关于Java并发编程-概念，你都懂多少？

　　并发编程是现代计算机软件最常见的编程模式，是操作系统到应用软件到分布式系统都要关心的问题，其核 心目标是解决并行事件的资源共享和访问问题。

　　自从学生时代，我就一直在学习和并试图理解这些概念。尤 其是在学操作系统时，曾经想得觉得自己脑壳都要爆炸了。许多东西是要随着知识和实际工作经验的增长 才能领悟的。现在的我觉得现在对这些概念的理解已经超出当初的理解水平，虽然许多更深入的概念和细节我现在都还是很糊涂，但为了梳理这些知识，防止遗忘， 在这儿把我对这些东西的理解，以及它们在Java中的应用讲出来。可惜现在操作系统的书已经很长时间不看了，肯定有许多不对的地方，如果您觉得不对，希望 您能及时指出。

　　一切都要从这个世界的并行性讲开。事物的发展总是并行进行的，汽车在奔驰的同时，自行车也在行驶;别人正在唱歌，你可能正在吃饭;等等。这些都是并行的例 子，就单个事物来看，它发展的动作一般是顺序进行，而多个事物之间一般谁也不会妨碍谁，除非它们的动作要作用在同一个对象上：汽车过十字路口的绿灯时，另 一个方向的汽车就不能行驶;如果你在食堂里举办歌舞晚会，别人就不能在这儿吃饭。

　　计算机软件的基本模型是顺序执行的，然而现代计算机在此基础上发展出了并发概念。什么是并发?什么是并行?它们之间的区别是什么?并发与并行是两个既相似 而又不相同的概念：并发性，又称共行性，是指能处理多个同时性活动的能力;并行是指同时发生的两个并发事件，具有并发的含义，而并发则不一定并行，也亦是 说并发事件之间不一定要同一时刻发生。并行一般是指没有互斥和同步的情况下独立进行同时发生的事件。因此单CPU操作系统的进程/线程严格意义上来说都不 能算是并行事件，毕竟它们都要使用同一个CPU，真正的并行出现在多处理器的计算机上，当进程/线程独立运行在不同的CPU上，而且没有不需要共享对象 时。粗略的说，没有资源互斥共享的进程和线程都是并行的。

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　　如果进程/线程没有共享任何数据，它们编程所关心的许多概念就不会存在。就像现实世界，如果任何两个人都是独立的，没有任何关系的，那么也不会存在社会的 各种机构来协调这些关系。在操作系统中，进程之间共享数据的方式一般通过IO(如：文件、管道、网络端口等等)，当然也有时会通过内存共享。这种松耦合的 共享造成的同步、互斥问题并不多。常见的同步问题发生同一进程内不同线程之间。由于线程存在于同个进程中，它们之间是可以共享内存的，所以就会有很多同步 和互斥的问题。

　　那么什么是同步，什么是互斥?同步和互斥往往是共生的。所谓的同步是指不同实体的动作按照某些特定条件的顺序执行。最常见的莫过于生产者和消费者之间的关 系。生产者的生产动作和消费者的消费动作是必须满足先后顺序的：只有生产者生产出东西来，消费者才能消费这些东西。它们之间就需要所谓的同步。什么是互 斥?互斥是指两个实体的动作不允许同时发生，如果同时发生就会产生不可以预期的结果。互斥是同步的前提，如果两个动作不是互斥的，就不可能保证其发生的顺 序。同步一定是互斥的，而互斥不一定需要同步。同步是固定顺序的动作的互斥。理解这一点非常重要。

　　举个我们都熟悉的例子，多个并发生产者和多个并发消费者。生产者生产的对象放在一个数组中，而消费者则从这个数组中获取对象。那么生产者的生产动作之间是 需要互斥的，但不需要同步。不管是A先放在数组，还是B先放在数组中，它们之间除了为避免将产品放在数组中同一位置上，需要互斥地访问数组外，是不需要规 定哪一个在前面放，哪一个在后面放的。它们之间的关系就属于互斥。而生产者和消费者之间就存在一个先后顺序问题，必须至少有生产者生产出产品放在数组中， 消费者才能开始消费。因此生产者生产和消费者消费之间的就是同步关系。此外，消费者和消费者之间的消费关系也是需要互斥的，这样才能避免两个消费者之间争 夺同数组里同一位置的对象。但是它们的消费行为是不需要同步的，只要互斥的进行就行了。

　　因此不同实体之间的动作有两个基本关系：同步和互斥。一般处理同步的方法是建立在互斥的基础上的。互斥的机制一般需要通过操作系统甚至底层硬件提供的信号 量、管程(管程是建立在信号量基础上的更高层构件)等底层机制来实现。Java语言中通过提供互斥原语synchronized(虽然叫同步，更准确的说 应该是互斥mutex)来保证的，当然Java实 际上是通过JVM的monitor_enter和monitor_exit指令来实现的，这些指令最终以底层操作系统提供的机制来实现。同步的实现除了要 依靠互斥原语，还要结合条件判断和线程挂起等语言构件来实现。其原理比较简单，首先要通过原语synchronized互斥两个需要同步的动作(也称作临 界代码)，当某个动作(比如消费)获得信号锁进入管程时，它首先判断某个条件是否满足(是否有可消费对象)，不满足则挂起当前线程，释放信号锁，允许其他 线程进入。当其他线程(比如生产者)进入后，也是检查是否满足某些条件(比如数组是否有空闲)，如果不满足则和前面线程一样释放信号锁并挂起线程，如果满 足(有空闲)则进行动作(生产并放在数组空闲处)，然后这个动作一般要负责激活其他挂起的线程(当然也可以不负责任，其结果是往往造成死锁)，然后自己释 放信号锁退出管程。其他被激活的线程进入下一轮竞争，谁获得信号锁后继续检查它需要的条件是否满足，如此继续下去。

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