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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「愛(ài)笑的架構(gòu)師」，作者雷小帥。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系愛(ài)笑的架構(gòu)師公眾號(hào)。
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頭發(fā)很多的程序員：『師父，這個(gè)批量處理接口太慢了，有什么辦法可以優(yōu)化?』
架構(gòu)師：『試試使用多線程優(yōu)化』
第二天
頭發(fā)很多的程序員：『師父，我已經(jīng)使用了多線程，為什么接口還變慢了?』
架構(gòu)師：『去給我買杯咖啡，我寫(xiě)篇文章告訴你』
……吭哧吭哧買咖啡去了
在實(shí)際工作中，錯(cuò)誤使用多線程非但不能提高效率還可能使程序崩潰。以在路上開(kāi)車為例：
在一個(gè)單向行駛的道路上，每輛汽車都遵守交通規(guī)則，這時(shí)候整體通行是正常的?！?jiǎn)蜗蜍嚨馈灰馕吨阂粋€(gè)線程』，『多輛車』意味著『多個(gè)job任務(wù)』。
單線程順利同行
如果需要提升車輛的同行效率，一般的做法就是擴(kuò)展車道，對(duì)應(yīng)程序來(lái)說(shuō)就是『加線程池』，增加線程數(shù)。這樣在同一時(shí)間內(nèi)，通行的車輛數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單車道。
多線程順利同行
然而成年人的世界沒(méi)有那么完美，車道一旦多起來(lái)『加塞』的場(chǎng)景就會(huì)越來(lái)越多，出現(xiàn)碰撞后也會(huì)影響整條馬路的通行效率。這么一對(duì)比下來(lái)『多車道』確實(shí)可能比『?jiǎn)诬嚨馈灰?/p>
多線程故障
防止汽車頻繁變道加塞可以采取在車道間增加『護(hù)欄』，那在程序的世界該怎么做呢?
程序世界中多線程遇到的問(wèn)題歸納起來(lái)就是三類：『線程安全問(wèn)題』、『活躍性問(wèn)題』、『性能問(wèn)題』，接下來(lái)會(huì)講解這些問(wèn)題，以及問(wèn)題對(duì)應(yīng)的解決手段。
線程安全問(wèn)題
有時(shí)候我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，明明在單線程環(huán)境中正常運(yùn)行的代碼，在多線程環(huán)境中可能會(huì)出現(xiàn)意料之外的結(jié)果，其實(shí)這就是大家常說(shuō)的『線程不安全』。那到底什么是線程不安全呢?往下看。
原子性
舉一個(gè)銀行轉(zhuǎn)賬的例子，比如從賬戶A向賬戶B轉(zhuǎn)1000元，那么必然包括2個(gè)操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元，兩個(gè)操作都成功才意味著一次轉(zhuǎn)賬最終成功。
試想一下，如果這兩個(gè)操作不具備原子性，從A的賬戶扣減了1000元之后，操作突然終止了，賬戶B沒(méi)有增加1000元，那問(wèn)題就大了。
銀行轉(zhuǎn)賬這個(gè)例子有兩個(gè)步驟，出現(xiàn)了意外后導(dǎo)致轉(zhuǎn)賬失敗，說(shuō)明沒(méi)有原子性。
原子性：即一個(gè)操作或者多個(gè)操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過(guò)程不會(huì)被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。
原子操作：即不會(huì)被線程調(diào)度機(jī)制打斷的操作，沒(méi)有上下文切換。
在并發(fā)編程中很多操作都不是原子操作，出個(gè)小題目：
- i = 0; // 操作1
- i++; // 操作2
- i = j; // 操作3
- i = i + 1; // 操作4
上面這四個(gè)操作中有哪些是原子操作，哪些不是的?不熟悉的人可能認(rèn)為這些都是原子操作，其實(shí)只有操作1是原子操作。
- 操作1：對(duì)基本數(shù)據(jù)類型變量的賦值是原子操作;
- 操作2：包含三個(gè)操作，讀取i的值，將i加1，將值賦給i;
- 操作3：讀取j的值，將j的值賦給i;
- 操作4：包含三個(gè)操作，讀取i的值，將i加1，將值賦給i;
在單線程環(huán)境下上述四個(gè)操作都不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，但是在多線程環(huán)境下，如果不通過(guò)加鎖操作，往往可能得到意料之外的值。
在Java語(yǔ)言中通過(guò)可以使用synchronize或者lock來(lái)保證原子性。
可見(jiàn)性
talk is cheap，先show一段代碼：
- class Test {
- int i = 50;
- int j = 0;
- public void update() {
- // 線程1執(zhí)行
- i = 100;
- }
- public int get() {
- // 線程2執(zhí)行
- j = i;
- return j;
- }
- }
線程1執(zhí)行update方法將 i 賦值為100，一般情況下線程1會(huì)在自己的工作內(nèi)存中完成賦值操作，卻沒(méi)有及時(shí)將新值刷新到主內(nèi)存中。
這個(gè)時(shí)候線程2執(zhí)行g(shù)et方法，首先會(huì)從主內(nèi)存中讀取i的值，然后加載到自己的工作內(nèi)存中，這個(gè)時(shí)候讀取到i的值是50，再將50賦值給j，最后返回j的值就是50了。原本期望返回100，結(jié)果返回50，這就是可見(jiàn)性問(wèn)題，線程1對(duì)變量i進(jìn)行了修改，線程2沒(méi)有立即看到i的新值。
