编写正确的程序很难，而编写正确的并发程序则难上加难。
线程是Java语言中不可或缺的重要功能，它们能使复杂的异步代码变得更简单，从而极大地简化了复杂系统的开发。
此外，要想充分发挥多处理器系统的强大计算能力，最简单的方式就是使用线程。随着处理器数量的持续增长，如何高效地使用并发正变得越来越重要。
1.1 并发简史
操作系统的出现使得计算机每次能运行多个程序，并且不同的程序都在单独的进程中运行：<u style="box-sizing: border-box;">操作系统为各个独立执行的进程分配各种资源，包括内存，文件句柄以及安全证书等。</u>
如果需要的话，在不同的进程之间可以通过一些粗粒度的通信机制来交换数据，包括：套接字、信号处理器、共享内存、信号量以及文件等。
如果在<mark style="box-sizing: border-box; background: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0);">程序等待的时间可以运行另一个程序，那么无疑将提高资源的利用率</mark>。
串行编程模型的优势在于其直观性和简单性，因为它模仿了人类的工作方式：
每次只做一件事情，做完之后再做另一件。
促使进程出现的因素（<mark style="box-sizing: border-box; background: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0);">资源利用率、公平性以及便利性等</mark>）同样也促使着线程的出现。线程允许在同一个进程中同时存在多个程序控制流。线程会共享进程范围内的资源，例如内存句柄和文件句柄，<u style="box-sizing: border-box;">但每个线程都有各自的程序计数器（Program Counter）、栈以及局部变量等</u>。线程还提供了一种直观的分解模式来充分利用多处理器系统中的硬件并行性，而在同一个程序中的多个线程也可以被同时调度到多个CPU上运行。
线程也被称为轻量级进程。在大多数现代操作系统中，都是以线程为基本的调度单位，而不是进程。如果没有明确的协同机制，那么线程将彼此独立执行。
由于同一个进程中的所有线程都将共享进程的内存地址空间，因此这些线程都能访问相同的变量并在同一个堆上分配对象，这就需要实现一种比在进程间共享数据粒度更细的数据共享机制。
如果没有明确的同步机制来协同对共享数据的访问，那么当一个线程正在使用某个变量时，另一个线程可能同时访问这个变量，这将造成不可预测的结果。
1.2线程的优势
如果使用得当，线程可以有效地降低程序的开发和维护等成本，同时提升复杂应用程序的性能。线程能够将大部分的异步工作流转换成串行工作流，因此能更好地模拟人类的工作方式和交互方式。
在GUI（Graphic User Interface,图形用户界面）应用程序中：线程可以提高用户界面的响应灵敏度。
而在服务器应用程序中：可以提升资源利用率以及系统吞吐率。
线程还可以简化JVM的实现，垃圾收集器通常在一个或多个专门的线程中运行。在许多重要的Java应用程序中，都在一定程度上用到了线程。
1.2.1 发挥多处理器的强大能力
-
基本的调度单位是线程
-
使用多个线程还有助于在单处理器系统上获得更高的吞吐率
1.2.2 建模的简单性
- 通过使用线程，可以将复杂并且异步的工作流进一步分解为一组简单并且同步的工作流，每个工作流在一个单独的线程中运行，并在特定的同步位置进行交互。
1.2.3 异步事件的简化处理
如果某个应用程序对套接字执行读操作时而此时还没有数据到来，那么这个读操作将一直阻塞，知道有数据到达。
<mark style="box-sizing: border-box; background: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0);">在单线程应用程序中，这不仅意味着在处理请求的过程中将停顿，而且还意味着这个线程被阻塞期间，对所有请求的处理都将停顿。</mark>
为了避免这个问题，单线程服务器必使用非阻塞I/O,这种I/O的复杂性要远远高于同步I/O,并且很容易出错。然而，如果每个请求都拥有自己的处理线程，那么在处理某个请求时发生的阻塞将不会影响其他请求的处理。
早期的操作系统通常会将进程中可创建的线程数量限制在一个较低的阈值内，大约在数百个（甚至更少）左右。因此，操作系统提供了一些高效的方法来实现多路I/O,例如Unix的select和poll等系统调用，要调用这些方法，Java类库需要获得一组实现<u style="box-sizing: border-box;">非阻塞I/O的包（java.nio）</u>。然而，在现代操作系统中，线程数量已得到极大的提升，这使得在某些平台上，即使有更多的客户端，为每个客户端分配一个线程也是可行的。
