【Java】《2小時(shí)搞定多線程》個(gè)人筆記
Part1簡(jiǎn)介
基于慕課網(wǎng)站上的一個(gè)一元錢課程《2小時(shí)搞定多線程》的 個(gè)人筆記。
Part2線程的起源
我們先來看看網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于線程起源的說明，理解線程的來龍去脈對(duì)于掌握多線程有一定幫助。
此部分內(nèi)容整理自下面兩篇網(wǎng)絡(luò)博客：
# 線程是什么
# 線程的起源
線程的起源與計(jì)算機(jī)的發(fā)展息息相關(guān)。早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是單指令模式，資源利用效率低下。當(dāng)批處理模式即計(jì)算機(jī)的多指令模式出現(xiàn)后，計(jì)算機(jī)資源利用率得到有效提升，但這種模式又經(jīng)常導(dǎo)致 CPU 陷入等待狀態(tài)，無法得到充分利用，于是進(jìn)程出現(xiàn)了。
當(dāng)用戶對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)出一系列操作指令時(shí)，每個(gè)進(jìn)程會(huì)將不同的操作儲(chǔ)存起來，隨時(shí)進(jìn)行切換。但是進(jìn)程的指令執(zhí)行效率仍然不夠快，無法在同一時(shí)刻執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。為了解決這一問題，技術(shù)人員又發(fā)明了線程。
有了線程以后，每個(gè)操作指令對(duì)應(yīng)的任務(wù)都能夠被劃分為多個(gè)子任務(wù)，由每一個(gè)單獨(dú)的線程負(fù)責(zé)，而不同的線程可以同時(shí)運(yùn)行，這樣計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率便得到進(jìn)一步提升。
我們可以把上面的幾段內(nèi)容做一個(gè)概括：
單指令模式（類似計(jì)算器）。
多指令模式（批處理）。
批處理存在CPU等待情況，進(jìn)程誕生。
進(jìn)程指令運(yùn)行效率不滿足需求，為了處理多任務(wù)線程誕生。
我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這里存在一些不太清楚的概念，單指令是什么？多指令模式又是什么？為什么批處理存在CPU等待情況等等.....下面我們至上而下進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。
1單指令模式（類似計(jì)算器）
在計(jì)算機(jī)誕生的最早期，計(jì)算機(jī)屬于政府和一些大型公司才有的”昂貴“儀器，受制各種因素限制，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)只能完成一些類似”1+1“的指令操作，并且要完成這樣的操作需要用戶把程序?qū)懭氲酱蚩卓ǎ梢钥醋髯钤缙诘拇鎯?chǔ)設(shè)備）并由專門操作人員完成執(zhí)行，整個(gè)過程非常繁瑣。
受這樣的工作模式限制，不管來多少個(gè)用戶進(jìn)行輸入，也只能等待計(jì)算機(jī)管理人員拿到”指令“（物理意義上）完成執(zhí)行。在”拿指令“和”執(zhí)行“的間隙，整個(gè)計(jì)算機(jī)都是空閑不干活的，資源利用率極低。
2多指令模式（批處理）
隨著CPU的執(zhí)行效率提升以及對(duì)CPU資源利用率的要求提升，計(jì)算機(jī)管理員逐漸成為執(zhí)行瓶頸，由此誕生了多指令模式。 多指令模式類似飯店點(diǎn)餐一次性下多個(gè)指令批量完成。為此人們?cè)O(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的批處理操作系統(tǒng)，由它代替計(jì)算機(jī)管理員完成任務(wù)的執(zhí)行切換工作，
批處理可以挨個(gè)執(zhí)行多個(gè)指令，此時(shí)我們可以把整個(gè)計(jì)算機(jī)本身類比為”單進(jìn)程“操作，所以批處理在某些情況下依然存在”閑置“的情況，比如4條指令中第3條需要訪問IO設(shè)備，此時(shí)第4條指令哪怕和第3條沒有任何關(guān)系也依然需要等待。
3進(jìn)程誕生
以上的工作模式被叫做”單道批處理操作系統(tǒng)“，后面為了解決等待問題，人們又設(shè)計(jì)了多道批處理操作系統(tǒng)（也叫多任務(wù)操作系統(tǒng)），它的改進(jìn)優(yōu)勢(shì)如下：
內(nèi)存劃分多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域存儲(chǔ)一個(gè)程序。
程序執(zhí)行 I/O 操作時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將 CPU 資源分配給其它等待執(zhí)行的程序。
