摘要：上下文切換會(huì)影響到線(xiàn)程的執(zhí)行速度，對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)意味著會(huì)消耗大量的時(shí)間減少上下文切換的方式無(wú)鎖并發(fā)編程，在多線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)，會(huì)導(dǎo)致大量的上下文切換。線(xiàn)程在中的使用在中實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程的方式比較簡(jiǎn)單，因?yàn)橹刑峁┝朔浅７奖愕膩?lái)實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程。

上一篇文章我們了解了進(jìn)程和線(xiàn)程的發(fā)展歷史、線(xiàn)程的生命周期、線(xiàn)程的優(yōu)勢(shì)和使用場(chǎng)景，這一篇，我們從Java層面更進(jìn)一步了解線(xiàn)程的使用

并發(fā)編程的挑戰(zhàn)

線(xiàn)程在Java中的使用

引入多線(xiàn)程的目的在第一篇提到過(guò)，就是為了充分利用CPU是的程序運(yùn)行得更快，當(dāng)然并不是說(shuō)啟動(dòng)的線(xiàn)程越多越好。在實(shí)際使用多線(xiàn)程的時(shí)候，會(huì)面臨非常多的挑戰(zhàn)

線(xiàn)程安全問(wèn)題值的是當(dāng)多個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)對(duì)象時(shí)，如果不考慮這些運(yùn)行時(shí)環(huán)境采用的調(diào)度方式或者這些線(xiàn)程將如何交替執(zhí)行，并且在代碼中不需要任何同步操作的情況下，這個(gè)類(lèi)都能夠表現(xiàn)出正確的行為，那么這個(gè)類(lèi)就是線(xiàn)程安全的
比如下面的代碼是一個(gè)單例模式，在代碼的注釋出，如果多個(gè)線(xiàn)程并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)，則會(huì)出現(xiàn)多個(gè)實(shí)例。導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)單例的效果

public class SingletonDemo {
   private static SingletonDemo singletonDemo=null;
   private SingletonDemo(){}
    public static SingletonDemo getInstance(){
        if(singletonDemo==null){/***線(xiàn)程安全問(wèn)題***/
           singletonDemo=new SingletonDemo();
        }
        return singletonDemo;
    }
}

通常來(lái)說(shuō)，我們把多線(xiàn)程編程中的線(xiàn)程安全問(wèn)題歸類(lèi)成如下三個(gè)，至于每一個(gè)問(wèn)題的本質(zhì)，在后續(xù)的文章中我們會(huì)多帶帶講解

原子性

可見(jiàn)性

有序性

在單核心CPU架構(gòu)中，對(duì)于多線(xiàn)程的運(yùn)行是基于CPU時(shí)間片切換來(lái)實(shí)現(xiàn)的偽并行。由于時(shí)間片非常短導(dǎo)致用戶(hù)以為是多個(gè)線(xiàn)程并行執(zhí)行。而一次上下文切換，實(shí)際就是當(dāng)前線(xiàn)程執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片之后切換到另外一個(gè)線(xiàn)程，并且保存當(dāng)前線(xiàn)程執(zhí)行的狀態(tài)這個(gè)過(guò)程。上下文切換會(huì)影響到線(xiàn)程的執(zhí)行速度，對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)意味著會(huì)消耗大量的CPU時(shí)間

減少上下文切換的方式

無(wú)鎖并發(fā)編程，在多線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)，會(huì)導(dǎo)致大量的上下文切換。避免使用鎖去解決并發(fā)問(wèn)題可以減少上下文切換

CAS算法，CAS是一種樂(lè)觀(guān)鎖機(jī)制，不需要加鎖

使用與硬件資源匹配合適的線(xiàn)程數(shù)

