[JCIP笔记] （一）多线程的起源

在很久很久以前，那时的计算机还没有操作系统这种东西，所以只能有一个程序，从头到尾地跑。于是这个程序要负责使用所有的资源，还得响应外部请求。想想这个程序得多复杂啊——为了做成一件事，可能要先把内存啊、IO啊这些外缘的东西搞定，而且在做事的时候还不能及时响应用户的请求。同时，由于这个程序一次只能做同一件事情，在某种程度上相当于浪费了宝贵的计算机资源。

于是，大神们发明了操作系统。在操作系统中，许多进程可以同时执行，操作系统给它们提供可以共享的资源——内存，file handle，以及安全凭证等。这样就可以提升运行的效率了，因为不同进程可以各自去做一些独立的事情，访问相关的系统资源；同时，由于可以使用不同的进程去解决不同的问题，也给程序员编程带来了便利。

在早期的操作系统中，每个进程都是一个虚拟的冯·诺依曼结构，程序中的指令是被顺序执行的，也就是说程序的控制流在程序执行之前就是确定的。这个串行执行的模型听起来非常简单，但是过了一段时间以后人们不禁开始思考：这是最好的做法吗？

在人类的日常生活中，经常需要“同时”去处理许多事情，比如做早饭时，把壶架在火上开始烧水，同时把吐司放进烤面包机，然后开始刷牙、洗脸，直到水烧开、面包烤好……人类很聪明，不会站在那里等待水烧开才去烤面包，因为这样做不仅水会凉，更主要的是会浪费时间。把水壶放在灶上，利用烧水的时间去做别的事，而水烧开时，水壶会自动发出声音提醒你水已经烧好了，这个过程在计算机的消息通信机制中有个术语，叫做“异步”。相反，一直站在那里等水烧开了才去做下一步的事情，叫做“同步”。高效的程序需要在串行和异步之间寻找一个平衡。

基于这种“同时做好几件事”的考虑，大神们把进程的发明更进一步，创造了线程。同一个进程中的线程可以共享内存和file handle等资源，但每个线程还有自己的program counter, 栈和局部变量等。这就相当于把进程带来的并行性又增强到一个更细的粒度。多线程的一个显著的优势在于高效的资源利用——在许多操作系统中，线程是最小的调度单位。多个线程可以同时被分配到多个CPU上被执行。几乎可以说，在多核系统上，不使用多线程是对系统资源的一种浪费。

除此之外，如果一个程序中有大量的不同性质的任务要做，我们可以把他们划分到不同的线程中进行处理，使它们成为各自独立的任务，这样大大降低了编程的难度。多线程的存在也大大提升了程序UI的响应度。在UI系统中，设置一个分发线程去听取用户的请求，收到请求后交给其他线程去做复杂的操作和处理，比用单线程进行处理好很多。如果在单线程UI中进行复杂的长时间操作，会让整个UI失去反应，而且无法取消当前的操作。

当然，多线程也为程序员带来了许多挑战。其中最大的挑战是，程序员需要努力不使自己的程序出现线程安全问题。 拿Java举例，如果多个线程同时访问某个数据，且访问时没有足够的同步机制，会导致一种叫做race condition的现象，即程序的运行结果与多线程被调度的时间先后顺序有关，这是我们不希望出现的——我们希望在前置条件一定的情况下，每次运行的结果都是相同的。比如单例模式中，某个类必须最多只有一个对象产生。

另外，多线程程序比单线程程序容易出现liveness问题，比如死锁。多线程的调度和上下文切换也是有代价的，会造成一些额外的性能开销。那么我们在什么情况下才去使用多线程，怎么去规避这些问题呢？这就是本书作者们会贯彻全书给我们讲解的问题。