极客大学架构师训练营 性能优化 进程 线程 锁 存储 分布式数据库 第14课 听课总结
说明
讲师：李智慧
操作系统
架构师要头脑中要实时运行操作系统的架构，一看到指标有异常，就要知道可能哪些地方有问题。
程序运行时架构
程序是静态的。
程序运行起来以后，被称作进程。
进程是有生命的，程序代码是静态的。
程序代码运行起来后，在堆内存空间操作数据才会有数据冲突，程序调用是在栈内存空间调用指令。
操作系统多任务运行环境
计算机的 CPU 核心数是有限的。但是，服务器可以同时处理数以百计甚至数以千计的并发用户请求。
那么，计算机如何做到的？
- 进程分时执行。
多个进程是活着的，但是不是每个进程都是同时执行的，是CPU在按照分时执行的，因为时间片比较小，所以用户感觉到都是一起执行的。就像播放视频一样，视频的原理是图片快速切换，比如1秒钟60帧，切换60张图片，感觉就是动的。
也就是多个进程存在争夺资源，比如锁，修改数据等。
进程的运行期状态
运行：当一个进程在 CPU 上运行时，则称该进程处于运行状态。处于运行状态的进程的数目小于等于 CPU 的数目。
就绪：当一个进程获得了除 CPU 以外的一切所需资源，只要得到 CPU 即可运行，则称此进程处于就绪状态，就绪状态有时候也称为等待运行状态。
阻塞：也称为等待或者睡眠状态，当一个进程正在等待某一事件发生（例如等待 I/O 完成，等待锁…）而暂时停止运行，这时即使把 CPU 分配给进程也无法运行，故称该进程处于阻塞状态。
进程 vs 线程
不同进程轮流在 CPU 上执行，每次都要进行进程间 CPU 切换，代价非常大。因此服务器应用通常是单进程多线程。
进程从操作系统获得基本的内存空间，所有的线程共享着进程的内存地址空间。而每个线程也会拥有自己私有的内存地址范围，其他线程不能访问。
线程栈
void f(){int x = g(1);x++; // g 函数返回，当前堆栈顶部为f函数栈帧，在当前栈帧继续执行f函数的代码.
}int g(int x) {return x + 1;
}
什么情况下回Stack Overflow？
- 栈初始化小了，函数调用过多，栈就满了。
- 无限递归，没有出口函数，一定会把栈打满了。
Java Web 应用多线程运行时视图
Tomcat 启动的时候做了什么？ Tomcat启动JVM进程，JVM进程启动Tomcat进程，用下面的指令。
java org.apache.catalina.startup.Bootstrap "$@" start
Tomcat启动以后，还启动了一堆线程，也就是开辟一个线程池。当有一个用户请求，则分配一个线程。线程调用应用程序，比如servelet响应request，response。
线程做的事情，就是执行代码。方法执行就是栈中的指令。在不同的栈帧中，线程是互不影响的。也就是线程内的临时变量，是安全的。这也是推荐无状态编程的原因。
线程安全
在某些代码修改内存堆（进程共享内存）里的数据的时候，如果多个线程在同时执行，就可能会出现同事修改数据的情况，比如，两个线程同时对同一个堆中的数据执行 +1 操作，最终数据只会被加一次，这就是人们常说的线程安全问题，实际上线程的结构应该是依次 +1， 即最终结果应该是 +2.
临界区
多个线程访问共享资源的这段代码被称为临界区，解决线程安全问题的主要方法是使用锁，将临界区的代码加锁，只有获得锁的线程才能执行临界区代码。
lock.lock(); // 线程获得锁
i++; // 临界区代码，i位位于堆中
lock.unlock(); // 线程释放锁
阻塞导致高并发系统崩溃
锁（IO）会引起线程阻塞。阻塞导致线程既不能继续执行，也不能释放资源。进而导致资源耗尽，最终导致系统崩溃。
瓶颈有两个：
- 监听接收请求的端口，攻击方如果用慢字节短字节访问，一台笔记本可以压垮几十台服务器。
- 数据库的慢SQL查询，导致其它操作阻塞。
避免阻塞引起的崩溃
- 限流：控制进入计算机的请求数，进而减少创建的线程数。
- 降级：关闭部分功能程序的执行，尽早释放线程。
- 反应式：异步；无临界区（Actor模型）
锁
锁原语 CAS (Compare-And-Swap)
CAS(V, E, N)
- V 表示更新的变量
- E 表示预期值
- N 表示新值
如果V值等于E值，则将V的值设为N，若V值和E值不同，什么都不做。
CAS是一种系统原语，原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断。
Java 通过 CAS原语在对象头中修改Mark Work实现加锁
| Mark Word (64 bits) | 锁状态 |
|---|---|
unused: 25
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