Java多线程——多线程相关知识的逻辑关系梳理

1 学习多线程知识的根本目标

       多线程知识的根本目标是：设计稳健的并发程序。
       固然，本文没法回答这个实践性很强的问题（这与具体的业务相关，涉及到具体的策略），本文主要阐述相关知识之间的关系，但愿初学者不要迷失在多线程工具类的API接口中。

2 并发程序的三大宏观问题

       线程安全性问题、性能问题、活跃性问题。 三者的关系是，在设计并发程序过程当中要首先保证线程安全，在线程安全的基础上努力提高程序性能，在保证线程安全与提高性能时避免引入活跃性问题。
       线程安全是最重要的，设计并发程序是为了提高程序的性能，可是永远不要忘记性能是创建在安全的基础上的；而在保证安全性（如加锁、同步等方法）及优化并发性能（如经过锁分解、锁分段等方法）过程当中，可能会引入活跃性问题（如死锁、饥饿、活锁、糟糕的响应性等问题）。 本文主要阐述线程安全问题的知识。

3 线程安全性

3.1 线程安全性的定义

       当多个线程访问某个类时，这个类始终都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。最核心的概念就是正确性。正确性的含义是，某个类的行为与其规范彻底一致。
       就像你要设计一道菜，那么组成这道菜的食材和调料必定是可控的，即你能确切的描述对这些食材和调料操做的结果，好比放油菜会香，放盐菜会咸，而且知道菜快熟时再放盐，只有对构成这道菜的全部元素都清楚明晰，设计出的菜才符合设想。设计程序时也同样，只有使用的各个变量和函数是可控的，设计出的程序才能按照设计运行。而多线程的使用，可能会使得组成程序的某些变量和行为变得不可控。

3.2 为何多线程会带来线程安全性问题

       要阐明线程安全性问题须要深刻到JAVA内存模型，这里暂时不引入，这里用两个生活中的例子来阐述线程安全性问题的本质（原子性问题和可见性问题）。
【例1】以炒菜为例。其中有个操做是放盐，放盐的操做可分解为三个步骤“找到盐罐→检查盐罐装的是盐→菜快熟的时候将盐倒入菜中”。若是只有一我的在使用盐罐，那么不会有什么问题。可是，若是在你“检查盐罐中装的是盐”以后，将盐倒入菜中以前，另外一我的拿走了盐罐，装了三氯氰胺奶粉，而后将盐罐放回。这个调换过程你并不知道，最后你将调换过的三氯氰胺奶粉倒入了菜中，结果可想而知。这就是线程安全性问题的原子性问题。
从内存模型理解原子性问题：juejin.im/post/5d7760…

【例2】以A和B协做煮米饭为例。有三个房间（厨房、控火室、观察室），厨房有个锅煮着米饭（锅上有张纸写着“已熟”或者“未熟”），A在控火室负责关火（当看到锅上的纸写着“已熟”时关火），B在观察室负责观察米的状态并修改锅上贴纸的状态字（已熟/未熟）；A和B不在一个房间，没法直接交流；B隔一会观察下锅里的米，若是米熟了就在一张纸上写“已熟”，未熟就写“未熟”，B很忙，写完字后将纸贴在了本身门上，未贴在厨房的锅上。最终结果是，A看到锅上的状态字一直是“未熟”，因此不关火，最终米饭糊了。这就是可见性问题。
从内存模型理解可见性问题：juejin.im/post/5d7760…

3.3 解决原子性问题和内存可见性的核心

       要编写线程安全的代码，其核心在于要对状态(变量）访问操做进行管理，特别是对共享的和可变的状态的访问。
       共享意味着可由多个线程访问操做，可变意味着能够被修改。
       上述例1中，若是盐罐不共享即其余人不能使用，则不会有线程安全性问题。若是规定不能往盐罐中装入，只能从盐罐中取出，那么无论多少我的能够操做盐罐，盐罐中始终是盐，没有线程安全性问题；一样，若是一个变量不能被修改，那么无论多少个线程操做这个变量，也不会带来线程安全性问题。
       上述例2中，若是强制B在修改状态字后，将纸贴在锅上，那么就可让A看到米饭的真正状态，就能够及时关掉火，蒸出香喷喷的米饭。

       那么，为了解决原子性问题和内存可见性问题，怎么对共享的且可变的变量进行管理？

• 除非须要某个域是可变的，不然应将其声明为final域（即声明为不可变的）
• 将对共享变量的并行操做转换为串行操做（如同步机制、将变量委托给同步容器进行管理）
• 将共享变量转换为不共享变量（如线程封闭（栈封闭、ThreadLocal类等））
• 若是某个操做须要以原子方式执行，那么就想办法保证这个操做是原子方式执行（如给操做加锁）
• 对于须要保证内存可见性的变量，能够强制线程从主内存而不是缓存中读取变量，在线程存储变量时强制存取到主内存中。（如加锁，声明volatile变量）

切记，核心是管理共享的可变状态，锁（内置锁、Lock锁）、同步容器类（Vector、Hashtable等）、并发容器类（ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList）、同步工具类（闭锁、信号量、栅栏）、线程池等都只是是管理共享的可变状态的工具。