十張圖告訴你Java多線程那些破事

這是我參與更文挑戰的第N天，活動詳情查看：更文挑戰java

頭髮不少的程序員：『師父，這個批量處理接口太慢了，有什麼辦法能夠優化？』

架構師：『試試使用多線程優化』

次日

頭髮不少的程序員：『師父，我已經使用了多線程，爲何接口還變慢了？』

架構師：『去給我買杯咖啡，我寫篇文章告訴你』

……吭哧吭哧買咖啡去了
複製代碼

在實際工做中，錯誤使用多線程非但不能提升效率還可能使程序崩潰。以在路上開車爲例：git

在一個單向行駛的道路上，每輛汽車都遵照交通規則，這時候總體通行是正常的。『單向車道』意味着『一個線程』，『多輛車』意味着『多個job任務』。程序員

若是須要提高車輛的同行效率，通常的作法就是擴展車道，對應程序來講就是『加線程池』，增長線程數。這樣在同一時間內，通行的車輛數遠遠大於單車道。面試

然而成年人的世界沒有那麼完美，車道一旦多起來『加塞』的場景就會愈來愈多，出現碰撞後也會影響整條馬路的通行效率。這麼一對比下來『多車道』確實可能比『單車道』要慢。算法

防止汽車頻繁變道加塞能夠採起在車道間增長『護欄』，那在程序的世界該怎麼作呢？編程

程序世界中多線程遇到的問題概括起來就是三類：『線程安全問題』、『活躍性問題』、『性能問題』，接下來會講解這些問題，以及問題對應的解決手段。安全

線程安全問題

有時候咱們會發現，明明在單線程環境中正常運行的代碼，在多線程環境中可能會出現意料以外的結果，其實這就是你們常說的『線程不安全』。那到底什麼是線程不安全呢？往下看。markdown

原子性多線程

舉一個銀行轉帳的例子，好比從帳戶A向帳戶B轉1000元，那麼必然包括2個操做：從帳戶A減去1000元，往帳戶B加上1000元，兩個操做都成功才意味着一次轉帳最終成功。架構

試想一下，若是這兩個操做不具有原子性，從A的帳戶扣減了1000元以後，操做忽然終止了，帳戶B沒有增長1000元，那問題就大了。

銀行轉帳這個例子有兩個步驟，出現了意外後致使轉帳失敗，說明沒有原子性。

原子性：即一個操做或者多個操做要麼所有執行而且執行的過程不會被任何因素打斷，要麼就都不執行。

原子操做：即不會被線程調度機制打斷的操做，沒有上下文切換。

在併發編程中不少操做都不是原子操做，出個小題目：

i = 0; // 操做1
i++;   // 操做2
i = j; // 操做3
i = i + 1; // 操做4
複製代碼

上面這四個操做中有哪些是原子操做，哪些不是的？不熟悉的人可能認爲這些都是原子操做，其實只有操做1是原子操做。

操做1：對基本數據類型變量的賦值是原子操做；
操做2：包含三個操做，讀取i的值，將i加1，將值賦給i；
操做3：讀取j的值，將j的值賦給i；
操做4：包含三個操做，讀取i的值，將i加1，將值賦給i；

在單線程環境下上述四個操做都不會出現問題，可是在多線程環境下，若是不經過加鎖操做，每每可能獲得意料以外的值。

在Java語言中經過可使用synchronize或者lock來保證原子性。

可見性

talk is cheap，先show一段代碼：

/**
* Author: leixiaoshuai
*/
class Test {
  int i = 50;
  int j = 0;
  
  public void update() {
    // 線程1執行
    i = 100;
  }
  
  public int get() {
    // 線程2執行
    j = i;
    return j;
  }
}
複製代碼

線程1執行update方法將 i 賦值爲100，通常狀況下線程1會在本身的工做內存中完成賦值操做，卻沒有及時將新值刷新到主內存中。

這個時候線程2執行get方法，首先會從主內存中讀取i的值，而後加載到本身的工做內存中，這個時候讀取到i的值是50，再將50賦值給j，最後返回j的值就是50了。本來指望返回100，結果返回50，這就是可見性問題，線程1對變量i進行了修改，線程2沒有當即看到i的新值。

