今天深度學(xué)習(xí)一下《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》的第1章并發(fā)編程的挑戰(zhàn)，深入理解Java多線程，看看多線程中的坑。

注意，哈肯的程序員讀書筆記并不是抄書，而是將書中精華內(nèi)容和哈肯的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，給你系統(tǒng)地講述我對(duì)相關(guān)知識(shí)理解。如果你發(fā)現(xiàn)哈肯講的內(nèi)容跟書中內(nèi)容差異很大也不足為奇。

1 多線程的使用場(chǎng)景

在實(shí)際的商業(yè)系統(tǒng)中，為了提升程序的性能，我們經(jīng)常會(huì)使用到多線程。java多線程也是后臺(tái)開發(fā)崗、Android開發(fā)崗招聘面試和筆試時(shí)的熱門問題。至少，到目前為止我面試過的200多位開發(fā)同學(xué)時(shí)，以及我曾經(jīng)的幾次求職被面試時(shí)，多半都會(huì)問java多線程并發(fā)相關(guān)的問題。

2 多線程的缺點(diǎn)

多線程能充分利用多核CPU的特性，但并不意味著多線程就一定比單線程更快，并發(fā)編程也存在許多限制和挑戰(zhàn)，例如多線程間的上下文切換會(huì)有開銷、多線程中的數(shù)據(jù)一致性問題、線程死鎖問題、系統(tǒng)資源限制。

2.1 上下文切換的開銷

（1）上下文切換的開銷

CPU使用時(shí)間片算法，將處理時(shí)間輪著分配給不同的線程，所以即使是單核CPU也支持多線程，這個(gè)時(shí)間片非常短，一般是幾十毫秒（ms），CPU不停的切換線程執(zhí)行，讓我們感覺多個(gè)線程是同時(shí)執(zhí)行的。CPU在切換線程前會(huì)保存上一個(gè)任務(wù)的狀態(tài)，以便下次切換回這個(gè)線程時(shí)，可以正常繼續(xù)執(zhí)行。我們把線程的狀態(tài)保存到再加載的過程稱為一次上下文切換。

《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》作者寫了一段程序，讓2個(gè)線程同時(shí)不斷地做變量自增操作，結(jié)果證明用2個(gè)線程并行甚至比單線程串行更慢一些。通過使用Lmbench3測(cè)量上下文切換的時(shí)長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)上述多線程代碼中每秒高達(dá)1000多次的線程上下文切換。因此不是多線程就一定更快，還要看在線程中干了什么。

（2）如何減少上下文切換

減少上下文切換的方法有：無鎖并發(fā)編程、CAS算法、減少不必要的線程、使用協(xié)程。

• 無鎖并發(fā)編程。多線程競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)，會(huì)引起上下文切換，通過避免使用鎖，可以減少線程的切換，例如將數(shù)據(jù)用ID分段，不同的線程處理不同段的數(shù)據(jù)。
• CAS算法。Java的Atomic包使用CAS算法來更新數(shù)據(jù)，而不需要加鎖。
• 減少不必要的線程。當(dāng)任務(wù)很少時(shí)，盡量減少不必要的線程，避免造成大量線程都處于等待狀態(tài)。
• 協(xié)程：在單線程里實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度，并在單線程里維持多個(gè)任務(wù)間的切換。

2.2 多線程中的數(shù)據(jù)一致性問題

（1）線程中訪問外部數(shù)據(jù)的過程

每個(gè)線程都有自己的棧，保存線程中創(chuàng)建的局部變量，如果線程中使用到外部的變量，則線程通常會(huì)把改外部變量復(fù)制一份到線程棧中，當(dāng)修改完后，再將數(shù)據(jù)同步回外部。

（2）線程內(nèi)操作的原子性問題

一個(gè)操作會(huì)由多個(gè)cpu指令構(gòu)造。例如，創(chuàng)建對(duì)象操作大致分為幾步：為對(duì)象分配內(nèi)存、成員變量的值初始化、調(diào)用構(gòu)造方法、返回對(duì)象的引用；又例如，線程中對(duì)一個(gè)外部變量的賦值（修改）操作大致分為幾步：在當(dāng)前線程棧創(chuàng)建變量副本，修改變量值，將變量值的修改同步回外部，由于CPU的時(shí)間片機(jī)制，每個(gè)線程獲得時(shí)間片后，能執(zhí)行的指令數(shù)量是有限的，可能一個(gè)操作還未完成，而時(shí)間片到了，需要保存上下文并切換到下一個(gè)線程。因此，無法保證操作的原子性。

（3）共享數(shù)據(jù)的可見性問題

觀察上述的原子性問題中的例子，線程中對(duì)一個(gè)外部變量的賦值，可能線程A中剛創(chuàng)建了外部變量的副本，而線程B已經(jīng)對(duì)該外部變量進(jìn)行了修改，但線程A中是不知道的。即，一個(gè)線程對(duì)共享數(shù)據(jù)的修改，不能立刻被其他線程所看見，這就引起了數(shù)據(jù)一致性的問題。

