10張圖告訴你多線程那些破事
本文轉載自微信公眾號「愛笑的架構師」，作者雷小帥。轉載本文請聯系愛笑的架構師公眾號。
頭發很多的程序員：『師父，這個批量處理接口太慢了，有什么辦法可以優化?』
架構師：『試試使用多線程優化』
第二天
頭發很多的程序員：『師父，我已經使用了多線程，為什么接口還變慢了?』
架構師：『去給我買杯咖啡，我寫篇文章告訴你』
……吭哧吭哧買咖啡去了
在實際工作中，錯誤使用多線程非但不能提高效率還可能使程序崩潰。以在路上開車為例：
在一個單向行駛的道路上，每輛汽車都遵守交通規則，這時候整體通行是正常的。『單向車道』意味著『一個線程』，『多輛車』意味著『多個job任務』。
單線程順利同行
如果需要提升車輛的同行效率，一般的做法就是擴展車道，對應程序來說就是『加線程池』，增加線程數。這樣在同一時間內，通行的車輛數遠遠大于單車道。
多線程順利同行
然而成年人的世界沒有那么完美，車道一旦多起來『加塞』的場景就會越來越多，出現碰撞后也會影響整條馬路的通行效率。這么一對比下來『多車道』確實可能比『單車道』要慢。
多線程故障
防止汽車頻繁變道加塞可以采取在車道間增加『護欄』，那在程序的世界該怎么做呢?
程序世界中多線程遇到的問題歸納起來就是三類：『線程安全問題』、『活躍性問題』、『性能問題』，接下來會講解這些問題，以及問題對應的解決手段。
線程安全問題
有時候我們會發現，明明在單線程環境中正常運行的代碼，在多線程環境中可能會出現意料之外的結果，其實這就是大家常說的『線程不安全』。那到底什么是線程不安全呢?往下看。
原子性
舉一個銀行轉賬的例子，比如從賬戶A向賬戶B轉1000元，那么必然包括2個操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元，兩個操作都成功才意味著一次轉賬最終成功。
試想一下，如果這兩個操作不具備原子性，從A的賬戶扣減了1000元之后，操作突然終止了，賬戶B沒有增加1000元，那問題就大了。
銀行轉賬這個例子有兩個步驟，出現了意外后導致轉賬失敗，說明沒有原子性。
原子性：即一個操作或者多個操作 要么全部執行并且執行的過程不會被任何因素打斷，要么就都不執行。
原子操作：即不會被線程調度機制打斷的操作，沒有上下文切換。
在并發編程中很多操作都不是原子操作，出個小題目：
- i = 0; // 操作1
- i++; // 操作2
- i = j; // 操作3
- i = i + 1; // 操作4
上面這四個操作中有哪些是原子操作，哪些不是的?不熟悉的人可能認為這些都是原子操作，其實只有操作1是原子操作。
- 操作1：對基本數據類型變量的賦值是原子操作;
- 操作2：包含三個操作，讀取i的值，將i加1，將值賦給i;
- 操作3：讀取j的值，將j的值賦給i;
- 操作4：包含三個操作，讀取i的值，將i加1，將值賦給i;
在單線程環境下上述四個操作都不會出現問題，但是在多線程環境下，如果不通過加鎖操作，往往可能得到意料之外的值。
在Java語言中通過可以使用synchronize或者lock來保證原子性。
可見性
talk is cheap，先show一段代碼：
- class Test {
- int i = 50;
- int j = 0;
- public void update() {
- // 線程1執行
- i = 100;
- }
- public int get() {
- // 線程2執行
- j = i;
- return j;
- }
- }
線程1執行update方法將 i 賦值為100，一般情況下線程1會在自己的工作內存中完成賦值操作，卻沒有及時將新值刷新到主內存中。
