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學習Java多線程的一些總結(jié)

coolpail / 2981人閱讀

摘要：多線程環(huán)境下的一些問題安全性問題在沒有正確同步的情況下，多線程環(huán)境下程序可能得出錯誤的結(jié)果。一些相關(guān)概念競爭條件多線程的環(huán)境下，程序執(zhí)行的結(jié)果取決于線程交替執(zhí)行的方式。而線程的交替操作順序是不可預測的，如此程序執(zhí)行的結(jié)果也是不可預測的。

入口 
Java多線程的應用復雜性之如jvm有限的幾個內(nèi)存方面的操作和規(guī)范，就像無數(shù)紛繁復雜的應用邏輯建立在有限的指令集上。

如何寫出線程安全的程序，有各種各樣需要遵循的規(guī)則，如果硬是去記憶這些寫法或者規(guī)則，就事倍功半了，最好是先學習原理，抓住問題的主干，再拓展細節(jié)，這也是大家公認的學習某種技術(shù)的方式。對于多線程的問題，java使用java內(nèi)存模型 JMM來保證多個線程可以有效地，正確地工作。

學習的步驟可以分為：

關(guān)注大師的言行，跟隨大師的舉動——JUC包已經(jīng)足夠豐富，按照API規(guī)范正確使用。

和大師一起修行——理解多線程問題的由來，以及jvm給出的解決方案，需要理解java的內(nèi)存模型JMM，以及JMM給出的線程工作內(nèi)存與主內(nèi)存交互的規(guī)則如何形成JMM的happens-before原則等。參考書有知名的《深入理解Java虛擬機》第12章，最重要的《JSR-133 Java內(nèi)存模型與線程規(guī)范》以及《并發(fā)編程實戰(zhàn)》第16章。

領(lǐng)悟大師的意境——JUC包的實現(xiàn)原理，volatile和CAS構(gòu)筑了JUC包的基礎(chǔ)類，AQS,非阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，原子變量，這些基礎(chǔ)類又構(gòu)建了JUC包的高層類，Lock，同步器，阻塞隊列，并發(fā)容器，Executor等。理解了高層類的原理，能夠心里有底地使用這些類，構(gòu)建健壯的應用。

成為真正的大師——學習JUC包的實現(xiàn)，說不定哪天也能寫出一樣優(yōu)秀的類。

一些背景知識：
1.操作系統(tǒng)中線程的實現(xiàn)

現(xiàn)代操作系統(tǒng)的線程主要有三種實現(xiàn)：內(nèi)核線程實現(xiàn)，用戶線程實現(xiàn)，混合實現(xiàn)

內(nèi)核線程（KLT）：線程表由內(nèi)核維護，由內(nèi)核完成線程的切換，內(nèi)核通過調(diào)度器對線程進行調(diào)度，并將線程的任務(wù)映射到處理器上，每個內(nèi)核線程可以視為內(nèi)核的一個分身。程序一般不會直接使用內(nèi)核線程，而是使用內(nèi)核線程的一種高級接口——輕量級進程（LWP）（廣義上來說，輕量級進程也是在用戶空間的進程中的，所以也是一種用戶線程）。LWP和KLT是一一對應的，是1:1的關(guān)系，因此也叫作一對一線程模型（1:1）。內(nèi)核線程最大的特點就是，如果有輕量級進程發(fā)生了阻塞，不會影響整個進程的工作，內(nèi)核會運行其他可運行的線程。缺點也是明顯的：各種線程操作都需要系統(tǒng)調(diào)用，需要在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)進行來回切換，代價高昂，而且因為占用內(nèi)核空間，所以內(nèi)核能支持的數(shù)量是有限的。

