Java多線程——多線程相關知識的邏輯關係梳理

1 學習多線程知識的根本目標

       多線程知識的根本目標是：設計穩健的併發程序。
       固然，本文沒法回答這個實踐性很強的問題（這與具體的業務相關，涉及到具體的策略），本文主要闡述相關知識之間的關係，但願初學者不要迷失在多線程工具類的API接口中。

2 併發程序的三大宏觀問題

       線程安全性問題、性能問題、活躍性問題。 三者的關係是，在設計併發程序過程當中要首先保證線程安全，在線程安全的基礎上努力提高程序性能，在保證線程安全與提高性能時避免引入活躍性問題。
       線程安全是最重要的，設計併發程序是爲了提高程序的性能，可是永遠不要忘記性能是創建在安全的基礎上的；而在保證安全性（如加鎖、同步等方法）及優化併發性能（如經過鎖分解、鎖分段等方法）過程當中，可能會引入活躍性問題（如死鎖、飢餓、活鎖、糟糕的響應性等問題）。 本文主要闡述線程安全問題的知識。

3 線程安全性

3.1 線程安全性的定義

       當多個線程訪問某個類時，這個類始終都能表現出正確的行爲，那麼就稱這個類是線程安全的。最核心的概念就是正確性。正確性的含義是，某個類的行爲與其規範徹底一致。
       就像你要設計一道菜，那麼組成這道菜的食材和調料必定是可控的，即你能確切的描述對這些食材和調料操做的結果，好比放油菜會香，放鹽菜會鹹，而且知道菜快熟時再放鹽，只有對構成這道菜的全部元素都清楚明晰，設計出的菜才符合設想。設計程序時也同樣，只有使用的各個變量和函數是可控的，設計出的程序才能按照設計運行。而多線程的使用，可能會使得組成程序的某些變量和行爲變得不可控。

3.2 爲何多線程會帶來線程安全性問題

       要闡明線程安全性問題須要深刻到JAVA內存模型，這裏暫時不引入，這裏用兩個生活中的例子來闡述線程安全性問題的本質（原子性問題和可見性問題）。
【例1】以炒菜爲例。其中有個操做是放鹽，放鹽的操做可分解爲三個步驟「找到鹽罐→檢查鹽罐裝的是鹽→菜快熟的時候將鹽倒入菜中」。若是隻有一我的在使用鹽罐，那麼不會有什麼問題。可是，若是在你「檢查鹽罐中裝的是鹽」以後，將鹽倒入菜中以前，另外一我的拿走了鹽罐，裝了三氯氰胺奶粉，而後將鹽罐放回。這個調換過程你並不知道，最後你將調換過的三氯氰胺奶粉倒入了菜中，結果可想而知。這就是線程安全性問題的原子性問題。
從內存模型理解原子性問題：juejin.im/post/5d7760…

【例2】以A和B協做煮米飯爲例。有三個房間（廚房、控火室、觀察室），廚房有個鍋煮着米飯（鍋上有張紙寫着「已熟」或者「未熟」），A在控火室負責關火（當看到鍋上的紙寫着「已熟」時關火），B在觀察室負責觀察米的狀態並修改鍋上貼紙的狀態字（已熟/未熟）；A和B不在一個房間，沒法直接交流；B隔一會觀察下鍋裏的米，若是米熟了就在一張紙上寫「已熟」，未熟就寫「未熟」，B很忙，寫完字後將紙貼在了本身門上，未貼在廚房的鍋上。最終結果是，A看到鍋上的狀態字一直是「未熟」，因此不關火，最終米飯糊了。這就是可見性問題。
從內存模型理解可見性問題：juejin.im/post/5d7760…

3.3 解決原子性問題和內存可見性的核心

       要編寫線程安全的代碼，其核心在於要對狀態(變量）訪問操做進行管理，特別是對共享的和可變的狀態的訪問。
       共享意味着可由多個線程訪問操做，可變意味着能夠被修改。
       上述例1中，若是鹽罐不共享即其餘人不能使用，則不會有線程安全性問題。若是規定不能往鹽罐中裝入，只能從鹽罐中取出，那麼無論多少我的能夠操做鹽罐，鹽罐中始終是鹽，沒有線程安全性問題；一樣，若是一個變量不能被修改，那麼無論多少個線程操做這個變量，也不會帶來線程安全性問題。
       上述例2中，若是強制B在修改狀態字後，將紙貼在鍋上，那麼就可讓A看到米飯的真正狀態，就能夠及時關掉火，蒸出香噴噴的米飯。

       那麼，爲了解決原子性問題和內存可見性問題，怎麼對共享的且可變的變量進行管理？

• 除非須要某個域是可變的，不然應將其聲明爲final域（即聲明爲不可變的）
• 將對共享變量的並行操做轉換爲串行操做（如同步機制、將變量委託給同步容器進行管理）
• 將共享變量轉換爲不共享變量（如線程封閉（棧封閉、ThreadLocal類等））
• 若是某個操做須要以原子方式執行，那麼就想辦法保證這個操做是原子方式執行（如給操做加鎖）
• 對於須要保證內存可見性的變量，能夠強制線程從主內存而不是緩存中讀取變量，在線程存儲變量時強制存取到主內存中。（如加鎖，聲明volatile變量）

切記，核心是管理共享的可變狀態，鎖（內置鎖、Lock鎖）、同步容器類（Vector、Hashtable等）、併發容器類（ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList）、同步工具類（閉鎖、信號量、柵欄）、線程池等都只是是管理共享的可變狀態的工具。