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。

拿 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。

巴特西