摘要：多線程環(huán)境下的一些問(wèn)題安全性問(wèn)題在沒(méi)有正確同步的情況下，多線程環(huán)境下程序可能得出錯(cuò)誤的結(jié)果。一些相關(guān)概念競(jìng)爭(zhēng)條件多線程的環(huán)境下，程序執(zhí)行的結(jié)果取決于線程交替執(zhí)行的方式。而線程的交替操作順序是不可預(yù)測(cè)的，如此程序執(zhí)行的結(jié)果也是不可預(yù)測(cè)的。

Java多線程的應(yīng)用復(fù)雜性之如jvm有限的幾個(gè)內(nèi)存方面的操作和規(guī)范，就像無(wú)數(shù)紛繁復(fù)雜的應(yīng)用邏輯建立在有限的指令集上。

如何寫(xiě)出線程安全的程序，有各種各樣需要遵循的規(guī)則，如果硬是去記憶這些寫(xiě)法或者規(guī)則，就事倍功半了，最好是先學(xué)習(xí)原理，抓住問(wèn)題的主干，再拓展細(xì)節(jié)，這也是大家公認(rèn)的學(xué)習(xí)某種技術(shù)的方式。對(duì)于多線程的問(wèn)題，java使用java內(nèi)存模型 JMM來(lái)保證多個(gè)線程可以有效地，正確地工作。

關(guān)注大師的言行，跟隨大師的舉動(dòng)——JUC包已經(jīng)足夠豐富，按照API規(guī)范正確使用。

和大師一起修行——理解多線程問(wèn)題的由來(lái)，以及jvm給出的解決方案，需要理解java的內(nèi)存模型JMM，以及JMM給出的線程工作內(nèi)存與主內(nèi)存交互的規(guī)則如何形成JMM的happens-before原則等。參考書(shū)有知名的《深入理解Java虛擬機(jī)》第12章，最重要的《JSR-133 Java內(nèi)存模型與線程規(guī)范》以及《并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》第16章。

領(lǐng)悟大師的意境——JUC包的實(shí)現(xiàn)原理，volatile和CAS構(gòu)筑了JUC包的基礎(chǔ)類(lèi)，AQS,非阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，原子變量，這些基礎(chǔ)類(lèi)又構(gòu)建了JUC包的高層類(lèi)，Lock，同步器，阻塞隊(duì)列，并發(fā)容器，Executor等。理解了高層類(lèi)的原理，能夠心里有底地使用這些類(lèi)，構(gòu)建健壯的應(yīng)用。

成為真正的大師——學(xué)習(xí)JUC包的實(shí)現(xiàn)，說(shuō)不定哪天也能寫(xiě)出一樣優(yōu)秀的類(lèi)。

1.操作系統(tǒng)中線程的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代操作系統(tǒng)的線程主要有三種實(shí)現(xiàn)：內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)，用戶線程實(shí)現(xiàn)，混合實(shí)現(xiàn)

內(nèi)核線程（KLT）：線程表由內(nèi)核維護(hù)，由內(nèi)核完成線程的切換，內(nèi)核通過(guò)調(diào)度器對(duì)線程進(jìn)行調(diào)度，并將線程的任務(wù)映射到處理器上，每個(gè)內(nèi)核線程可以視為內(nèi)核的一個(gè)分身。程序一般不會(huì)直接使用內(nèi)核線程，而是使用內(nèi)核線程的一種高級(jí)接口——輕量級(jí)進(jìn)程（LWP）（廣義上來(lái)說(shuō)，輕量級(jí)進(jìn)程也是在用戶空間的進(jìn)程中的，所以也是一種用戶線程）。LWP和KLT是一一對(duì)應(yīng)的，是1:1的關(guān)系，因此也叫作一對(duì)一線程模型（1:1）。內(nèi)核線程最大的特點(diǎn)就是，如果有輕量級(jí)進(jìn)程發(fā)生了阻塞，不會(huì)影響整個(gè)進(jìn)程的工作，內(nèi)核會(huì)運(yùn)行其他可運(yùn)行的線程。缺點(diǎn)也是明顯的：各種線程操作都需要系統(tǒng)調(diào)用，需要在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)進(jìn)行來(lái)回切換，代價(jià)高昂，而且因?yàn)檎加脙?nèi)核空間，所以內(nèi)核能支持的數(shù)量是有限的。

用戶級(jí)線程（UT）：狹義上的用戶線程是指，完全建立在用戶空間的線程庫(kù)上，由所在進(jìn)程實(shí)現(xiàn)管理的線程。最大的亮點(diǎn)在于可以在不支持多線程的操作系統(tǒng)之上實(shí)現(xiàn)多線程，如DOS，同時(shí)因?yàn)椴恍枰袚Q到內(nèi)核態(tài)，所以快速且低消耗，也能支持更大規(guī)模的線程數(shù)量。這種模型中，一個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程對(duì)應(yīng)多個(gè)線程，因此叫做一對(duì)多線程模型（1：N）,用戶進(jìn)程的優(yōu)勢(shì)在于不需要內(nèi)核的支援，而因?yàn)闆](méi)有內(nèi)核的支援，所有的線程操作都需要用戶自己處理，導(dǎo)致復(fù)雜性是其劣勢(shì)。線程的創(chuàng)建，切換，調(diào)度都是需要考慮的問(wèn)題，現(xiàn)在使用用戶線程的程序已經(jīng)越來(lái)越少了。java線程在JDK1.2之前，使用用戶線程。