由此”進(jìn)程“的基礎(chǔ)概念便誕生了，進(jìn)程就是執(zhí)行中的應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)進(jìn)程分配獨(dú)立的內(nèi)存、空間和所需要的資源（IO設(shè)備，文件等）。
4線程誕生
但是隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)像進(jìn)程這種”指揮軍隊(duì)“的粒度代價(jià)很高并且難以控制，后面又提出了線程的概念。
進(jìn)程調(diào)度的一些問題：
進(jìn)程切換開銷大。
進(jìn)程占用空間是獨(dú)立的，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信難度很大。
單個(gè)進(jìn)程本身執(zhí)行類似IO操作依然會(huì)出現(xiàn)等待情況。（只不過此時(shí)可以切換到其他進(jìn)程）
至此我們簡(jiǎn)單梳理了單指令模式到線程誕生的全過程。
Part3線程和進(jìn)程的關(guān)系
線程包含于進(jìn)程當(dāng)中，進(jìn)程是線程的集合。
當(dāng)操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，至少有一個(gè)進(jìn)程會(huì)啟動(dòng)，而這個(gè)進(jìn)程中往往包含了多個(gè)線程。
Part4線程和進(jìn)程的區(qū)別
相同點(diǎn)如下：
兩者都生命周期是由一樣的，線程會(huì)隨著進(jìn)程結(jié)束而一起結(jié)束。
不同點(diǎn)如下：
起源不同：先有進(jìn)程后有線程，早期CPU為了跟上外部操作，后續(xù)出現(xiàn)線程的概念來提高效率。
概念不同：線程是CPU調(diào)度的最小單位，而進(jìn)程是操作系統(tǒng)調(diào)度程序的獨(dú)立單位。
作用域不同：通常線程存在共享區(qū)域，但是在進(jìn)程和進(jìn)程之間內(nèi)容不共享（除非使用類似IPC手段進(jìn)行進(jìn)程通信）。
開銷不同：進(jìn)程之間通信需要內(nèi)核輔助創(chuàng)建開銷相對(duì)較大，而線程通信創(chuàng)建線程的開銷很小。
線程創(chuàng)建終止時(shí)間比進(jìn)程短。
同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)線程切換時(shí)間比進(jìn)程短。
同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)線程可以互相共享文件資源和內(nèi)存，并且不依賴內(nèi)核就可以完成。
擁有資源不同，線程在擁有進(jìn)程大部分基本資源之外還有獨(dú)立的內(nèi)容。
數(shù)量不同：同一個(gè)進(jìn)程通常只有一個(gè)，而每個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)線程。
這里強(qiáng)調(diào)一下?lián)碛匈Y源不同的含義，線程共享內(nèi)容包括：
進(jìn)程代碼段。
進(jìn)程公有資源（線程可以利用進(jìn)程的共享資源簡(jiǎn)單通信）。
進(jìn)程打開的文件描述符。
信號(hào)處理器。
進(jìn)程當(dāng)前目錄。
進(jìn)程ID進(jìn)程組ID
線程獨(dú)有內(nèi)容包括：
寄存器的值
線程ID
線程名稱
線程堆棧
錯(cuò)誤返回號(hào)碼
線程信號(hào)屏蔽碼
Part5Java 和 多線程
為了迎合時(shí)代需求，Java自誕生之初就天然支持多線程，Java的多線程實(shí)現(xiàn)是和內(nèi)核線程一對(duì)一映射。
5Jvm 天然多線程驗(yàn)證
Jvm啟動(dòng)需要自動(dòng)開啟一些后臺(tái)線程維持工作：
Finalize線程：處理部分對(duì)象的finalize操作。高版本jdk已經(jīng)棄用此實(shí)現(xiàn)
Single signature：接收操作系統(tǒng)的信號(hào)量來進(jìn)行一些操作，比如Kill的信號(hào)量接收強(qiáng)制關(guān)閉程序。
main 線程：也叫主線程，其他用戶創(chuàng)建的線程都都叫做子線程
reference gc：垃圾回收線程，對(duì)象清理工作
為了證明上面的理論，我們可以通過IDEA進(jìn)行調(diào)試來驗(yàn)證答案。
首先我們通過IDEA編寫一個(gè)HelloWorld程序，當(dāng)然為了方便這里個(gè)人直接拿了SpringBoot的Main啟動(dòng)代碼進(jìn)行驗(yàn)證。
public?class?InterviewApplication?{??
??
????public?static?void?main(String[]?args)?{??
????????SpringApplication.run(InterviewApplication.class,?args);??
????}??
??