1.3线程带来的风险
1.3.1安全性问题
线程安全性可能是非常复杂的，在没有充足同步的情况下，多个线程中的执行顺序是不可预测的，甚至会产生奇怪的结果。
@NotThreadSafe
public class UnsafeSequence{
private int value;
/**返回一个唯一的数值。*/
public int getNext(){
return value++;
}
}
在单线程环境中，这个类能正确地工作，但在多线程环境中则不能。
UnsafeSequence的问题在于，如果执行时机不对，那么两个线程在调用getNext时会得到相同的值。
00.png
在图1-1中给出了这种错误情况。
虽然递增运算someVariable++看上去是单个操作，但实际上它包含三个独立的操作：读取value,将value加1，并将计算结果写入value。
由于运行时可能将多个线程之间的操作交替执行，因此这两个线程可能同时执行读操作，从而使它们得到相同给的值，并都将这个值加1。
结果就是在不同线程的调用中返回了相同的数值。
<u style="box-sizing: border-box;"><mark style="box-sizing: border-box; background: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0);">在UnsafeSequence类中说明的是一种常见的并发安全问题，称为竞态条件（Race Condition）。</mark></u>**在多线程环境下，getValue是否会返回唯一的值，要取决于运行时对线程中操作的交替执行方式，这并不是我们希望看到的情况。
由于多个线程要共享相同的内存地址空间，并且是并发运行，因此它们可能会访问或修改其他线程正在使用的变量。当然，这是一种极大的便利，因为这种方式比其他线程间通信机制更容易实现数据共享。但它同样也带来了巨大的风险：线程会由于无法预料的数据变化而发生错误。
当多个线程同时访问和修改相同的变量时，将会在串行编程模型中引入非串行因素，而这种非串行性是很难分析的。要使多线程的行为可以预测，必须对共享变量的访问操作进行协同，这样才不会在线程之间发生彼此干扰。幸运的是，Java提供了各种同步机制来协同这种访问。
@ThreadSafe
public Class Sequence{
@GuardedBy("this") private int Value;
public synchronized int getNext(){
return Value++;
}
}
1.4线程无处不在
下面给出的模块都将在应用程序之外的线程中调用应用程序的代码。尽管线程安全性需求可能源自这些模块，但却不会止步于它们，而是会延伸到整个应用程序。
Timer。
Timer类的作用是使任务在稍后的时刻运行，或者运行一次，或者周期性地运行。引入Timer可能会使串行程序变得复杂，因为TimerTask将在Timer管理的线程中执行，而不是由应用程序来管理。如果某个TimerTask访问了应用程序中其他线程访问的数据，那么不仅TimerTask需要以线程安全的方式来访问数据，其他类也必须采用线程安全的方式来访问该数据。通常，要实现这个目标，最简单的方式是确保TimerTask访问的对象本身是线程安全的，从而就能把线程安全性封装在共享对象内部。
Servlet和JavaServer Page(JSP)。
Servlet框架用于部署网页应用程序以及分发来自HTTP客户端的请求。到达服务器的请求可能会通过一个过滤器被分发到正确的Servelt或JSP。每个Servlet都表示一个程序逻辑组件，在高吞吐率的网站中，多个客户端可能同时请求同一个Servlet的服务。在Servlet规范中，<u style="box-sizing: border-box;">Servlet同样需要满足被多个线程同时调用</u>，换句话说，Servlet需要时线程安全的。
即使你可以确保每次只有一个线程调用某个Servlet，但在构建网页应用程序时仍然必须注意线程安全性。Servlet通常会访问与其他Servlet共享的信息，例如应用程序中的对象（这些对象保存在ServletContext中）或者会话中的对象（这些对象保存在每个客户端的HttpSession中）。当一个Servlet访问在多个Servlet或者请求中共享的对象时，必须正确地协同对这些对象的访问，因为多个请求可能在不同的线程中同时访问这些对象。Servlet和JSP，以及在ServletContext和HttpSession等容器中保存在Servlet过滤器和对象等，都必须是线程安全的。
网友评论