在解決線(xiàn)程安全問(wèn)題的場(chǎng)景中，我們會(huì)比較多的考慮使用鎖，因?yàn)樗褂帽容^簡(jiǎn)單。但是鎖的使用如果不恰當(dāng)，則會(huì)引發(fā)死鎖的可能性，一旦產(chǎn)生死鎖，就會(huì)造成比較嚴(yán)重的問(wèn)題：產(chǎn)生死鎖的線(xiàn)程會(huì)一直占用鎖資源，導(dǎo)致其他嘗試獲取鎖的線(xiàn)程也發(fā)生死鎖，造成系統(tǒng)崩潰

以下是死鎖的簡(jiǎn)單案例

public class DeadLockDemo {
    //定義鎖對(duì)象
    private final Object lockA = new Object();
    private final Object lockB = new Object();
    private void deadLock(){
        new Thread(()->{
            synchronized (lockA){
                try {
                    Thread.sleep(4000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (lockB){
                    System.out.println("Lock B");
                }
            }
        }).start();
        new Thread(()->{
            synchronized (lockB){
                synchronized (lockA){
                    System.out.println("Lock A");
                }
            }
        }).start();
    }
    public static void main(String[] args) {
        new DeadLockDemo().deadLock();
    }
}

1.首先通過(guò)jps獲取當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程的pid

6628 Jps
17588 RemoteMavenServer
19220 Launcher
19004 DeadLockDemo

2.jstack打印堆棧信息,輸入 jstack19004, 會(huì)打印如下日志，可以很明顯看到死鎖的信息提示

Found one Java-level deadlock:
=============================
"Thread-1":
  waiting to lock monitor 0x000000001d461e68 (object 0x000000076b310df8, a java.lang.Object),
  which is held by "Thread-0"
"Thread-0":
  waiting to lock monitor 0x000000001d463258 (object 0x000000076b310e08, a java.lang.Object),
  which is held by "Thread-1"

解決死鎖的手段
1.保證多個(gè)線(xiàn)程按照相同的順序獲取鎖
2.設(shè)置獲取鎖的超時(shí)時(shí)間，超過(guò)設(shè)定時(shí)間以后自動(dòng)釋放
3.死鎖檢測(cè)

資源限制主要指的是硬件資源和軟件資源，在開(kāi)發(fā)多線(xiàn)程應(yīng)用時(shí)，程序的執(zhí)行速度受限于這兩個(gè)資源。硬件的資源限制無(wú)非就是磁盤(pán)、CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)；軟件資源的限制有很多，比如數(shù)據(jù)庫(kù)連接數(shù)、計(jì)算機(jī)能夠支持的最大連接數(shù)等
資源限制導(dǎo)致的問(wèn)題最直觀(guān)的體現(xiàn)就是前面說(shuō)的上下文切換，也就是CPU資源和線(xiàn)程資源的嚴(yán)重不均衡導(dǎo)致頻繁上下文切換，反而會(huì)造成程序的運(yùn)行速度下降

資源限制的主要解決方案，就是缺啥補(bǔ)啥。CPU不夠用，可以增加CPU核心數(shù)；一臺(tái)機(jī)器的資源有限，則增加多臺(tái)機(jī)器來(lái)做集群。

在Java中實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程的方式比較簡(jiǎn)單，因?yàn)镴ava中提供了非常方便的API來(lái)實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程。
1.繼承Thread類(lèi)實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程
2.實(shí)現(xiàn)Runnable接口
3.實(shí)現(xiàn)Callable接口通過(guò)Future包裝器來(lái)創(chuàng)建Thread線(xiàn)程，這種是帶返回值的線(xiàn)程
4.使用線(xiàn)程池ExecutorService

繼承Thread類(lèi)，然后重寫(xiě)run方法，在run方法中編寫(xiě)當(dāng)前線(xiàn)程需要執(zhí)行的邏輯。最后通過(guò)線(xiàn)程實(shí)例的start方法來(lái)啟動(dòng)一個(gè)線(xiàn)程

public class ThreadDemo extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        //重寫(xiě)run方法，提供當(dāng)前線(xiàn)程執(zhí)行的邏輯
        System.out.println("Hello world");
    }
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo threadDemo=new ThreadDemo();
        threadDemo.start();
    }
}