}
我們把Debug斷點(diǎn)打在代碼的第一行，然后Idea中直接Debug運(yùn)行。
通過下面的篩選功能，我們可以Debug中切換到其他的線程進(jìn)行觀察多線程執(zhí)行情況。
下面j結(jié)果使用為JDK11運(yùn)行。
除了上面這種觀察方式之外，我們可以通過“Threads“視圖界面觀察所有線程的運(yùn)行情況。以IDEA2022版本為例，打開”Threads“視圖只需要在右上角點(diǎn)擊小方塊然后勾選“Threads”即可。
下面結(jié)果使用JDK8運(yùn)行。
個(gè)人更喜歡上面的展現(xiàn)方式，平鋪直敘告訴開發(fā)者當(dāng)前斷點(diǎn)內(nèi)的線程運(yùn)行情況。
如果想要多線程Debug，可以鼠標(biāo)右擊斷點(diǎn)，接著會(huì)出現(xiàn)相關(guān)提示切換到“Thread”,，在調(diào)試多線程代碼的時(shí)候，這個(gè)操作會(huì)非常方便好用。
通過上面的簡(jiǎn)單講解可以證明Java天生就是多線程程序（哪怕只有一行代碼）。
Part6理解多線程
6多線程概念
一個(gè)進(jìn)程中擁有多（≥2）個(gè)線程，線程之間相互協(xié)作、共同執(zhí)行一個(gè)應(yīng)用程序。
現(xiàn)代概念中把僅有單個(gè)線程工作的應(yīng)用程序成為單線程程序。
7多線程目的
提高CPU處理效率。
避免無效等待（IO過程可以別的事情）。
提高用戶體驗(yàn)，避免卡頓和縮短等待時(shí)間。
并行處理：提高性能，多個(gè)線程接收http請(qǐng)求。
安卓開發(fā)：主線程只能繪制界面。線程不允許io或者網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，避免卡頓影響體驗(yàn)。
編程建模。
摩爾定律失效之后，CPU的頻率逐漸達(dá)到瓶頸，根本處理器越來越接近納米工藝，再往下原子設(shè)計(jì)無法突破物理極限。導(dǎo)致單核的性能主頻提升已經(jīng)越過臨界點(diǎn)。
CPU由單核轉(zhuǎn)為多核多線程，多線程利用越發(fā)重要。
阿姆達(dá)爾定律：處理器越多，處理效率越高，但是上限取決于串行部分的代碼占比，占比越小性能越高。
8阿姆達(dá)爾定律
在處理器運(yùn)行單核速度放緩的今天，處理器開始追求多核心多線程，但是需要注意多線程的效率提升取決于代碼能夠用到多少并行性能。
如果一個(gè)程序只能單核單線程串行運(yùn)行，那么程序運(yùn)行的時(shí)候多線程是沒有任何意義的，如果代碼支持一半并行一半串行，效率提升2倍，如果程序有95%支持并行，那就可以提升20倍性能。
通過下面這個(gè)圖，可以很直觀的看到并行帶來質(zhì)的提升。
9多線程局限
多線程的引入不可避免的帶來更為復(fù)雜的情況。
異構(gòu)化任務(wù)很難高效并行。
性能安全問題。
上下文切換。
共享數(shù)據(jù)互相篡改幻讀。
緩存失效
線程安全問題。
編碼設(shè)計(jì)邏輯漏洞等。
活躍性問題（線程饑餓、死鎖）。
非原子操作問題（例如 i++）。
10多線程的生活案例
這里列舉生活中吃火鍋的案例來理解多線程：
大火鍋一個(gè)人吃：?jiǎn)芜M(jìn)程單線程串行執(zhí)行。
大火鍋多人吃：?jiǎn)芜M(jìn)程多線程。
每人小火鍋：多進(jìn)程多線程。
吃火鍋底料：資源不足 。
Part7并發(fā)和并行
11并發(fā)和并行的前提
CPU的飛速發(fā)展，比如 i7 出現(xiàn)多核多線程。
編程語言自身支持多線程，這一點(diǎn)很重要，比如Java天生具備多線程能力。
一對(duì)一映射內(nèi)核線程。
充分利用操作系統(tǒng)資源。
操作系統(tǒng)本身：操作系統(tǒng)對(duì)于多線程的利用也很關(guān)鍵，操作系統(tǒng)通過編程語言的邏輯進(jìn)行多線程。調(diào)度是性能影響的關(guān)鍵。
12理清兩者概念
并發(fā)
實(shí)際上包含了兩種概念，第一種：并發(fā)存在程序“并發(fā)性”，第二種：多個(gè)任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)是“并發(fā)”的。
這兩種概念都有一個(gè)很好的比喻，也就是我們的大腦，我們大腦可以具備“并發(fā)性”，比如可以同時(shí)操作鼠標(biāo)和鍵盤。另一個(gè)意義操作鼠標(biāo)和鍵盤這兩個(gè)動(dòng)作是并發(fā)但不是并行的，同時(shí)畫圓和畫圈（需要經(jīng)過一定的訓(xùn)練）可以看作是并行的。
并發(fā)存在程序“并發(fā)性”：
此時(shí)并發(fā)和并行的概念不在同一個(gè)維度。
