10张图告诉你多线程那些破事

Posted 2021-06-27 程序员大咖

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了10张图告诉你多线程那些破事相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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作者丨雷小帅

来源丨爱笑的架构师（ID：DancingOnYourCode）

头发很多的程序员：『师父，这个批量处理接口太慢了，有什么办法可以优化？』

架构师：『试试使用多线程优化』

第二天

头发很多的程序员：『师父，我已经使用了多线程，为什么接口还变慢了？』

架构师：『去给我买杯咖啡，我写篇文章告诉你』

……吭哧吭哧买咖啡去了

在实际工作中，错误使用多线程非但不能提高效率还可能使程序崩溃。以在路上开车为例：

在一个单向行驶的道路上，每辆汽车都遵守交通规则，这时候整体通行是正常的。『单向车道』意味着『一个线程』，『多辆车』意味着『多个job任务』。

单线程顺利同行

如果需要提升车辆的同行效率，一般的做法就是扩展车道，对应程序来说就是『加线程池』，增加线程数。这样在同一时间内，通行的车辆数远远大于单车道。

多线程顺利同行

然而成年人的世界没有那么完美，车道一旦多起来『加塞』的场景就会越来越多，出现碰撞后也会影响整条马路的通行效率。这么一对比下来『多车道』确实可能比『单车道』要慢。

多线程故障

防止汽车频繁变道加塞可以采取在车道间增加『护栏』，那在程序的世界该怎么做呢？

程序世界中多线程遇到的问题归纳起来就是三类：『线程安全问题』、『活跃性问题』、『性能问题』，接下来会讲解这些问题，以及问题对应的解决手段。

线程安全问题

有时候我们会发现，明明在单线程环境中正常运行的代码，在多线程环境中可能会出现意料之外的结果，其实这就是大家常说的『线程不安全』。那到底什么是线程不安全呢？往下看。

原子性

举一个银行转账的例子，比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元，两个操作都成功才意味着一次转账最终成功。

试想一下，如果这两个操作不具备原子性，从A的账户扣减了1000元之后，操作突然终止了，账户B没有增加1000元，那问题就大了。

银行转账这个例子有两个步骤，出现了意外后导致转账失败，说明没有原子性。

原子性：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。

原子操作：即不会被线程调度机制打断的操作，没有上下文切换。

在并发编程中很多操作都不是原子操作，出个小题目：

i = 0; // 操作1
i++;   // 操作2
i = j; // 操作3
i = i + 1; // 操作4

上面这四个操作中有哪些是原子操作，哪些不是的？不熟悉的人可能认为这些都是原子操作，其实只有操作1是原子操作。

操作1：对基本数据类型变量的赋值是原子操作；
操作2：包含三个操作，读取i的值，将i加1，将值赋给i；
操作3：读取j的值，将j的值赋给i；
操作4：包含三个操作，读取i的值，将i加1，将值赋给i；

在单线程环境下上述四个操作都不会出现问题，但是在多线程环境下，如果不通过加锁操作，往往可能得到意料之外的值。

在Java语言中通过可以使用synchronize或者lock来保证原子性。

可见性

talk is cheap，先show一段代码：

class Test {
  int i = 50;
  int j = 0;
  
  public void update() {
    // 线程1执行
    i = 100;
  }
  
  public int get() {
    // 线程2执行
    j = i;
    return j;
  }
}

线程1执行update方法将 i 赋值为100，一般情况下线程1会在自己的工作内存中完成赋值操作，却没有及时将新值刷新到主内存中。

这个时候线程2执行get方法，首先会从主内存中读取i的值，然后加载到自己的工作内存中，这个时候读取到i的值是50，再将50赋值给j，最后返回j的值就是50了。原本期望返回100，结果返回50，这就是可见性问题，线程1对变量i进行了修改，线程2没有立即看到i的新值。

可见性：指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。

如上图每个线程都有属于自己的工作内存，工作内存和主内存间需要通过store和load等进行交互。

为了解决多线程可见性问题，Java语言提供了volatile这个关键字。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。而普通共享变量不能保证可见性，因为变量被修改后什么时候刷回到主存是不确定的，另外一个线程读的可能就是旧值。

当然Java的锁机制如synchronize和lock也是可以保证可见性的，加锁可以保证在同一时刻只有一个线程在执行同步代码块，释放锁之前会将变量刷回至主存，这样也就保证了可见性。

关于线程不安全的表现还有『有序性』，这个问题会在后面的文章中深入讲解。