🌟 语言 | Java 并发：多线程



并发与并行的区别

并发：两个及两个以上的作业在同一 时间段 内执行。
并行：两个及两个以上的作业在同一 时刻 执行。

同步和异步的区别

同步：发出一个调用之后，在没有得到结果之前， 该调用就不可以返回，一直等待。
异步：调用在发出之后，不用等待返回结果，该调用直接返回。

多线程的普及

  • 从计算机底层来说： 线程可以比作是轻量级的进程，是程序执行的最小单位，线程间的切换和调度的成本远远小于进程。另外，多核 CPU 时代意味着多个线程可以同时运行，这减少了线程上下文切换的开销。
  • 从当代互联网发展趋势来说： 现在的系统动不动就要求百万级甚至千万级的并发量，而多线程并发编程正是开发高并发系统的基础，利用好多线程机制可以大大提高系统整体的并发能力以及性能。

计算机底层的变迁：

  • 单核时代：在单核时代多线程主要是为了提高单进程利用 CPU 和 IO 系统的效率。 假设只运行了一个 Java 进程的情况，当我们请求 IO 的时候，如果 Java 进程中只有一个线程，此线程被 IO 阻塞则整个进程被阻塞。CPU 和 IO 设备只有一个在运行，那么可以简单地说系统整体效率只有 50%。当使用多线程的时候，一个线程被 IO 阻塞，其他线程还可以继续使用 CPU。从而提高了 Java 进程利用系统资源的整体效率。
  • 多核时代: 多核时代多线程主要是为了提高进程利用多核 CPU 的能力。举个例子：假如我们要计算一个复杂的任务，我们只用一个线程的话，不论系统有几个 CPU 核心，都只会有一个 CPU 核心被利用到。而创建多个线程，这些线程可以被映射到底层多个 CPU 核心上执行，在任务中的多个线程没有资源竞争的情况下，任务执行的效率会有显著性的提高，约等于（单核时执行时间/CPU 核心数）。

单核 CPU 运行 Java 多线程

单核 CPU 是支持 Java 多线程的。

操作系统通过时间片轮转（上下文切换）的方式，将 CPU 的时间分配给不同的线程。尽管单核 CPU 一次只能执行一个任务，但通过快速在多个线程之间切换，可以让用户感觉多个任务是同时进行的。

Java 使用的线程调度方式

操作系统主要通过两种线程调度方式来管理多线程的执行：

  • 抢占式调度（Preemptive Scheduling）：操作系统决定何时暂停当前正在运行的线程，并切换到另一个线程执行。这种切换通常是由系统时钟中断（时间片轮转）或其他高优先级事件（如 I/O 操作完成）触发的。这种方式存在上下文切换开销，但公平性和 CPU 资源利用率较好，不易阻塞。
  • 协同式调度（Cooperative Scheduling）：线程执行完毕后，主动通知系统切换到另一个线程。这种方式可以减少上下文切换带来的性能开销，但公平性较差，容易阻塞。

Java 使用的线程调度是抢占式的。也就是说，JVM 本身不负责线程的调度，而是将线程的调度委托给操作系统。操作系统通常会基于线程优先级和时间片来调度线程的执行，高优先级的线程通常获得 CPU 时间片的机会更多。

单核 CPU 上运行多个线程效率

单核 CPU 同时运行多个线程的效率取决于线程的类型和任务的性质。

线程类型通常有两种：

  • CPU 密集型：CPU 密集型的线程主要进行计算和逻辑处理，需要占用大量的 CPU 资源。
  • IO 密集型：IO 密集型的线程主要进行输入输出操作，如读写文件、网络通信等，需要等待 IO 设备的响应，而不占用太多的 CPU 资源。

在单核 CPU 上，同一时刻只能有一个线程在运行，其他线程需要等待 CPU 的时间片分配。
如果线程是 CPU 密集型的，那么多个线程同时运行会导致频繁的线程切换，增加了系统的开销，降低了效率。
如果线程是 IO 密集型的，那么多个线程同时运行可以利用 CPU 在等待 IO 时的空闲时间，提高了效率。

