摘要：線程被稱為輕量級(jí)進(jìn)程。在大多數(shù)操作系統(tǒng)中，線程都是最基本的調(diào)度單位。在多線程程序中，，還存在由于使用多線程而引入的其他問(wèn)題。由于多線程訪問(wèn)無(wú)狀態(tài)對(duì)象的行為不會(huì)影響到其他線程中操作的正確性，因此無(wú)狀態(tài)對(duì)象一定是線程安全的。

最近遇到了些并發(fā)的問(wèn)題，恰巧也有朋友問(wèn)我類似的問(wèn)題，無(wú)奈并發(fā)基礎(chǔ)知識(shí)過(guò)弱，只大概了解使用一些同步機(jī)制和并發(fā)工具包類，沒有形成一個(gè)完整的知識(shí)體系，并不能給出一個(gè)良好的解決方案。深知自己就是個(gè)弟弟，趁著周末有空，就趕緊把之前買的并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)拿起來(lái)，擦擦灰，惡補(bǔ)一下....

在介紹并發(fā)前，我們先來(lái)簡(jiǎn)單的了解下計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史。早期的計(jì)算機(jī)是不包含操作系統(tǒng)的，他們可以使用計(jì)算機(jī)上所有的資源，計(jì)算機(jī)從頭到尾也就只執(zhí)行著一個(gè)程序。在這種裸機(jī)環(huán)境下，編寫和運(yùn)行程序?qū)⒆兊姆浅Ｂ闊?，并且只運(yùn)行一個(gè)程序?qū)τ谟?jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)也是一種嚴(yán)重的浪費(fèi)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，操作系統(tǒng)閃亮登場(chǎng)，計(jì)算機(jī)每次都能運(yùn)行多個(gè)程序，每個(gè)程序都是一個(gè)多帶帶的進(jìn)程。操作系統(tǒng)為每一個(gè)進(jìn)程分配各種資源，比如：內(nèi)存、文件句柄等。如果需要的話，不同的進(jìn)程之間可以通過(guò)通信機(jī)制來(lái)交換數(shù)據(jù)。

操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，主要給我們解決了這幾個(gè)問(wèn)題，資源利用率的提高，程序之間的公平性和便利性。

資源利用率

有些情況下，程序必須等待某個(gè)外部操作完成才能繼續(xù)進(jìn)行。比如當(dāng)我們向計(jì)算機(jī)復(fù)制數(shù)據(jù)的時(shí)候，此時(shí)只有io在工作，如果在等待復(fù)制的時(shí)間，計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行其他程序，無(wú)疑大大提高了資源的利用率。

公平性

操作系統(tǒng)常見的一種方式就是通過(guò)粗粒度的時(shí)間分片來(lái)使用戶和程序能共享計(jì)算機(jī)資源，而不是一個(gè)程序從頭運(yùn)行到尾，然后再啟動(dòng)下一個(gè)程序。想一想，你可以用著自己的個(gè)人pc，打著游戲，聽著歌，和女朋友聊著天，計(jì)算機(jī)資源會(huì)來(lái)回切換，只不過(guò)因?yàn)樗俣群芸?，給我們的感覺就像是同時(shí)發(fā)生一樣，這一切都要?dú)w功于操作系統(tǒng)的調(diào)配。

便利性

一般來(lái)說(shuō)，在計(jì)算多個(gè)任務(wù)時(shí)，應(yīng)該編寫多個(gè)程序，每個(gè)程序在執(zhí)行一個(gè)任務(wù)時(shí)并在需要時(shí)進(jìn)行通信，這比只編寫一個(gè)程序來(lái)計(jì)算所有任務(wù)更容易實(shí)現(xiàn)。

線程的出現(xiàn)和進(jìn)程的出現(xiàn)是一個(gè)道理的，只不過(guò)一個(gè)調(diào)配的是一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的資源問(wèn)題，另一個(gè)是調(diào)配一臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的資源。進(jìn)程允許存在多個(gè)線程，并且線程之間會(huì)共享進(jìn)程范圍內(nèi)的資源（內(nèi)存和文件句柄），但每個(gè)線程都有自己的程序計(jì)數(shù)器、棧等，而且同一個(gè)程序的多個(gè)線程可以同時(shí)被調(diào)度到多個(gè)cpu上運(yùn)行。
線程被稱為輕量級(jí)進(jìn)程。在大多數(shù)操作系統(tǒng)中，線程都是最基本的調(diào)度單位。如果沒有統(tǒng)一的協(xié)同機(jī)制，線程將彼此獨(dú)立運(yùn)行，由于同一個(gè)進(jìn)程上的所有線程都將共享進(jìn)程的內(nèi)存空間，它們將訪問(wèn)相同的變量并在同一個(gè)堆上分配對(duì)象，這就需要一個(gè)更細(xì)粒度的數(shù)據(jù)共享機(jī)制，不然將造成不可預(yù)測(cè)的后果。