這個時候線程2執行get方法，首先會從主內存中讀取i的值，然后加載到自己的工作內存中，這個時候讀取到i的值是50，再將50賦值給j，最后返回j的值就是50了。原本期望返回100，結果返回50，這就是可見性問題，線程1對變量i進行了修改，線程2沒有立即看到i的新值。
可見性：指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。
如上圖每個線程都有屬于自己的工作內存，工作內存和主內存間需要通過store和load等進行交互。
為了解決多線程可見性問題，Java語言提供了volatile這個關鍵字。當一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當有其他線程需要讀取時，它會去內存中讀取新值。而普通共享變量不能保證可見性，因為變量被修改后什么時候刷回到主存是不確定的，另外一個線程讀的可能就是舊值。
當然Java的鎖機制如synchronize和lock也是可以保證可見性的，加鎖可以保證在同一時刻只有一個線程在執行同步代碼塊，釋放鎖之前會將變量刷回至主存，這樣也就保證了可見性。
關于線程不安全的表現還有『有序性』，這個問題會在后面的文章中深入講解。
活躍性問題
上面講到為了解決可見性問題，我們可以采取加鎖方式解決，但是如果加鎖使用不當也容易引入其他問題，比如『死鎖』。
在說『死鎖』前我們先引入另外一個概念：活躍性問題。
活躍性是指某件正確的事情最終會發生，當某個操作無法繼續下去的時候，就會發生活躍性問題。
概念是不是有點拗口，如果看不懂也沒關系，你可以記住活躍性問題一般有這樣幾類：死鎖，活鎖，饑餓問題。
(1)死鎖
死鎖是指多個線程因為環形的等待鎖的關系而永遠的阻塞下去。一圖勝千語，不多解釋。
(2)活鎖
死鎖是兩個線程都在等待對方釋放鎖導致阻塞。而活鎖的意思是線程沒有阻塞，還活著呢。
當多個線程都在運行并且修改各自的狀態，而其他線程彼此依賴這個狀態，導致任何一個線程都無法繼續執行，只能重復著自身的動作和修改自身的狀態，這種場景就是發生了活鎖。
如果大家還有疑惑，那我再舉一個生活中的例子，大家平時在走路的時候，迎面走來一個人，兩個人互相讓路，但是又同時走到了一個方向，如果一直這樣重復著避讓，這倆人就是發生了活鎖，學到了吧，嘿嘿。
(3)饑餓
如果一個線程無其他異常卻遲遲不能繼續運行，那基本是處于饑餓狀態了。
常見有幾種場景:
- 高優先級的線程一直在運行消耗CPU，所有的低優先級線程一直處于等待;
- 一些線程被永久堵塞在一個等待進入同步塊的狀態，而其他線程總是能在它之前持續地對該同步塊進行訪問;
有一個非常經典的饑餓問題就是哲學家用餐問題，如下圖所示，有五個哲學家在用餐，每個人必須要同時拿兩把叉子才可以開始就餐，如果哲學家1和哲學家3同時開始就餐，那哲學家2、4、5就得餓肚子等待了。
性能問題
前面講到了線程安全和死鎖、活鎖這些問題會影響多線程執行過程，如果這些都沒有發生，多線程并發一定比單線程串行執行快嗎，答案是不一定，因為多線程有創建線程和線程上下文切換的開銷。
創建線程是直接向系統申請資源的，對操作系統來說創建一個線程的代價是十分昂貴的，需要給它分配內存、列入調度等。
線程創建完之后，還會遇到線程上下文切換。
CPU是很寶貴的資源速度也非常快，為了保證雨露均沾，通常為給不同的線程分配時間片，當CPU從執行一個線程切換到執行另一個線程時，CPU 需要保存當前線程的本地數據，程序指針等狀態，并加載下一個要執行的線程的本地數據，程序指針等，這個開關被稱為『上下文切換』。
一般減少上下文切換的方法有：無鎖并發編程、CAS 算法、使用協程等。
有態度的總結
多線程用好了可以讓程序的效率成倍提升，用不好可能比單線程還要慢。
用一張圖總結一下上面講的：
