Java 高性能编程

导读：Java作为一门解释型语言，拥有无与伦比的跨平台优势。但是同时也造成了效率上的不足。虽然Java解释器经过多次优化，但是在很多场景上的执行效率依旧赶不上原生的语言，比如C、C++。
本文所指的高性能编程，是指借助Java的多线程并发，高网络并发等特性实现Java高性能编程。

1. 多线程并发编程

多线程编程主要分析Java线程编程的原理，遇到的问题，以及解决方法和注意事项。

1.1 Java 程序运行原理分析

Java 运行程序简介：

.java 源码经过编译生成.class字节码，然后交由java解释器运行，具体内容如下：

java 高性能集合 java高性能编程_java

1.1.1 JVM 运行时数据

线程独占：每个线程都会有它独立的空间，随着线程生命周期创建和销毁。
线程共享：所有线程能访问这块内存数据，随虚拟机或者GC而创建和销毁。

1.1.2 方法区

JVM用来存储加载的类信息、常量、静态变量、编译后的代码等数据
虚拟机规范中这是一个逻辑区划。具体实现根据不同虚拟机来实现。
如：oracle的Hotspot在java7中方法区放在永久代，java8放在元数据空间，并
且通过GC机制对这个区域逬行管理

1.1.3 堆内存

堆内存还可以细分为：老年代、新生代（Eden、From Survivor、To Survivor) JVM启动时创建，存放对象的实例。垃圾回收器主要就是管理堆内存。
如果满了，就会出现OutOfMemroyError，后续在内存模型中，详细讲解。

1.1.4 虚拟机栈

虚拟机栈，每个线程都在这个空间有一个私有的空间。
线程栈由多个栈帧（Stack Frame)组成。
一个线程会执行一个或多个方法，一个方法对应一个栈帧
栈帧内容包含：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址、附加信息等。
钱内存默认最大是1M，超出则抛出StackOverflowError

1.1.5 本地方法栈

和虚拟机栈功能类似，虚拟机栈是为虚拟机执行JAVA方法而准备的，本地方法 栈是为虚拟机使用Native本地方法而准备的。
虚拟机规范没有规定具体的实现，由不同的虚拟机厂商去实现。
HotSpot虚拟机中虚拟机栈和本地方法栈的实现式一样的。同样，超出大小以后也会抛出StackOverflowError

1.1.6 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register)记录当前线程执行字节码的位置，存储的
是字节码指令地址，如果执行Native方法，则计数器值为空。
每个线程都在这个空间有一个私有的空间，占用内存空间很少。
CPU同一时间，只会执行一条线程中的指令。JVM多线程会轮流切换并分配CPU执行
时间的方式。为了线程切换后，需要通过程序计数器，来恢复正确的执行位置。

1.2 线程状态 —— New、Runnable、Blocked、Watting、Timed Watting、Terminated

6种线程的状态的定义：java.lang.Thread.State

  • New ：尚未启动的线程的线程状态
  • Runnable ：可运行线程的线程状态，等待CPU调度
  • Blocked:线程阻塞，等待监视器锁定的线程状态
    处于synchronized同步代码块的或方法中被阻塞
  • Watting：等待线程的线程状态，下列不带超时的方式
    Object.wait、Thread.join、LockSupport.park
  • Timed Watting:具有指定等待时间的等待线程的线程状态。下列带超时的方式：
    Thread.sleep、Object.wait、Thread.join、LockSupport.parkNanos、LockSupport.parkUntil
  • Terminated:终止线程的线程状态。线程正常完成执行或者出现异常。

1.3 线程终止 ——stop、interrupt、标志位

  • 不正确的线程终止 -Stop

stop：中止线程，并且清除监控器锁的信息，但是可能导致线程安全问题，JDK不建议使用
Destory:JDK 未实现该方法。

  • 正确的线程终止-interrupt

如果目标线程在调用Object class的wait()、wait(long) 或wait(long，int)方法、join()、
join(long，int) 或sleep(long，int)方法时被阻塞，那么Interrupt会生效，该线程的中断状态将
被清除，抛出InterruptedException 异常。
如果目标线程是被I/O或者NIO中的Channel所阻塞，同样，丨/〇操作会被中断$者返回特殊异
常值。达到终止线程的目的。
如果以上条件都不满足，则会设置此线程的中断状态。

/**
 * 示例3 - 线程stop强制性中止，破坏线程安全的示例
 */
public class Demo3 {
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    StopThread thread = new  ();
    thread.start();
    // 休眠1秒，确保i变量自增成功
    Thread.sleep(1000);
    // 暂停线程
    thread.stop(); // 错误的终止
    // thread.interrupt(); // 正确终止
    while (thread.isAlive()) {
      // 确保线程已经终止
    } // 输出结果
    thread.print();
  }
}
public class StopThread extends Thread {
  private int i = 0, j = 0;
  @Override
  public void run() {
    synchronized (this) {
        // 增加同步锁，确保线程安全
        ++i;
        try {
          // 休眠10秒,模拟耗时操作
          Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
        ++j;
    }
  }
  /** * 打印i和j */
  public void print() {
  System.out.println("i=" + i + " j=" + j);
  }
}
  • 正确的线程中止-标志位