（4）有序性問題

CPU單個(gè)核中，包含多個(gè)ALU單元（Arithmetic Logic Unit，即算術(shù)邏輯單元），用來執(zhí)行算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。目前Intel的Haswell架構(gòu)的CPU（第四代酷睿處理器開始）有4個(gè)ALU單元。所以單核CPU在同一時(shí)刻是同時(shí)執(zhí)行多個(gè)指令的。CPU會(huì)把多條指令進(jìn)行重排序，把沒有依賴關(guān)系的指令同時(shí)放到各ALU中執(zhí)行。例如3個(gè)操作按如下順序?qū)懘a a=1; b=2; c=a+b; 由于a=1和b=2不存在依賴關(guān)系，2個(gè)指令可能會(huì)被重排序，而c=a+b存在依賴關(guān)系，這個(gè)指令一定會(huì)在前2個(gè)指令執(zhí)行完后再執(zhí)行，最終一定是c=3。請(qǐng)看如下代碼：

public class VolatileTest {
    private int a = 1;
    private boolean status = false;

    public void setStatus() {
        a = 2;
        status = true;
    }
 
    public void test() {
        if (status) {
            int b = a + 1;
            System.out.print(b);
        }
    }
}

（5）如何解決多線程的數(shù)據(jù)一致性問題

由于以上4點(diǎn)，引發(fā)了多線程中數(shù)據(jù)的一致性問題。解決辦法主要有2個(gè)：

• 使用volatile關(guān)鍵字。相對(duì)synchronized來說，volatile是一種輕量級(jí)的同步機(jī)制，有2個(gè)作用：一是保證共享變量對(duì)所有線程的可見性，即本地副本修改后會(huì)強(qiáng)制刷新回外部；二是禁止指令重排序優(yōu)化。但要注意volatile只對(duì)單個(gè)變量讀/寫操作具有原子性，對(duì)i++這種復(fù)合操作（取值、加1、賦值）是無法保證其原子性的。要保證多線程中i++這種復(fù)合操作的原子性，可以改用CAS的實(shí)現(xiàn)類，例如用AtomicInteger代替int。
• 加鎖。通過鎖來實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間只有1個(gè)線程可以訪問共享變量。

2.3 線程死鎖問題

死鎖產(chǎn)生需要同時(shí)滿足4個(gè)條件：

• 資源的互斥使用，即當(dāng)資源被一個(gè)線程占有時(shí)，別的線程不能用。
• 不可搶占，即資源請(qǐng)的求者不能從使用者手上強(qiáng)制奪取資源，只能等待對(duì)方釋放。
• 請(qǐng)求和保持，即在請(qǐng)求其他資源的同時(shí)還保持對(duì)現(xiàn)有資源的占有。
• 循環(huán)等待，例如線程1持有資源A，請(qǐng)求資源B，而線程2持有資源B，請(qǐng)求資源A。

下面的代碼演示對(duì)資源的請(qǐng)求和保持，持有res1不釋放，同時(shí)對(duì)res2進(jìn)行請(qǐng)求：

synchronized (res1) {
   ... // 執(zhí)行一些操作 
   synchronized (res2) {
      ...
   }
}

解決死鎖的方法

只要讓產(chǎn)生死鎖的4個(gè)條件中任何一個(gè)不成立，就可以避免死鎖。具體做法通常有：

• 使用Lock接口的tryLock()。
• 避免一個(gè)線程中同時(shí)獲得多個(gè)鎖。例如上面代碼所示，同時(shí)獲得res1和res2的鎖才能完成執(zhí)行。
• 避免一個(gè)鎖中占用多個(gè)資源，即要縮小鎖的范圍。

Lock接口包含4個(gè)給對(duì)象加鎖的方法，如下所示：

public interface Lock {
     /**阻塞，直到另外一個(gè)線程釋放鎖*/
    void lock();
    
    /**以可被中斷的方式獲取鎖。調(diào)用正在等待獲得鎖的線程的interrupt()方法可中斷*/
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    
    /**非阻塞，嘗試的獲取鎖，如果獲取到則返回true，否則返回false*/
    boolean tryLock();
    /**阻塞，試圖獲取鎖，最多阻塞等待指定時(shí)間，如果獲取到則返回true，否則返回false*/
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    
    void unlock();
    ...
}

Lock lock = new ReentrantLock();
if(lock.tryLock()) {
    //成功獲得鎖
    try{
        ...
    } catch(Exception ex){
     
    } finally{
         lock.unlock();   //釋放鎖
    } 
} else {
    //不能獲取鎖
    ...
}

class Account {
    private int money;
    synchronized boolean transfer(Account target, int money){
        if (this.money > money) {
            this.money -= money;
            target.money += money;
            return true;
        }
        return false;
    } 
}

class Account {
    private int money;
    boolean transfer(Account target, int money){
        synchronized(Account.class) {
            if (this.money > money) {
              this.money -= money;
              target.money += money;
              return true;
            }
        }
        return false;
    } 
}

2.4 系統(tǒng)資源限制

系統(tǒng)的資源總是有限的，無節(jié)制地創(chuàng)建大量的線程，只會(huì)造成大量的線程上下文切換的開銷，并不能實(shí)際提高程序的效率。按照大家的常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，如果是IO密集型，則線程池的核心線程數(shù)宜為2N+1；如果是
CPU密集型，則線程池核心線程數(shù)宜為N+1；其中N為CPU核數(shù)。

到此這篇關(guān)于理解Java多線程之并發(fā)編程的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java并發(fā)編程內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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