
5.5.1Future模式的主要參與者 247
5.5.2Future模式的簡單實現 247
5.5.3JDK中的Future模式 250
5.5.4Guava對Future模式的支持 252
5.6並行流水線 254
5.7並行搜索 258
5.8並行排序 260
5.8.1分離數據相關性：奇偶交換排序 260
5.8.2改進的插入排序：希爾排序 264
5.9並行算法：矩陣乘法 268
5.10準備好了再通知我：網絡NIO 272
5.10.1基於Socket的服務端多線程模式 273
5.10.2使用NIO進行網絡編程 278
5.10.3使用NIO實現客戶端 286
5.11讀完了再通知我：AIO 288
5.11.1AIO EchoServer的實現 288
5.11.2AIO客戶端的實現 291
第6章Java 8/9/10與並發 294
6.1Java 8的函數式編程簡介 294
6.1.1函數作為一等公民 295
6.1.2無副作用 296
6.1.3聲明式的編程方式 296
6.1.4不變的對像 297
6.1.5易於並行 297
6.1.6更少的代碼 297
6.2函數式編程基礎 298
6.2.1FunctionalInterface注釋 298
6.2.2接口默認方法 299
6.2.3lambda表達式 303
6.2.4方法引用 304
6.3一步一步走入函數式編程 306
6.4並行流與並行排序 311
6.4.1使用並行流過濾數據 311
6.4.2從集合得到並行流 312
6.4.3並行排序 312
6.5增強的Future：CompletableFuture 313
6.5.1完成了就通知我 313
6.5.2異步執行任務 314
6.5.3流式調用 316
6.5.4CompletableFuture中的異常處理 316
6.5.5組合多個CompletableFuture 317
6.5.6支持timeout的CompletableFuture 319
6.6讀寫鎖的改進：StampedLock 319
6.6.1StampedLock的使用示例 320
6.6.2StampedLock的小陷阱 321
6.6.3有關StampedLock的實現思想 323
6.7原子類的增強 326
6.7.1更快的原子類：LongAdder 327
6.7.2LongAdder功能的增強版：LongAccumulator 334
6.8ConcurrentHashMap的增強 335
6.8.1forEach操作 335
6.8.2reduce操作 335
6.8.3條件插入 336
6.8.4search操作 337
6.8.5其他新方法 338
6.9發布訂閱模式 338
6.9.1 簡單的發布訂閱模式案例 340
6.9.2 數據處理鏈 342
第7章使用Akka構建高並發程序 344
7.1新並發模型：Actor 345
7.2Akka之Hello World 345
7.3有關消息投遞的一些說明 348
7.4Actor的生命周期 350
7.5監督策略 354
7.6選擇Actor 359
7.7消息收件箱（Inbox） 359
7.8消息路由 361
7.9Actor的內置狀態轉換 364
7.10詢問模式：Actor中的Future 367
7.11多個Actor同時修改數據：Agent 369
7.12像數據庫一樣操作內存數據：軟件事務內存 372
7.13一個有趣的例子：並發粒子群的實現 376
7.13.1什麼是粒子群算法 377
7.13.2粒子群算法的計算過程 377
7.13.3粒子群算法能做什麼 378
7.13.4使用Akka實現粒子群算法 379
第8章並行程序調試 388
8.1準備實驗樣本 388
8.2正式起航 389
8.3掛起整個虛擬機 392
8.4調試進入ArrayList內部 393
第9章多線程優化示例——Jetty核心代碼分析 397
9.1Jetty簡介與架構 397
9.2Jetty服務器初始化 399
9.2.1初始化線程池 399
9.2.2初始化ScheduledExecutorScheduler 401
9.2.3初始化ByteBufferPool 402
9.2.4維護ConnectionFactory 405
9.2.5計算ServerConnector的線程數量 406
9.3啟動Jetty服務器 406
9.3.1設置啟動狀態 406
9.3.2注冊ShutdownMonitor 407
9.3.3計算繫統的線程數量 407
9.3.4啟動QueuedThreadPool 408
9.3.5啟動Connector 408
9.4處理HTTP請求 411
9.4.1Accept成功 411
9.4.2請求處理 413

關於Java與並行

由於單核CPU的主頻逐步逼近極限，多核CPU架構成了一種必然的技術趨勢，因此多線程並行程序便顯得越來越重要。並行計算的一個重要應用場景就是服務端編程。目前服務端CPU的核心數已經輕松超越10個，而Java顯然是當下流行的服務端編程語言，且已經更新到JDK 14，因此熟悉和了解基於Java的並行程序開發有著重要的實用價值。

本書特色

本書的主要特色如下。

1. 結構清晰。本書一共9章，總體上循序漸進、逐步提升。每一章都有鮮明的側重點，有利於讀者快速抓住重點。

2. 理論結合實戰。本書注重實戰，書中重要的知識點都安排了代碼實例，從而利於讀者理解，同時對繫統的內部實現原理進行了深度剖析。

3. 通俗易懂。本書盡量避免采用過於理論化的描述方式，簡單的白話文風格貫穿全書，配圖基本上為手工繪制示意圖，降低了理解難度，並盡量做到讓讀者在閱讀過程中少盲點、無盲點。

適合閱讀人群

雖然本書力求通俗，但是要通讀本書並取得良好的學習效果，仍要求讀者具備基本的Java知識或者一定的編程經驗。因此，本書適合以下讀者。

l 擁有一定開發經驗的Java平臺開發人員（Java、Scala、JRuby等）。

l 軟件設計師、架構師。

l 繫統調優人員。

l 有一定的Java編程基礎並希望進一步加深對並行程序的理解的研發人員。

葛一鳴