因此，对于单核 CPU 来说，如果任务是 CPU 密集型的，那么开很多线程会影响效率；如果任务是 IO 密集型的，那么开很多线程会提高效率。有闲置的 CPU 资源才能被线程利用到。

多线程的问题

并发编程的目的就是为了能提高程序的执行效率进而提高程序的运行速度，但是并发编程并不能总是提高程序运行速度，而且并发编程可能会遇到 内存泄露、死锁、线程不安全等问题。

线程不安全

线程安全和不安全是在多线程环境下对于同一份数据的访问是否能够保证其正确性和一致性的描述。

  • 线程安全指的是在多线程环境下，对于同一份数据，不管有多少个线程同时访问，都能保证这份数据的正确性和一致性。
  • 线程不安全则表示在多线程环境下，对于同一份数据，多个线程同时访问时可能会导致数据混乱、错误或者丢失。

死锁

线程死锁描述的是这样一种情况：多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于线程被无限期地阻塞，因此程序不可能正常终止。

例如：线程 A 持有资源 2，线程 B 持有资源 1，他们同时都想申请对方的资源，所以这两个线程就会互相等待而进入死锁状态。

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public class DeadLockDemo {
    private static Object resource1 = new Object();//资源 1
    private static Object resource2 = new Object();//资源 2

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                }
            }
        }, "线程 1").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource1");
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                }
            }
        }, "线程 2").start();
    }
}

Output:

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Thread[线程 1,5,main]get resource1
Thread[线程 2,5,main]get resource2
Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 2,5,main]waiting get resource1

线程 A 通过 synchronized (resource1) 获得 resource1 的监视器锁(1已被🔒)，然后通过 Thread.sleep(1000); 让线程 A 休眠 1s，为的是让线程 B 得到执行然后获取到 resource2 的监视器锁。线程 A 和线程 B 休眠结束了都开始企图请求获取对方的资源，然后这两个线程就会陷入互相等待的状态，这也就产生了死锁。

产生死锁的四个必要条件：

  • 互斥条件：该资源任意一个时刻只由一个线程占用。
  • 请求与保持条件：一个线程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
  • 不剥夺条件：线程已获得的资源在未使用完之前不能被其他线程强行剥夺，只有自己使用完毕后才释放资源。
  • 循环等待条件：若干线程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

检测死锁

  • 使用 jmap、jstack 等命令查看 JVM 线程栈和堆内存的情况。如果有死锁，jstack 的输出中通常会有 Found one Java-level deadlock: 的字样，后面会跟着死锁相关的线程信息。另外，实际项目中还可以搭配使用 top、df、free 等命令查看操作系统的基本情况，出现死锁可能会导致 CPU、内存等资源消耗过高。
  • 采用 VisualVM、JConsole 等工具进行排查。

预防死锁

破坏死锁的产生的必要条件即可：

  1. 破坏请求与保持条件：一次性申请所有的资源。
  2. 破坏不剥夺条件：占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源。
  3. 破坏循环等待条件：靠按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源，释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。

避免死锁

避免死锁就是在资源分配时，借助于算法（比如银行家算法）对资源分配进行计算评估，使其进入安全状态。

对线程 2 的代码修改成下面这样就不会产生死锁了：

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new Thread(() -> {
    synchronized (resource1) {
        System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
        synchronized (resource2) {
            System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
        }
    }
}, "线程 2").start();

Output:

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Thread[线程 1,5,main]get resource1
Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 1,5,main]get resource2
Thread[线程 2,5,main]get resource1
Thread[线程 2,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 2,5,main]get resource2

Process finished with exit code 0

线程 1 首先获得到 resource1 的监视器锁, 这时候线程 2 就获取不到了。然后线程 1 再去获取 resource2 的监视器锁，可以获取到。然后线程 1 释放了对 resource1、resource2 的监视器锁的占用，线程 2 获取到就可以执行了。这样就破坏了循环等待条件，因此避免了死锁。