标志位是在代码逻辑中，增加一个判断，用来控制线程执行的中止。

public class Demo4 extends Thread {
public volatile static boolean flag=true;
	
	public static void main(String[] args) throws
    Interrupted Exception {
	newThread(() ->{
		try{
			while(flag) {//判断是否运行
				System.out.println("运行中
				Thread.sleep(1000L);
			}
		   } catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTraceO;
		   }
		}).start();
//3秒之后，将状态标志改为False,代表不继续运行
   Thread.sleepf(3000L);
   flag=false;
  Sysem.out.println("程序运行结束");
  }
}

1.4 内存屏障和CPU缓存

  • CPU缓存简介

为了提高程序运行的性能，现代CPU在很多方面对程序进行了优化。
例如：CPU高速缓存。尽可能地避免处理器访问主内存的时间幵销，处理器大多会利用缓
存(cache)以提局性能。

java 高性能集合 java高性能编程_Java_02

  • 多级缓存简介

L1 Cache(_级缓存)是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。一般服务器CPU的L1
缓存的容量通常在32—4096KB。
L2由于L1级高速缓存容量的限制，为了再次提高CPU的运算速度，在CPU外部放置一高速存
储器，即二级缓存。
L3现在的都是内置的。而它的实际作用即是，L3缓存的应用可以进一步降低内存延迟，同时
提升大数据量计算时处理器的性能。具有较大L3缓存的处理器提供更有效的文件系统缓存行为
及较短消息和处理器队列长度。一般是多核共享一个L3缓存！
CPU在读取数据时，先在L1中寻找，再从L2寻找，再从L3寻找，然后是内存，再后是外存储器。

  • 缓存同步协议

多CPU读取同样的数据进行缓存，进行不同运算之后，最终写入主内存以哪个CPU为准？
在这种高速缓存回写的场景下，有一个缓存一致性协议多数cpur^商对它进行了实现。
MESI协议，它规定每条缓存有个状态位，同时定义了下面四个状
修改态（ Modified) ——此 cache行已被修改过（脏行），内容已不同于主存，为此cache专有；
专有态（ Exclusive)——此 cache行内容同于主存，但不出现于其它cache中；
共享态（ Shared)——此 cache行内容同于主存，但也出现于其它cache中；
无效态（ Invalid)——此 cache行内容无效（空行）。
多处理器时，单个CPU对缓存中数据逬行了改动，需要通知绐其他CPU。
也就是意味着，CPU处理要控制自己的读写操作，还要监听其他CPU发出的通知，从而保证最终一致。

  • CPU性能优化手段——运行时指令重排

指令重排的场景:当CP∪写缓存时发现缓存区块正被其他CPU占用,为了提高CPU处理性能,可能将后面的读缓存命令优先执行。
并非随便重排,需要遵守as-if- seria语义
as- - if-seria语乂的意思指:不管怎么重排序(编译器和处理器为了提高并行度),(单线程)程序的执行结果不能被改变。编译器, runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。
也就是说:编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序。

CPU缓存和指令重排带来以下两个问题：

1、CPU高速缓存下有一个问题
缓存中的数据与主内存的数据并不是实时同步的,各CPU(或CPU核心)间缓存的数据也不是
实时同步。在同一个时间点,各CPU所看到同一内存地址的数据的值可能是不一致的。
2、CPU执行指令重排序优化下有一个问题
虽然遵守了as-f- serial语义,单仅在单CPU自己执行的情况下能保证结果正确。
多核多线程中,指令逻辑无法分辨因果关联,可能岀现乱序执行,导致程序运行结果错误。

为了解决以上两个问题，处理器提供了两个内存屏障指令( Memory Barrier):

写内存屏障( Store Memory Barrier):在指令后插入 Store barrier,能让写入缓存中的最新
数据更新写入主内存,让其他线程可见。
强制写入主内存,这种显示调用,CPU就不会因为性能考虑而去对指令重排。
读内存屏障( Load Memory Barrier):在指令前插入 Load Barrier,可以让高速缓存中的数
据失效,强制从新从主內存加载数据。
强制读取主內存內容,让CPU缓存与主內存保持一致,避免了缓存导致的一致性问题

1.5 线程间通信

要想实现多个线程之间的协同，如：线程执行先后顺序、获取某个线程执行的结果等等
涉及到线程之间相互通信，分为下面四类：

  1. 文件共享
  2. 网络共享
  3. 共享变量
  4. jdk提供的线程协调API
    细分为：suspend/resumes、 wait/notify、 park/unpark

未完待续…