可見(jiàn)性：指當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。
如上圖每個(gè)線程都有屬于自己的工作內(nèi)存，工作內(nèi)存和主內(nèi)存間需要通過(guò)store和load等進(jìn)行交互。
為了解決多線程可見(jiàn)性問(wèn)題，Java語(yǔ)言提供了volatile這個(gè)關(guān)鍵字。當(dāng)一個(gè)共享變量被volatile修飾時(shí)，它會(huì)保證修改的值會(huì)立即被更新到主存，當(dāng)有其他線程需要讀取時(shí)，它會(huì)去內(nèi)存中讀取新值。而普通共享變量不能保證可見(jiàn)性，因?yàn)樽兞勘恍薷暮笫裁磿r(shí)候刷回到主存是不確定的，另外一個(gè)線程讀的可能就是舊值。
當(dāng)然Java的鎖機(jī)制如synchronize和lock也是可以保證可見(jiàn)性的，加鎖可以保證在同一時(shí)刻只有一個(gè)線程在執(zhí)行同步代碼塊，釋放鎖之前會(huì)將變量刷回至主存，這樣也就保證了可見(jiàn)性。
關(guān)于線程不安全的表現(xiàn)還有『有序性』，這個(gè)問(wèn)題會(huì)在后面的文章中深入講解。
活躍性問(wèn)題
上面講到為了解決可見(jiàn)性問(wèn)題，我們可以采取加鎖方式解決，但是如果加鎖使用不當(dāng)也容易引入其他問(wèn)題，比如『死鎖』。
在說(shuō)『死鎖』前我們先引入另外一個(gè)概念：活躍性問(wèn)題。
活躍性是指某件正確的事情最終會(huì)發(fā)生，當(dāng)某個(gè)操作無(wú)法繼續(xù)下去的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生活躍性問(wèn)題。
概念是不是有點(diǎn)拗口，如果看不懂也沒(méi)關(guān)系，你可以記住活躍性問(wèn)題一般有這樣幾類：死鎖，活鎖，饑餓問(wèn)題。
(1)死鎖
死鎖是指多個(gè)線程因?yàn)榄h(huán)形的等待鎖的關(guān)系而永遠(yuǎn)的阻塞下去。一圖勝千語(yǔ)，不多解釋。
(2)活鎖
死鎖是兩個(gè)線程都在等待對(duì)方釋放鎖導(dǎo)致阻塞。而活鎖的意思是線程沒(méi)有阻塞，還活著呢。
當(dāng)多個(gè)線程都在運(yùn)行并且修改各自的狀態(tài)，而其他線程彼此依賴這個(gè)狀態(tài)，導(dǎo)致任何一個(gè)線程都無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行，只能重復(fù)著自身的動(dòng)作和修改自身的狀態(tài)，這種場(chǎng)景就是發(fā)生了活鎖。
如果大家還有疑惑，那我再舉一個(gè)生活中的例子，大家平時(shí)在走路的時(shí)候，迎面走來(lái)一個(gè)人，兩個(gè)人互相讓路，但是又同時(shí)走到了一個(gè)方向，如果一直這樣重復(fù)著避讓，這倆人就是發(fā)生了活鎖，學(xué)到了吧，嘿嘿。
(3)饑餓
如果一個(gè)線程無(wú)其他異常卻遲遲不能繼續(xù)運(yùn)行，那基本是處于饑餓狀態(tài)了。
常見(jiàn)有幾種場(chǎng)景:
- 高優(yōu)先級(jí)的線程一直在運(yùn)行消耗CPU，所有的低優(yōu)先級(jí)線程一直處于等待;
- 一些線程被永久堵塞在一個(gè)等待進(jìn)入同步塊的狀態(tài)，而其他線程總是能在它之前持續(xù)地對(duì)該同步塊進(jìn)行訪問(wèn);
有一個(gè)非常經(jīng)典的饑餓問(wèn)題就是哲學(xué)家用餐問(wèn)題，如下圖所示，有五個(gè)哲學(xué)家在用餐，每個(gè)人必須要同時(shí)拿兩把叉子才可以開(kāi)始就餐，如果哲學(xué)家1和哲學(xué)家3同時(shí)開(kāi)始就餐，那哲學(xué)家2、4、5就得餓肚子等待了。
性能問(wèn)題
前面講到了線程安全和死鎖、活鎖這些問(wèn)題會(huì)影響多線程執(zhí)行過(guò)程，如果這些都沒(méi)有發(fā)生，多線程并發(fā)一定比單線程串行執(zhí)行快嗎，答案是不一定，因?yàn)槎嗑€程有創(chuàng)建線程和線程上下文切換的開(kāi)銷。
創(chuàng)建線程是直接向系統(tǒng)申請(qǐng)資源的，對(duì)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)創(chuàng)建一個(gè)線程的代價(jià)是十分昂貴的，需要給它分配內(nèi)存、列入調(diào)度等。
線程創(chuàng)建完之后，還會(huì)遇到線程上下文切換。
CPU是很寶貴的資源速度也非?？?，為了保證雨露均沾，通常為給不同的線程分配時(shí)間片，當(dāng)CPU從執(zhí)行一個(gè)線程切換到執(zhí)行另一個(gè)線程時(shí)，CPU 需要保存當(dāng)前線程的本地?cái)?shù)據(jù)，程序指針等狀態(tài)，并加載下一個(gè)要執(zhí)行的線程的本地?cái)?shù)據(jù)，程序指針等，這個(gè)開(kāi)關(guān)被稱為『上下文切換』。
一般減少上下文切換的方法有：無(wú)鎖并發(fā)編程、CAS 算法、使用協(xié)程等。
有態(tài)度的總結(jié)
多線程用好了可以讓程序的效率成倍提升，用不好可能比單線程還要慢。
用一張圖總結(jié)一下上面講的：
分享標(biāo)題：10張圖告訴你多線程那些破事
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