### 深入Java多线程与并发编程
在当今高度发展的信息技术领域中，随着硬件技术的进步和软件架构设计的复杂化，多线程与并发编程成为提高程序执行效率、增强系统性能的关键技术之一。本篇文章将围绕Java多线程与并发编程的核心概念和技术进行深入探讨，帮助读者建立系统的知识体系，并掌握相关的实践方法。
#### 背景介绍
随着互联网应用规模的不断扩大，现代应用面临着高并发请求、CPU密集型操作、I/O密集型处理以及大数据量和计算需求的挑战。为了满足这些需求，开发者需要利用多线程与并发编程来提高程序的响应速度和吞吐能力。通过合理地分配和管理线程资源，可以显著提升应用程序的性能表现。
#### 多任务处理基础
- **操作系统任务调度**：操作系统是实现多任务处理的基础，它负责对CPU资源进行管理和分配。任务调度分为两种主要类型：
- **抢占式**：系统根据一定的策略主动中断正在运行的任务，并将CPU分配给其他任务。
- **协作式**：任务之间通过相互协作的方式共享CPU资源，每个任务都必须主动让出CPU才能使其他任务得以运行。
- **多进程 vs. 多线程 vs. 协程**
- **多进程**：每个进程都有独立的地址空间，因此进程间的通信较为复杂，但是它们之间不会互相影响。
- **多线程**：同一进程中的多个线程共享相同的地址空间，使得线程之间的通信更为高效，但也带来了数据一致性和同步控制的问题。
- **协程**（Coroutine）/纤程（Fiber）：是一种比线程更轻量级的单元，通常在一个线程内运行多个协程，它们通过相互协作而非抢占的方式共享CPU资源。
#### 并发与并行的区别
- **并发（Concurrency）**：指一个处理器“同时”处理多个任务的能力，这里的“同时”实际上是通过快速切换不同任务来实现的。
- **并行（Parallelism）**：则是指多个处理器（或多核）“真正”同时处理多个任务的能力，这通常依赖于硬件的并行处理能力。
#### 多线程的优势
- 可以并行处理任务，从而减少单个任务的等待时间。
- 线程相对于进程来说创建和销毁的成本更低，开销更小。
- 线程之间可以共享资源，减少了资源复制的开销。
- 在多核环境下，可以更充分地利用CPU资源。
#### 多线程可能带来的问题
- **访问冲突**：多个线程同时访问同一资源时可能导致数据不一致。
- **锁竞争**：多个线程试图获取同一个锁时会发生锁竞争，降低效率。
- **死锁**：当两个或更多的线程在等待对方持有的锁释放时会发生死锁。
- **锁粒度**：锁的范围越大，对其他线程的影响也越大。
- **上下文切换开销**：频繁的线程切换会消耗大量的系统资源。
- **同步/内存拷贝开销**：为保证数据一致性而采取的措施会带来额外的开销。
#### Java内存模型与线程安全
- **Java内存模型**：主要包括工作内存（Working Memory）和主内存（Main Memory）。每个线程都有自己的工作内存，用于存储该线程使用的变量副本。线程之间的变量传递通过主内存来完成。
- **变量可见性**：为了确保线程之间的变量更新能够被正确识别，Java提供了如`volatile`关键字等机制来保证变量的可见性。
- **发生原则（Happens-Before）**：这是一种排序原则，用于保证变量的操作顺序。例如，对象监视器的解锁操作必须发生在等待获取该锁的线程获取锁之前；`volatile`变量的写入操作必须发生在该变量的读取之前。
#### 示例代码分析
```java
public class NoVisibility {
private static boolean ready;
private static int number;
private static class ReaderThread extends Thread {
public void run() {
while (!ready) {
Thread.yield();
}
System.out.println(number);
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
new ReaderThread().start();
number = 1;
ready = true;
}
}
```
此示例展示了线程间的变量可见性问题。由于`ready`和`number`变量没有被声明为`volatile`，主线程修改了这两个变量后，其他线程可能看不到最新的值。这种情况下，可以通过添加`volatile`关键字或其他同步机制来解决可见性问题。
#### Java并发工具与容器类
- **同步容器类**：如`Vector`、`HashTable`等，这些容器内部采用了同步锁来保证线程安全性，但可能会导致性能瓶颈。需要注意的是，在多线程环境中连续调用这些容器的方法时仍可能出现线程安全问题。
- **并发容器类**：如`ConcurrentHashMap`、`CopyOnWriteArrayList`等，这些容器采用了更高效的并发控制机制，比如细粒度锁和不可变性等特性，以提高并发性能。
- **线程池**：如`ThreadPoolExecutor`，它可以帮助管理和复用一组固定的线程，有效减少创建和销毁线程的开销。
- **阻塞队列（BlockingQueue）**：提供了一种线程安全的方式来处理生产者-消费者模式中的数据交换。
- **可重入锁（ReentrantLock）**：提供了比内置锁更灵活的锁定机制，支持公平性和非公平性锁定策略。
- **同步器**：如`CountDownLatch`、`Semaphore`等，用于协调线程间的协作关系，实现复杂的同步逻辑。
#### 线程不安全的用法示例
```java
public class NotThreadSafe {
List<String> list = new ArrayList<>();
Map<String, String> map = new HashMap<>();
public String getLast() {
return list.get(list.size() - 1);
}
public void addValue(String key, String value) {
for (Map.Entry entry : map.entrySet()) {
// ...
}
}
}
```
在这个示例中，`ArrayList`和`HashMap`本身不是线程安全的容器，直接在多线程环境中使用这些容器进行迭代操作时可能会引发数据不一致问题。为了保证线程安全性，可以考虑使用`Collections.synchronizedList`、`ConcurrentHashMap`等线程安全的容器替代。
Java多线程与并发编程是一个既复杂又重要的领域。通过对核心概念和技术的深入理解与应用，开发者能够构建出更加高效、稳定的多线程应用程序。
丁码农2021-07-09非常棒的资料