用戶線程+輕量級(jí)進(jìn)程的混合實(shí)現(xiàn)：使用輕量級(jí)進(jìn)程作為用戶線程和內(nèi)核線程的橋梁的一種實(shí)現(xiàn)，用戶線程和輕量級(jí)進(jìn)程的比例不定，因此也叫多對(duì)多線程模型（N：M），UNIX家族中的Solaris提供了N：M的線程模型實(shí)現(xiàn)。

更詳細(xì)的說(shuō)明可以查看介紹操作系統(tǒng)的書(shū)籍。

2.java虛擬機(jī)中線程的實(shí)現(xiàn)

jdk1.2 之前，java使用的是稱為“綠色線程”的用戶線程，而在1.2中，線程模型替換為基于操作系統(tǒng)原生線程模型來(lái)實(shí)現(xiàn)

操作系統(tǒng)支持什么樣的線程模型，很大程度上影響java的線程模型，windows和linux系統(tǒng)提供的線程模型是1:1的，所有這兩個(gè)平臺(tái)上的JDK使用的是1:1的線程模型，一個(gè)java線程映射到一個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程中，Solaris系統(tǒng)同時(shí)支持1:1和N:M，該平臺(tái)中的JDK可以指定參數(shù)選擇線程模型。

操作系統(tǒng)的線程特性會(huì)對(duì)線程的并發(fā)規(guī)模和操作成本產(chǎn)生影響，但是對(duì)java程序的編寫(xiě)和運(yùn)行來(lái)說(shuō)是透明的。

3.多線程環(huán)境下的一些問(wèn)題：

安全性問(wèn)題：在沒(méi)有正確同步的情況下，多線程環(huán)境下程序可能得出錯(cuò)誤的結(jié)果。

活躍性問(wèn)題：在多線程環(huán)境下，當(dāng)某個(gè)操作應(yīng)該繼續(xù)執(zhí)行卻無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行下去，就造成了活躍性問(wèn)題，如：死鎖，饑餓，活鎖。

死鎖：

活鎖：

饑餓：

性能問(wèn)題：線程的頻繁切換將帶來(lái)極大的開(kāi)銷(xiāo)，如：

保存和恢復(fù)執(zhí)行上下文，丟失局部性

使用同步機(jī)制的時(shí)候，這些機(jī)制會(huì)抑制某些編譯器優(yōu)化以保證執(zhí)行順序，

如使用volatile保證可見(jiàn)性的情況下，使內(nèi)存緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)無(wú)效，其他線程需要重新從主內(nèi)存中加載

所有這些因素會(huì)帶來(lái)額外的性能開(kāi)銷(xiāo)。

4.一些相關(guān)概念

競(jìng)爭(zhēng)條件：多線程的環(huán)境下，程序執(zhí)行的結(jié)果取決于線程交替執(zhí)行的方式。而線程的交替操作順序是不可預(yù)測(cè)的，如此程序執(zhí)行的結(jié)果也是不可預(yù)測(cè)的。

狀態(tài)：狀態(tài)在多線程編程中是一個(gè)很核心的概念，因?yàn)榫€程安全性的核心就在于：對(duì)可變的共享狀態(tài)的訪問(wèn)操作進(jìn)行正確的管理。

非正式的定義：狀態(tài)可以簡(jiǎn)單理解為存儲(chǔ)在對(duì)象的域中的數(shù)據(jù)，下面的Counter類(lèi)中的count就是一個(gè)Counter對(duì)象的狀態(tài)。如果不能正確地訪問(wèn)和修改count，那么count的值就不具備正確性。狀態(tài)也包括一個(gè)對(duì)象依賴的對(duì)象的域。

多線程的環(huán)境下，主要是可變的，共享的狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致安全性問(wèn)題，可變意味著狀態(tài)可以被修改，共享意味著可以被多個(gè)線程改變，自然而然的，有三種方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：1.讓對(duì)象不可改變 2. 讓狀態(tài)不可共享 3. 必須共享和改變的，使用某種機(jī)制來(lái)保證順序——同步。

或者更加直接可靠的，不要給對(duì)象狀態(tài)，一個(gè)沒(méi)有狀態(tài)的對(duì)象一定是線程安全的。

線程安全性：當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)某個(gè)類(lèi)的時(shí)候，這個(gè)類(lèi)始終能表現(xiàn)正確的行為，那么這個(gè)類(lèi)是線程安全的。

        public class Counter {
            private long count = 0;
            public long getCount(){
                return count;
            }
        }