用戶級線程（UT）：狹義上的用戶線程是指，完全建立在用戶空間的線程庫上，由所在進程實現(xiàn)管理的線程。最大的亮點在于可以在不支持多線程的操作系統(tǒng)之上實現(xiàn)多線程，如DOS，同時因為不需要切換到內(nèi)核態(tài)，所以快速且低消耗，也能支持更大規(guī)模的線程數(shù)量。這種模型中，一個輕量級進程對應多個線程，因此叫做一對多線程模型（1：N）,用戶進程的優(yōu)勢在于不需要內(nèi)核的支援，而因為沒有內(nèi)核的支援，所有的線程操作都需要用戶自己處理，導致復雜性是其劣勢。線程的創(chuàng)建，切換，調(diào)度都是需要考慮的問題，現(xiàn)在使用用戶線程的程序已經(jīng)越來越少了。java線程在JDK1.2之前，使用用戶線程。

用戶線程+輕量級進程的混合實現(xiàn)：使用輕量級進程作為用戶線程和內(nèi)核線程的橋梁的一種實現(xiàn)，用戶線程和輕量級進程的比例不定，因此也叫多對多線程模型（N：M），UNIX家族中的Solaris提供了N：M的線程模型實現(xiàn)。

更詳細的說明可以查看介紹操作系統(tǒng)的書籍。

2.java虛擬機中線程的實現(xiàn)

jdk1.2 之前，java使用的是稱為“綠色線程”的用戶線程，而在1.2中，線程模型替換為基于操作系統(tǒng)原生線程模型來實現(xiàn)

操作系統(tǒng)支持什么樣的線程模型，很大程度上影響java的線程模型，windows和linux系統(tǒng)提供的線程模型是1:1的，所有這兩個平臺上的JDK使用的是1:1的線程模型，一個java線程映射到一個輕量級進程中，Solaris系統(tǒng)同時支持1:1和N:M，該平臺中的JDK可以指定參數(shù)選擇線程模型。

操作系統(tǒng)的線程特性會對線程的并發(fā)規(guī)模和操作成本產(chǎn)生影響，但是對java程序的編寫和運行來說是透明的。

3.多線程環(huán)境下的一些問題：

安全性問題：在沒有正確同步的情況下，多線程環(huán)境下程序可能得出錯誤的結(jié)果。

活躍性問題：在多線程環(huán)境下，當某個操作應該繼續(xù)執(zhí)行卻無法繼續(xù)執(zhí)行下去，就造成了活躍性問題，如：死鎖，饑餓，活鎖。

死鎖：

活鎖：

饑餓：

性能問題：線程的頻繁切換將帶來極大的開銷，如：

保存和恢復執(zhí)行上下文，丟失局部性

使用同步機制的時候，這些機制會抑制某些編譯器優(yōu)化以保證執(zhí)行順序，

如使用volatile保證可見性的情況下，使內(nèi)存緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)無效，其他線程需要重新從主內(nèi)存中加載

所有這些因素會帶來額外的性能開銷。

4.一些相關(guān)概念

競爭條件：多線程的環(huán)境下，程序執(zhí)行的結(jié)果取決于線程交替執(zhí)行的方式。而線程的交替操作順序是不可預測的，如此程序執(zhí)行的結(jié)果也是不可預測的。

狀態(tài)：狀態(tài)在多線程編程中是一個很核心的概念，因為線程安全性的核心就在于：對可變的共享狀態(tài)的訪問操作進行正確的管理。

非正式的定義：狀態(tài)可以簡單理解為存儲在對象的域中的數(shù)據(jù)，下面的Counter類中的count就是一個Counter對象的狀態(tài)。如果不能正確地訪問和修改count，那么count的值就不具備正確性。狀態(tài)也包括一個對象依賴的對象的域。

多線程的環(huán)境下，主要是可變的，共享的狀態(tài)會導致安全性問題，可變意味著狀態(tài)可以被修改，共享意味著可以被多個線程改變，自然而然的，有三種方法來解決這個問題：1.讓對象不可改變 2. 讓狀態(tài)不可共享 3. 必須共享和改變的，使用某種機制來保證順序——同步。

或者更加直接可靠的，不要給對象狀態(tài)，一個沒有狀態(tài)的對象一定是線程安全的。

線程安全性：當多個線程訪問某個類的時候，這個類始終能表現(xiàn)正確的行為，那么這個類是線程安全的。

        public class Counter {
            private long count = 0;
            public long getCount(){
                return count;
            }
        }

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