線程可以充分發(fā)揮多處理器的強(qiáng)大能力

避免單個(gè)線程阻塞而導(dǎo)致整個(gè)程序停頓

異步事件的簡(jiǎn)化處理

安全性問(wèn)題

class ThreadSafeTest{
    static int count;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);

      for (int i=0;i<100;i++){
          new Thread(new Runnable() {
              @Override
              public void run() {
                  try {
                      countDownLatch.await();
                  } catch (InterruptedException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
                  for (int x=0;x<100;x++){
                      count++;
                  }
              }
          }).start();
      }

        countDownLatch.countDown();
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println("count:"+count);
    }
    }
    
    輸出結(jié)果：count:9635

運(yùn)行結(jié)果:count:9955.我們的期待結(jié)果是10000,并且我們多次的運(yùn)行結(jié)果還可能不一樣。這個(gè)問(wèn)題主要在于count++并不是一個(gè)原子操作，它可以分為讀取count，count+1和計(jì)算結(jié)果寫回。如果在缺少同步的情況下，我們無(wú)法保證多線程情況下結(jié)果的正確性.

活躍性問(wèn)題
安全性的含義是永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤的事情，而活躍性的含義將是正確的事情最終會(huì)發(fā)生。當(dāng)某個(gè)操作無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行下去，就會(huì)發(fā)生活躍性的問(wèn)題。在穿行程序中，無(wú)意中造成的無(wú)限循環(huán)就是活躍性問(wèn)題之一。此外分別還有死鎖、饑餓以及活鎖問(wèn)題。
死鎖：線程A在等待線程B釋放其擁有的資源，而線程B在等待線程A釋放其擁有的資源，這樣僵持不下，那么線程A、B就會(huì)永遠(yuǎn)等下去。
饑餓：最常見的饑餓問(wèn)題就是CPU時(shí)鐘周期問(wèn)題。如果在java程序中存在持有鎖時(shí)執(zhí)行一些無(wú)法結(jié)束的結(jié)構(gòu)（無(wú)限循環(huán)或者是等待某個(gè)資源發(fā)生阻塞），那么很可能將導(dǎo)致饑餓，因?yàn)槠渌枰@個(gè)鎖的線程將無(wú)法得到它。
活鎖：活鎖不會(huì)阻塞線程，但也不能繼續(xù)執(zhí)行。假如程序不能正確的執(zhí)行某個(gè)操作，因?yàn)槭聞?wù)回滾，并將其放到隊(duì)列的頭部。由于這條事務(wù)回滾的消息被放回到隊(duì)列頭部，處理器將反復(fù)調(diào)用，并返回相同的結(jié)果。

性能問(wèn)題
性能問(wèn)題和活躍性問(wèn)題是密切相關(guān)的?；钴S性意味著某件正確的事情最終會(huì)發(fā)生，但是我們一般更希望正確的事情盡快的發(fā)生。性能問(wèn)題包括多個(gè)方面：服務(wù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、響應(yīng)不靈敏、吞吐率過(guò)低、資源消耗過(guò)高、和可伸縮性較差等。在多線程程序中，，還存在由于使用多線程而引入的其他問(wèn)題。在多線程程序中，當(dāng)線程調(diào)度器臨時(shí)掛起活躍線程并轉(zhuǎn)而運(yùn)行另一個(gè)線程時(shí)，就會(huì)頻繁的出現(xiàn)上下文切換操作，這種操作將帶來(lái)極大的開銷（保存和恢復(fù)執(zhí)行上下文，丟失局部性，并且CPU時(shí)鐘周期將更多地花費(fèi)在線程調(diào)度上而不是線程運(yùn)行上）。并且，當(dāng)多個(gè)線程共享數(shù)據(jù)時(shí)，必須使用同步機(jī)制，而這些機(jī)制往往會(huì)抑制某些編譯器優(yōu)化，使內(nèi)存緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)無(wú)效，以及增加共享內(nèi)存總線的同步流量。

什么是線程安全性？

當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)某個(gè)類時(shí)，不管運(yùn)行時(shí)環(huán)境采用何種調(diào)度方式或者這些線程將如何交替執(zhí)行，并且在主調(diào)代碼中不需要任何額外的同步或協(xié)同，這個(gè)類都能表現(xiàn)出正確的行為，那么就稱這個(gè)類是線程安全的。

從ThreadSafeTest例子我們可以清楚線程安全性可能是非常復(fù)雜的，再?zèng)]有充足同步的情況下，多個(gè)線程中的操作執(zhí)行順序是不可預(yù)測(cè)的，可能會(huì)發(fā)生奇怪的結(jié)果。

