教妹学 Java:难以驾驭的多线程

00、故事的起源

“二哥,上一篇《集合》的反响效果怎么样啊?”三妹对她提议的《教妹学 Java》专栏很关心。

“这篇文章的浏览量要比第一篇《泛型》好得多。”

“这是个好消息啊,说明更多人接受了二哥的创作。”三妹心花怒放了起来。

“也许没什么对比性。”

“没有对比性?我翻看了一下二哥 7 个月前写的文章,是真的水啊,嘻嘻。”三妹卖了一个萌,继续说道,“说实话,竟然还有读者愿意看,真的是不可思议。”

“你是想挨揍吗?”

“别啊。我是说,二哥现在的读者真的很幸运,因为他们看到了更高质量的文章。”三妹继续肆无忌惮地说着她的真心话。

“是啊,比以前好多了,但我还要更加地努力,这次的主题是《多线程》,三妹你准备好了吗?”

“早准备好了。让我继续来提问吧,二哥你继续回答。”三妹已经跃跃欲试了。

01、二哥,什么是线程啊?

三妹,听哥给你慢慢讲啊。

要想了解线程,得先了解进程,因为线程是进程的一个单元。你看,我这台电脑同时开了很多个进程,比如说打字用的这个输入法、写作用的这个浏览器,听歌用的这个音乐播放器。

这些进程同时可能干几件事,比如说这个音乐播放器,一边滚动着歌词,一边播放着音频。也就是说,在一个进程内部,可能同时运行着多个线程(Thread),每个线程负责着不同的任务。

由于每个进程至少要干一件事,所以,一个进程至少有一个线程。在 Java 的程序当中,至少会有一个 main 方法,也就是所谓的主线程。

可以同时执行多个线程,执行方式和多个进程是一样的,都是由操作系统决定的。操作系统可以在多个线程之间进行快速地切换,让每个线程交替地运行。切换的时间越短,程序的效率就越高。

进程和线程之间的关系可以用一句通俗的话讲,就是“进程是爹妈,管着众多的线程儿女。”

02、二哥,为什么要用多线程啊?

三妹,先去给哥泡杯咖啡,再来听哥给你慢慢地讲。

多线程作为一种多任务、并发的工作方式,好处多多。

第一,减少应用程序的响应时间。

对于计算机来说,IO 读写和网络通信相对是比较耗时的任务,如果不使用多线程的话,其他耗时少的任务也必须要等待这些任务结束后才能执行。

第二,充分利用多核 CPU 的优势。

操作系统可以保证当线程数不大于 CPU 数目时,不同的线程运行于不同的 CPU 上。不过,即便线程数超过了 CPU 数目,操作系统和线程池也会尽最大可能地减少线程切换花费的时间,最大可能地发挥并发的优势,提升程序的性能。

第三,相比于多进程,多线程是一种更“高效”的多任务执行方式。

对于不同的进程来说,它们具有独立的数据空间,数据之间的共享必须通过“通信”的方式进行。而线程则不需要,同一进程下的线程之间共享数据空间。

当然了,如果两个线程存取相同的对象,并且每个线程都调用了一个修改该对象状态的方法,将会带来新的问题。

什么问题呢?我们来通过下面的示例进行说明。

public class Cmower {

    public static int count = 0;

    public static int getCount() {
        return count;
    }

    public static void addCount() {
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(10, 1000, 60L, TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10));

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            Runnable r = new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    Cmower.addCount();
                }
            };
            executorService.execute(r);
        }
        executorService.shutdown();
        System.out.println(Cmower.count);
    }

}

我们创建了一个线程池,通过 for 循环让线程池执行 1000 个线程,每个线程调用了一次 Cmower.addCount() 方法,对 count 值进行加 1 操作,当 1000 个线程执行完毕后,在控制台打印 count 的值。

其结果会是什么呢?

998、997、998、996、996

但几乎不会是我们想要的答案 1000。

03、二哥,为什么答案不是 1000 呢?

