Java 并發(fā)編程(一)：簡介

這篇文章的標(biāo)題原本叫做——Java 并發(fā)編程(一)：簡介，作者名叫小二。但我在接到投稿時覺得這標(biāo)題不夠新穎，不夠吸引讀者的眼球，就在發(fā)文的時候強(qiáng)行修改了標(biāo)題（也不咋滴）。

小二是一名 Java 程序員，就職于沉默公司，工齡是兩年零一個月零三天。和剛畢業(yè)那會相比，編程能力已經(jīng)大有提升，但領(lǐng)導(dǎo)老王一直沒敢把并發(fā)編程的開發(fā)安排給小二，這讓小二心里耿耿于懷。

這事不怪老王，小二心里很清楚：編寫正確的程序很難，編寫正確的并發(fā)程序更是難上加難。自己功力還不到那個份上，萬一搞砸了，難免讓一向謹(jǐn)慎的老王面上無光。

小二想來想去，辦法只有一個，主動去學(xué)！就找老王要了一本《Java并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》，據(jù)說這本書是并發(fā)編程中的經(jīng)典之作。拿到書后，隨手翻了翻，竟然發(fā)現(xiàn)里面藏著一封情書：小二激動壞了，想象著老王寫情話的樣子，不由得笑出來聲。

（戛然而止）

小二的背景就先介紹到這。接下來，我們來一起鑒賞下小二讀完這本書后寫下的第一篇文章。

Java 并發(fā)編程(一)：簡介

01、為什么需要操作系統(tǒng)

我喜歡在寫文章（不用紙和筆用電腦了）的時候聽音樂（不用 MP3 用電腦了），假如電腦只能做一件事情的話，我就只能在寫完文章的時候再聽音樂，或者聽完音樂的時候再開始寫作，這樣就很不爽——在沒有操作系統(tǒng)前，的確就是這么不爽。

有了操作系統(tǒng)后，情況就變得大不一樣了，電腦可以同時運(yùn)行多個程序。通過 TOP 命令可以查看電腦上當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程（和程序有著密切的關(guān)系），見下圖。

通常情況下，一個程序會至少對應(yīng)一個進(jìn)程。上圖中，“Google Chrome”這三個進(jìn)程意味著我的電腦上打開著一個名叫谷瀏覽器的程序。

讓我們用一段專業(yè)的術(shù)語來描述一下程序和進(jìn)程之間的關(guān)系：

程序是計(jì)算機(jī)為完成特定任務(wù)所執(zhí)行的指令序列。 操作系統(tǒng)允許多道程序并發(fā)執(zhí)行共享系統(tǒng)資源，而程序在并發(fā)執(zhí)行時所產(chǎn)生的一系列特點(diǎn)使得傳統(tǒng)的程序概念已經(jīng)不足以對其進(jìn)行描述，因此，引入了“進(jìn)程（Process）”：可以更好的描述計(jì)算機(jī)程序的執(zhí)行過程，反映操作系統(tǒng)的并發(fā)執(zhí)行、資源共享及用戶隨機(jī)訪問的特性，并以此作為資源分配的基本單位。

每當(dāng)一個程序運(yùn)行時，操作系統(tǒng)就為該程序創(chuàng)建了一個進(jìn)程，并為它分配資源、調(diào)度其運(yùn)行。程序執(zhí)行結(jié)束后，進(jìn)程也就消亡了。一個程序被同時執(zhí)行多次，系統(tǒng)就會創(chuàng)建多個進(jìn)程。因此，一個程序可以被多個進(jìn)程執(zhí)行，一個進(jìn)程也可以同時執(zhí)行多個程序。

當(dāng)然了，對于現(xiàn)在的操作系統(tǒng)來說，進(jìn)程并不是最小的調(diào)度單位，而是線程。線程也被稱為輕量級進(jìn)程。

由于同一個進(jìn)程中的所有線程會共享進(jìn)程的內(nèi)存地址空間，因此這些線程都能訪問相同的變量，如果沒有明確的同步機(jī)制來協(xié)同對共享數(shù)據(jù)的訪問，那么當(dāng)一個線程正在使用某個變量時，另外一個線程可能同時訪問這個變量，就會造成不可預(yù)測的結(jié)果。

02、多線程的優(yōu)勢

查看了一下，我這臺電腦的物理 CPU（處理器）個數(shù)只有一個，但是核數(shù)（一塊 CPU 上面能處理數(shù)據(jù)的芯片組的數(shù)量）是 4 個。

這意味著，我這臺電腦能夠在同一時間處理一個進(jìn)程內(nèi)的四個線程任務(wù)：線程 A 正在讀取一個文件，線程 B 正在寫入一個文件，線程 C 正在計(jì)算一個數(shù)值，線程 D 正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。

