Java并发/多线程系列——初识篇

回到过去，电脑有一个CPU，一次只能执行一个程序。后来多任务处理意味着计算机可以同时执行多个程序（AKA任务或进程）。这不是真的“同时”。单个CPU在程序之间共享。操作系统将在运行的程序之间切换，在切换之前执行每个程序一段时间。

随着多任务处理，软件开发人员面临新的挑战。程序不能再假定所有的CPU时间都可用，也不能使用所有内存或任何其他计算机资源。“good citizen”程序应该释放所有不再使用的资源，所以其他程序可以使用它们。

后来又来了多线程，这意味着你可以在同一个程序中有多个执行线程。执行线程可以被认为是执行程序的CPU。当您有多个线程执行相同的程序时，就像在同一程序中执行多个CPU。

多线程是可以提高某些类型程序性能的好方法。然而，多线程比多任务更具挑战性。线程在相同的程序中执行，就会同时读取和写入同一个存储器，这可能导致在单线程程序中看不到错误。在单CPU机器上可能看不到这些错误，因为两个线程从未真正“同时”的执行。现代电脑虽然配有多核CPU，甚至还有多个CPU。这意味着单独的线程可以由多个的内核或多个CPU同时执行。

如果一个线程在另一个线程写入内存时读取该位置的值，那么第一个线程会读取什么值？旧值？第二个线程写的值？还是两者之间的混合的一个值？或者，如果两个线程同时写入内存的同一位置，完成后会留下什么值？第一个线程写的值？第二个线程写的值？还是两个值的混合？

如果没有适当的预防措施，任何这些结果都是可能的，甚至是不可预测。结果可能会不时变化，因此，开发人员知道如何采取正确的预防措施，这就意味着学习控制线程如何访问内存，文件，数据库等共享资源是非常重要的。

多线程的优缺点

优点

• 更高的资源利用率
• 响应速度快
• 占用大量时间的任务可定期将处理器时间让给其它任务
• 可设置各个任务的优先级

缺点

• 对线程进行管理要求额外的 CPU开销。线程的使用会给系统带来上下文切换的额外负担。当这种负担超过一定程度时,多线程的特点主要表现在其缺点上,比如用独立的线程来更新数组内每个元素。
• 线程的死锁问题
• 多个线程同时操作同一资源，造成无法预知的错误

并发模型

Parallel Workers（并行工作）

第一个并发模型就是我所说的parallel worker（并行工作）模型。进入作业被分配给不同的工作人员。以下是并行工作并发模型的图示：

在并行工作并发模型中，委托者将传入的作业分配给不同的工作人员。每个工作人员完成了全部工作。工作并行工作，运行在不同的线程，可能在不同的CPU上。

并行工作并发模型是Java应用程序中最常用的并发模型（尽管正在发生变化）。java.util.concurrent 包中的许多并发实用程序都设计用于此模型。

并行工作的优点

要增加应用程序的并行化，只需添加更多的工作人员。实现简单，易上手。

并行工作的缺点

一旦共享状态进入并行工作并发模式，它就会变得复杂了。线程需要访问共享数据，以确保一个线程的更改对其他线程是可见的（推送到主内存，而不仅仅停留在执行线程的CPU的CPU缓存中）。 线程需要避免竞争条件， 死锁和许多其他共享状态并发问题。

共享状态可以由系统中的其他线程修改。因此，工作人员每次需要重新读取状态，以确保它正在处理最新的副本。无论共享状态是保存在内存还是外部数据库中，都是如此。内部不保持状态的工作者（但每次需要重新读取数据）被称为无状态。每次需要重新读取数据可能会变慢。特别是如果状态存储在外部数据库中。

并行工作者模型的另一个缺点是作业（job）执行顺序是非确定性的。没有办法保证首先或最后执行哪些工作。因此不能保证一个作业发生在另一个作业之前。

Assembly Line（流水线）

这些工人组织得像工厂里的工人一样。每个工作人员只执行完整工作的一部分。当该部分完成时，作业将作业转发到下一个工作人员。每个工人都在自己的线程中运行，与其他工作人员共享状态。 这也有时被称为共享的并发模式。

使用装配线并发模型的系统通常设计为使用非阻塞IO。非阻塞IO意味着当工作人员启动IO操作（例如从网络连接读取文件或数据）时，工作人员不会等待IO调用完成，IO操作速度很慢，所以等待IO操作完成是浪费CPU时间。CPU可能在做其他事情。当IO操作完成时，IO操作的结果（例如数据读取或写入的数据状态）传递给另一个工作。