三妹啊,咖啡泡得太浓了。不过,浓一点的好处是更提神了。

程序在运行过程中,会将运算需要的数据从物理内存中复制一份到 CPU 的高速缓存当中,计算结束之后,再将高速缓存中的数据刷新到物理内存当中。

count++ 来说。当线程执行这个语句时,会先从物理内存中读取 count 的值,然后复制一份到高速缓存当中,CPU 执行指令对 count 进行加 1 操作,再将高速缓存中 count 的最新值刷新到物理内存当中。

在多核 CPU 中,每个线程可能运行于不同的 CPU 中,因此每个线程在运行时会有专属的高速缓存。假设线程 A 正在对 count 进行加 1 操作,此时线程 B 的高速缓存中 count 的值仍然是 0 ,进行加 1 操作后 count 的值为 1。最后两个线程把最新值 1 刷新到物理内存中,而不是理想中的 2。

这种被多个线程访问的变量被称为共享变量,他们通常需要被保护起来。

04、二哥,那该怎么保护共享变量呢?

三妹啊,等我喝口咖啡提提神。

针对上例中出现的 count,可以按照下面的方式进行改造。

public static AtomicInteger count = new AtomicInteger();

public static int getCount() {
    return count.get();
}

public static void addCount() {
    count.incrementAndGet();
}

使用支持原子操作(即一个操作或者多个操作要么全部执行,并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行)的 AtomicInteger 代替基本类型 int。

简单分析一下 AtomicInteger 类,该类源码中可以看到一个有趣的变量 unsafe

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

Unsafe 是一个可以执行不安全、容易犯错操作的特殊类。AtomicInteger 使用了 Unsafe 的原子操作方法 compareAndSwapInt() 对数据进行更新,也就是所谓的 CAS。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                                int expected,
                                                int x);

参数 o 是要进行 CAS 操作的对象(比如说 count),参数 offset 是内存位置,参数 expected 是期望的值,参数 x 是需要更新到的值。

一般的同步方法会从地址 offset 读取值 A,执行一些计算后获得新值 B,然后使用 CAS 将 offset 的值从 A 改为 B。如果 offset 处的值尚未同时更改,则 CAS 操作成功。

CAS 允许执行“读-修改-写”的操作,而无需担心其他线程同时修改了变量,因为如果其他线程修改变量,那么 CAS 会检测它(并失败),算法可以对该操作重新计算。

AtomicInteger 类的源码中还有一个值得注意的变量 value

private volatile int value;

value 使用了关键字 volatile 来保证可见性——当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。

当一个共享变量被 volatile 修饰后,它被修改后的值会立即更新到物理内存中,当有其他线程需要读取时,会去物理内存中读取新值。

而没有被 volatile 修饰的共享变量不能保证可见性,因为不确定这些变量会在什么时候被写入物理内存中,当其他线程去读取时,读到的可能还是原来的旧值。

特别需要注意的是,volatile 关键字只保证变量的可见性,不能保证原子性。

05、故事的未完待续

“二哥,《多线程》就先讲到这吧,再多我就吸收不了了!”三妹的态度很诚恳。

“可以。”

“二哥,我记得上次你说要给大号投稿,结果怎么样了?”三妹关切地问。

“唉,都不好意思说,只收获了两个点赞的表情符号,可能还是基于同情心。吓得我不敢再投稿了,先坚持写吧!”

“结局这么惨淡吗,真的没有一个号要转载吗?我看那个投稿群有三百多个公号呢。”三妹很伤心。

“《教妹学 Java》系列可能有点标题党吧?”

“二哥,既然决定要写,请不要怀疑自己。至少三妹很喜欢这种风格啊。”听完三妹语重心长的话,我心底的那种自我怀疑又烟消云散了。

原文发布于微信公众号 - 沉默王二(cmower)

原文发表时间:2019-06-06

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