可見性：指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其餘線程可以當即看獲得修改的值。

如上圖每一個線程都有屬於本身的工做內存，工做內存和主內存間須要經過store和load等進行交互。

爲了解決多線程可見性問題，Java語言提供了volatile這個關鍵字。當一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會當即被更新到主存，當有其餘線程須要讀取時，它會去內存中讀取新值。而普通共享變量不能保證可見性，由於變量被修改後何時刷回到主存是不肯定的，另一個線程讀的可能就是舊值。

固然Java的鎖機制如synchronize和lock也是能夠保證可見性的，加鎖能夠保證在同一時刻只有一個線程在執行同步代碼塊，釋放鎖以前會將變量刷回至主存，這樣也就保證了可見性。

關於線程不安全的表現還有『有序性』，這個問題會在後面的文章中深刻講解。

活躍性問題

上面講到爲了解決可見性問題，咱們能夠採起加鎖方式解決，可是若是加鎖使用不當也容易引入其餘問題，好比『死鎖』。

在說『死鎖』前咱們先引入另一個概念：活躍性問題。

活躍性是指某件正確的事情最終會發生，當某個操做沒法繼續下去的時候，就會發生活躍性問題。

概念是否是有點拗口，若是看不懂也不要緊，你能夠記住活躍性問題通常有這樣幾類：死鎖，活鎖，飢餓問題。

（1）死鎖

死鎖是指多個線程由於環形的等待鎖的關係而永遠的阻塞下去。一圖勝千語，很少解釋。

（2）活鎖

死鎖是兩個線程都在等待對方釋放鎖致使阻塞。而活鎖的意思是線程沒有阻塞，還活着呢。

當多個線程都在運行而且修改各自的狀態，而其餘線程彼此依賴這個狀態，致使任何一個線程都沒法繼續執行，只能重複着自身的動做和修改自身的狀態，這種場景就是發生了活鎖。

![](/Users/ray/Library/Application Support/typora-user-images/image-20210408232019843.png)

若是你們還有疑惑，那我再舉一個生活中的例子，你們平時在走路的時候，迎面走來一我的，兩我的互相讓路，可是又同時走到了一個方向，若是一直這樣重複着避讓，這倆人就是發生了活鎖，學到了吧，嘿嘿。

（3）飢餓

若是一個線程無其餘異常卻遲遲不能繼續運行，那基本是處於飢餓狀態了。

常見有幾種場景:

高優先級的線程一直在運行消耗CPU，全部的低優先級線程一直處於等待；
一些線程被永久堵塞在一個等待進入同步塊的狀態，而其餘線程老是能在它以前持續地對該同步塊進行訪問；

有一個很是經典的飢餓問題就是哲學家用餐問題，以下圖所示，有五個哲學家在用餐，每一個人必需要同時拿兩把叉子才能夠開始就餐，若是哲學家1和哲學家3同時開始就餐，那哲學家二、四、5就得餓肚子等待了。

性能問題

前面講到了線程安全和死鎖、活鎖這些問題會影響多線程執行過程，若是這些都沒有發生，多線程併發必定比單線程串行執行快嗎，答案是不必定，由於多線程有建立線程和線程上下文切換的開銷。

建立線程是直接向系統申請資源的，對操做系統來講建立一個線程的代價是十分昂貴的，須要給它分配內存、列入調度等。

線程建立完以後，還會遇到線程上下文切換。

CPU是很寶貴的資源速度也很是快，爲了保證雨露均沾，一般爲給不一樣的線程分配時間片，當CPU從執行一個線程切換到執行另外一個線程時，CPU 須要保存當前線程的本地數據，程序指針等狀態，並加載下一個要執行的線程的本地數據，程序指針等，這個開關被稱爲『上下文切換』。

通常減小上下文切換的方法有：無鎖併發編程、CAS 算法、使用協程等。

有態度的總結

多線程用好了可讓程序的效率成倍提高，用很差可能比單線程還要慢。

用一張圖總結一下上面講的：

文章講了多線程併發會遇到的問題，你可能也發現了，文章中並無給出具體的解決方案，由於這些問題在Java語言設計過程當中大神都已經爲你考慮過了。

Java併發編程學起來有必定難度，但這也是從初級程序員邁向中高級程序員的必經道路，接下來的文章會帶領你們逐個擊破！

做者：雷小帥

Github 『Java八股文』開源項目做者，專一Java面試套路，Java進階學習，打破內卷拿大廠Offer，升職加薪！

做者簡介：

☕讀過幾年書：華中科技大學碩士畢業；

😂浪過幾個大廠：華爲、網易、百度……

😘一直堅信技術能改變世界，願保持初心，加油技術人！