实际上，这些工作可能不会沿着一条流水线流动。由于大多数系统可以执行多个作业，因此根据需要完成的任务，作业将从工作流程转移到工作。实际上，可能会有多个不同的虚拟装配线同时进行。

作业甚至可以转发给多个工作者进行并发处理。例如，作业可以转发给作业执行器和作业记录器。该图说明如何通过将其作业转发给同一个工作人员（中间装配线中的最后一个工作人员）来完成所有三条装配线的完成：

Actors vs. Channels（演员和通道）

actors和channels是两个类似的流水线模型的例子。

在演员模型中，每个工人都被称为演员。演员可以直接发送消息给对方。消息被异步发送和处理。演员可以用于实现一个或多个作业处理装配线，如前所述。以下是演示模型的图示：

在通道模式中，工作者之间不直接沟通。相反，他们在不同的通道上发布他们的消息（事件）。其他工作者可以在这些通道上收听消息，而不需要发送方知道谁正在收听。这是一个说明通道模型的图：

通道模式对我们来说似乎更加灵活。工作者不需要知道工作者稍后将在装配线中处理什么工作。它只需要知道什么通道转发作业（或发送消息等）。通道上的听众可以订阅并取消订阅，而不影响写入通道的工作者。这允许工人之间稍微松动的耦合。

流水线模型的优点

没有共享状态。工作者之间不用分享任何状态，因此无需考虑并发访问共享状态可能产生的所有并发问题。

有状态的工作者。由于工人知道没有其他线程修改其数据，所以工作人员可以是有状态的。他们可以保留他们需要在内存中操作的数据，只需将最后的外部存储系统进行更改。因此，有状态的工作者通常可能比无状态的工作者更快。

可实现工作订阅。

流水线模型的缺点

代码实现上会更加的复杂，代码的阅读性会降低。因为工作者的代码有时被写成回调处理程序员，有许多嵌套回调处理程序的代码可能会导致一些开发人员调用callback hell（回调地狱）。 callback hell只是意味着很难跟踪代码是在实际程序中是怎么调用的，以及确保每个回调都可以访问所需的数据。

并发性（concurrency）与并行性（parallellism）

术语并发性和并行性通常用于多线程程序。但并发和并行究竟是什么意思，而且是相同的术语还是什么？

简短的答案是“否”。它们不是相同的术语，尽管它们在表面上看起来非常相似。也花了我一些时间来终于找到并了解并发和并行性之间的区别。因此，我决定在这个Java并发教程中添加一个关于并发性与并行性的文本。

并发的实质是一个物理CPU(也可以多个物理CPU) 在若干道程序之间多路复用，并发性是对有限物理资源强制行使多用户共享以提高效率。

并行性指两个或两个以上事件或活动在同一时刻发生。在多道程序环境下，并行性使多个程序同一时刻可在不同CPU上同时执行。

并发，是在同一个cpu上同时（不是真正的同时，而是看来是同时，因为cpu要在多个程序间切换）运行多个程序。

并行，是每个cpu运行一个程序。

打个比方。并发，就像一个人（cpu）喂2个孩子（程序），轮换着每人喂一口，表面上两个孩子都在吃饭。并行，就是2个人喂2个孩子，两个孩子也同时在吃饭。

多线程的状态

初始状态（new）

new出来一个实例，就进入了初始状态

可运行/就绪状态（Runnable）

• 调用线程的start()方法，此线程进入可运行状态。
• 当前线程sleep()方法结束，其他线程join()结束，等待用户输入完毕，某个线程拿到对象锁，这些线程也将进入可运行状态。
• 当前线程时间片用完了，调用当前线程的yield()方法，当前线程进入可运行状态。
• 锁池里的线程拿到对象锁后，进入可运行状态。

当前线程具备了运行条件，但调度程序还没有调度到。

运行状态（Running）

就绪状态的线程获取了CPU，执行程序代码。

阻塞状态（Blocked）

线程因为某种原因释放了运行资源，暂停运行。只有线程再次变为可运行状态，才可能再次运行。

• 执行wait()方法，释放锁资源
• 在获取锁资源时，被其他线程占用，处于等待状态
• 运行sleep()或者join()方法

死亡状态（dead）

线程执行完了run()方法，或者执行run()方法过程中异常退出，或者主线程执行完毕退出。