我們知道，進(jìn)行文件讀寫或者網(wǎng)絡(luò)傳輸通常會發(fā)生阻塞，這也是沒辦法的事。如果沒有多線程的幫助，程序會按照順序依次執(zhí)行，也就意味著發(fā)生阻塞的時候其他任務(wù)只能干巴巴的等著，什么也做不了。

有了多線程，情況就完全不一樣了，線程之間可以互不干擾，從而發(fā)揮處理器的多核能力。

說個有點(diǎn)讓人難為情的事，我是 Eclipse 的（愚）忠實(shí)用戶，至今沒切換到 IDEA 陣營。在用 Eclipse 的時候經(jīng)常會出現(xiàn)這樣的情況，一個進(jìn)度被另外一個卡住，下一個必須等待上一個執(zhí)行完畢才開始執(zhí)行。等待的時候幾乎什么也干不成，點(diǎn)了取消也沒用！

假如 Eclipse 采用多線程的話，每個任務(wù)放在單獨(dú)的任務(wù)中執(zhí)行，響應(yīng)就會快很多。

03、多線程帶來的風(fēng)險(xiǎn)

曾有這樣一則耳熟能詳?shù)墓适隆?/p>

特洛伊人在城外的海灘上發(fā)現(xiàn)了一只巨大的***，他們把它拉進(jìn)了城里而不是把它燒掉或推到海里，以為這是天神給特洛伊人帶來的賜福。于是，特洛伊人歡天喜地，慶祝勝利，他們跳著唱著，喝光了一桶又一桶的酒，以為希臘人被他們戰(zhàn)敗了。

而故事的結(jié)局大家也都知道了。希臘人把特洛伊城掠奪成空，燒成一片灰燼。海倫（宙斯之女，被稱為“世上最美的女人”，她和特洛伊王子私奔，引發(fā)了特洛伊戰(zhàn)爭）也被墨涅依斯帶回了希臘。

多線程帶來了無與倫比的好處，但也潛藏了巨大的風(fēng)險(xiǎn)（就像那個***）。其中尤為突出的就是安全性問題。

public class Unsafe {
  private int chenmo;
  public int add() {
    return chenmo++;
  }
}

上面這段代碼在單線程的環(huán)境中可以正確執(zhí)行，但在多線程的環(huán)境中則不能。遞增運(yùn)算 chenmo++ 可以拆分為三個操作：讀取 chenmo，將 chenmo 加 1，將計(jì)算結(jié)果賦值給 chenmo。兩個線程可能交替執(zhí)行，發(fā)生下圖中的情況，于是兩個線程就會返回相同的結(jié)果。這也是最常見的一種安全性問題。

其次，多線程還會引發(fā)活躍性問題：線程 B 需要等待線程 A 釋放它們共有的資源，而線程 A 由于一些問題導(dǎo)致無法釋放資源，那么線程 B 就只能苦苦地等下去。

再者，多線程還會引發(fā)性能問題（設(shè)計(jì)良好的多線程當(dāng)然會提高性能）：當(dāng)線程調(diào)度器臨時掛起一個活躍中的線程轉(zhuǎn)而運(yùn)行另外一個線程時，就會頻繁地出現(xiàn)上下文切換（Context Switch）——開銷很大（掙得多花的也多）。

04、單核 CPU 和多核 CPU

來思考一個問題吧。假如 CPU 只有一個，核數(shù)也只有一個，多線程還會有優(yōu)勢嗎？

閉上眼，讓思維旋轉(zhuǎn)跳躍會。

來看答案吧。

單核 CPU 上運(yùn)行的多線程程序，同一時間只有一個線程在跑，系統(tǒng)幫忙進(jìn)行線程切換；系統(tǒng)給每個線程分配時間片（大概 10ms）來執(zhí)行，看起來像是在同時跑，但實(shí)際上是每個線程跑一點(diǎn)點(diǎn)就換到其它線程繼續(xù)跑。所以效率不會有所提高，線程的切換反到增加了系統(tǒng)開銷。

那多核 CPU 呢？

當(dāng)然有優(yōu)勢了！多核需要多線程才能發(fā)揮優(yōu)勢（不然巧婦難為無米之炊?。?，同樣，多線程要在多核上才能有所發(fā)揮（好馬配好鞍?。?/p>

多核 CPU 多線程不僅善于處理 IO 密集型的任務(wù)（減少阻塞時間），還善于處理計(jì)算密集型的任務(wù)，比如加密解密、數(shù)據(jù)壓縮解壓縮（視頻、音頻、普通數(shù)據(jù)等），讓每個核心都物盡其用。

05、最后

親愛的讀者朋友們，小二投稿的第一篇文章到此就結(jié)束了。你對此感到滿意嗎？或者說你期待下一篇嗎？

（此時的小二正在翹首以盼）

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