無(wú)狀態(tài)對(duì)象一定是線程安全的**
相信大家都對(duì)servlet有過(guò)了解，它是一個(gè)框架，其作用大概就是接收請(qǐng)求，處理參數(shù)，分發(fā)請(qǐng)求和返回結(jié)果。servlet是線程安全的，因?yàn)樗菬o(wú)狀態(tài)的。我們來(lái)自定義個(gè)servlet：

public class NoStateCalculate implements Servlet {

    @Override
    public void service(ServletRequest req, ServletResponse res) throws ServletException, IOException {
        //解析數(shù)據(jù)樣本，計(jì)算結(jié)果calculate
        BigInteger calculate = calculate(req);
        Integer data= getData(calculate);
        res.getOutputStream().print(data);
    }
}    

這個(gè)servlet從請(qǐng)求中提取參數(shù)并計(jì)算結(jié)果calculate，然后去數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)data，最終將其寫入到輸出中。它是一個(gè)無(wú)狀態(tài)的類，它不包含任何域，也不包含其他任何域的引用，所有的臨時(shí)狀態(tài)都存在于線程棧上的局部變量表中，并且只能由正在執(zhí)行的線程訪問(wèn)，線程之間不會(huì)相互影響，因此可以說(shuō)線程之間沒有共享狀態(tài)。由于多線程訪問(wèn)無(wú)狀態(tài)對(duì)象的行為不會(huì)影響到其他線程中操作的正確性，因此無(wú)狀態(tài)對(duì)象一定是線程安全的。

原子性

ThreadSafeTest例子并不是一個(gè)線程安全的例子，原因是將有100個(gè)線程同時(shí)調(diào)用count++，而count++又不是一個(gè)原子性的操作，其結(jié)果將可能是不正確的。

競(jìng)態(tài)條件：當(dāng)某個(gè)計(jì)算的正確性取決于多個(gè)線程的交替執(zhí)行時(shí)序時(shí)，那么就會(huì)發(fā)生競(jìng)態(tài)條件（正確的結(jié)果依賴于運(yùn)氣）。
復(fù)合操作：count++就是一組復(fù)合操作，要避免競(jìng)態(tài)條件問(wèn)題，就必須將操作原子化。

讓我們對(duì)ThreadSafeTest進(jìn)行改造，使用jdk提供的原子變量類AtomicInteger：

public class ThreadSafeTest {
    static AtomicInteger count =new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);

        for (int i=0;i<100;i++){
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        countDownLatch.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    for (int x=0;x<100;x++){
                        count.incrementAndGet();
                    }
                }
            }).start();
        }

        countDownLatch.countDown();
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println("count:"+count);
    }

}

通過(guò)AtomicInteger可以將單個(gè)整數(shù)變量的操作原子化，使其變成線程安全的。當(dāng)共享狀態(tài)變量多于一個(gè)時(shí)，這種機(jī)制就不能解決問(wèn)題了，應(yīng)該通過(guò)鎖機(jī)制保證操作的原子性。

加鎖機(jī)制

內(nèi)置鎖：java提供了synchronized內(nèi)置鎖來(lái)支持原子性。它可以修飾在方法上，代碼塊上，其中同步代碼塊和普通方法的鎖就是方法調(diào)用所在的對(duì)象，而靜態(tài)方法的synchronized則以當(dāng)前的Class對(duì)象作為鎖。線程在進(jìn)入同步代碼之前會(huì)自動(dòng)獲得鎖，退出同步代碼塊時(shí)自動(dòng)釋放鎖。synchronized同時(shí)也是一種互斥鎖，最多只有一個(gè)線程持有這種鎖，所以它可以保證同步代碼操作的原子性。
重入鎖：當(dāng)某個(gè)線程請(qǐng)求一個(gè)由其他線程持有的鎖時(shí)，發(fā)出的請(qǐng)求就會(huì)阻塞。然而內(nèi)置鎖是可重入的，因此如果某個(gè)線程試圖獲得一個(gè)已經(jīng)由他自己的持有的鎖，那么這個(gè)請(qǐng)求就會(huì)成功。"重入"意味著獲取鎖的操作的粒度是線程，重入的一種實(shí)現(xiàn)方式就是為每個(gè)鎖關(guān)聯(lián)一個(gè)獲取計(jì)數(shù)值和一個(gè)所有者線程。當(dāng)數(shù)值為0時(shí)就代表鎖沒有被任何線程獲得，當(dāng)一個(gè)線程獲得鎖時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)加1，當(dāng)同一個(gè)線程再次獲得鎖時(shí)，將會(huì)在加1，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖的重入功能。
用鎖來(lái)保護(hù)狀態(tài):

活躍性和性能

java的語(yǔ)法糖提供了一個(gè)內(nèi)置鎖synchronized,它可以很好地保證同步代碼塊只有一個(gè)線程執(zhí)行。但是如果synchronized使用的不當(dāng)，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的活躍性和性能問(wèn)題。其對(duì)應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)有很多，避免死鎖，減小鎖粒度，鎖分段等等都可有效的解決活躍性問(wèn)題和性能問(wèn)題（留到以后再介紹）。