Thread類(lèi)其實(shí)是實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，因此Thread自己也是一個(gè)線(xiàn)程實(shí)例，但是我們不能直接用 newThread().start()去啟動(dòng)一個(gè)線(xiàn)程，原因很簡(jiǎn)單，Thread類(lèi)中的run方法是沒(méi)有實(shí)際意義的，只是一個(gè)調(diào)用通過(guò)構(gòu)造函數(shù)傳遞寄來(lái)的另一個(gè)Runnable實(shí)現(xiàn)類(lèi)的run方法，這塊的具體演示會(huì)在Runnable接口的代碼中看到

public
class Thread implements Runnable {
    /* What will be run. */
    private Runnable target;
    ...
    @Override
    public void run() {
        if (target != null) {
            target.run();
        }
    }
    ...

如果需要使用線(xiàn)程的類(lèi)已經(jīng)繼承了其他的類(lèi)，那么按照J(rèn)ava的單一繼承原則，無(wú)法再繼承Thread類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程，所以可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)Runnable接口來(lái)實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程

public class RunnableDemo implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        //重寫(xiě)run方法，提供當(dāng)前線(xiàn)程執(zhí)行的邏輯
        System.out.println("Hello world");
    }
    public static void main(String[] args) {
        RunnableDemo runnableDemo=new RunnableDemo();
        new Thread(runnableDemo).start();
    }
}

上面的代碼中，實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，重寫(xiě)了run方法；接著為了能夠啟動(dòng)RunnableDemo這個(gè)線(xiàn)程，必須要實(shí)例化一個(gè)Thread類(lèi)，通過(guò)構(gòu)造方法傳遞一個(gè)Runnable接口實(shí)現(xiàn)類(lèi)去啟動(dòng)，Thread的run方法就會(huì)調(diào)用target.run來(lái)運(yùn)行當(dāng)前線(xiàn)程,代碼在上面.

在有些多線(xiàn)程使用的場(chǎng)景中，我們有時(shí)候需要獲取異步線(xiàn)程執(zhí)行完畢以后的反饋結(jié)果，也許是主線(xiàn)程需要拿到子線(xiàn)程的執(zhí)行結(jié)果來(lái)處理其他業(yè)務(wù)邏輯，也許是需要知道線(xiàn)程執(zhí)行的狀態(tài)。那么Callable接口可以很好的實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能

public class CallableDemo implements Callable{
    @Override
    public String call() throws Exception {
        return "hello world";
    }
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        Callable callable=new CallableDemo();
        FutureTask task=new FutureTask<>(callable);
        new Thread(task).start();
        System.out.println(task.get());//獲取線(xiàn)程的返回值
    }
}

在上面代碼案例中的最后一行 task.get()就是獲取線(xiàn)程的返回值，這個(gè)過(guò)程是阻塞的，當(dāng)子線(xiàn)程還沒(méi)有執(zhí)行完的時(shí)候，主線(xiàn)程會(huì)一直阻塞直到結(jié)果返回

為了減少頻繁創(chuàng)建線(xiàn)程和銷(xiāo)毀線(xiàn)程帶來(lái)的性能開(kāi)銷(xiāo)，在實(shí)際使用的時(shí)候我們會(huì)采用線(xiàn)程池來(lái)創(chuàng)建線(xiàn)程，在這里我不打算展開(kāi)多線(xiàn)程的好處和原理，我會(huì)在后續(xù)的文章中多帶帶說(shuō)明。

public class ExecutorServiceDemo {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        //創(chuàng)建一個(gè)固定線(xiàn)程數(shù)的線(xiàn)程池
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
        Future future=pool.submit(new CallableDemo()); 
        System.out.println(future.get());
    }
}

pool.submit有幾個(gè)重載方法，可以傳遞帶返回值的線(xiàn)程實(shí)例，也可以傳遞不帶返回值的線(xiàn)程實(shí)例，源代碼如下

/*01*/Future submit(Runnable task);
/*02*/ Future submit(Runnable task, T result);
/*03*/ Future submit(Callable task);