同一個(gè)時(shí)間可能有多個(gè)線程接替工作，給使用者的感受好像是在同時(shí)工作，比如邊敲鍵盤，邊操作鼠標(biāo)，實(shí)際上是受到程序并發(fā)性的影響。
不同的部分在無序或者同時(shí)執(zhí)行，但是最終結(jié)果不影響。
無論單核還是多核心，只要能得出正確結(jié)果，就具備并發(fā)性。
這時(shí)候和多個(gè)任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)的概念是不在一個(gè)維度上的， 而是更高維度。
多個(gè)任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)是“并發(fā)”的：
這種情況下是邏輯上的“并行”，并不是真正的并行。
重疊的時(shí)間段交替運(yùn)行
并發(fā)不一定并行
并行一定并發(fā)
并發(fā)，并發(fā)和并發(fā)的不同
并行
并行的例子就是兩個(gè)動(dòng)作物理上同時(shí)發(fā)生，比如邊打游戲，邊接電話這兩個(gè)動(dòng)作可以同時(shí)進(jìn)行。
并行是多個(gè)核心可以在同一個(gè)時(shí)間線物理上同時(shí)工作
并行一定并發(fā)
依托于現(xiàn)代處理的發(fā)展
多核能力強(qiáng)化
編程語言支持多線程
兩者關(guān)系
上面的圖可以得出幾個(gè)概念
并發(fā)不一定并行
并行一定并發(fā)
并行和并發(fā)是并行包含在并發(fā)的概念里面，所以并行的前提是并發(fā)
13提問：并發(fā)程序一定是并行的么？
結(jié)論：并發(fā)程序不一定并行，但是并行程序一定是并發(fā)的。
不一定，因?yàn)閱魏颂幚砥魍ㄟ^快速的上下文切換也可以達(dá)到類似并行的效果，實(shí)際上是利用搶占式的系統(tǒng)調(diào)用和分片式的系統(tǒng)調(diào)用完成的。
單核邏輯上同行運(yùn)行叫做并發(fā)。上下文切換非?？?，所以會(huì)認(rèn)為是并行的。多核實(shí)現(xiàn)了物理上并行，核心和核心之間互相獨(dú)立，可以真正意義上物理時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)。
比喻：是一個(gè)人操作多條流水線，好像每一個(gè)流水線都可以處理任務(wù)。多個(gè)人在流水線上，一個(gè)流水線掛了可以由別的流水線接收。
并發(fā)繼續(xù)拓展
表面上多個(gè)任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)。
程序上的并發(fā)性也叫做并發(fā)。
Part8高并發(fā)和多線程關(guān)系
多線程是解決高并發(fā)問題的解決方案之一，但是多線程不是高并發(fā)的唯一辦法。
比如redis操作數(shù)據(jù)就是單線程實(shí)現(xiàn)的（保證原子性非常簡(jiǎn)單），因?yàn)闆]有上下文切換十分高效，它沒有用到多線程卻頁解決了數(shù)據(jù)庫高并發(fā)的問題，分擔(dān)壓力。
拓展：
并行的程序執(zhí)行效率取決于開發(fā)者的代碼。
取決于處理器的性能。
操作系統(tǒng)的調(diào)度。
Part9高并發(fā)的性能指標(biāo)
QPS：每秒的查詢數(shù)量，越高說明服務(wù)器可以承受的瞬間壓力越大
帶寬：決定了例如視頻網(wǎng)站的服務(wù)質(zhì)量。
PV（Page View）：也就是訪問和點(diǎn)擊量。
UV（Unique View）：表示單個(gè)用戶訪問的次數(shù)，是對(duì)于PV的訪問量和點(diǎn)擊率
UV一定會(huì)小于PV
IP和UV：最大的區(qū)別是是否是同一個(gè)用戶的操作決定，也就是Cookie
IP可能沒有變但是Cookie在切換
IP沒有變，UV+1
IP是每個(gè)人單獨(dú)IP，但是訪問者的Cookie是一樣的
IP+1，Uv不變
兩個(gè)不同的指標(biāo)
第一個(gè)指標(biāo) IP：撥號(hào)上網(wǎng)IP變動(dòng)
第二個(gè)指標(biāo) UV：局域網(wǎng)同一個(gè)賬戶多個(gè)人使用
并發(fā)連接數(shù)
某個(gè)時(shí)刻同時(shí)接受請(qǐng)求數(shù)量
服務(wù)器平均等待時(shí)間
處理一個(gè)請(qǐng)求所需時(shí)間。
Part10同步和異步/阻塞和非阻塞
14同步和異步
區(qū)分關(guān)鍵點(diǎn)：被調(diào)用方的行為
同步
強(qiáng)調(diào)的是被調(diào)用者（服務(wù)器）行為，不是請(qǐng)求方的行為。沒有得到結(jié)果之前，服務(wù)端不返回任何結(jié)果。
和阻塞的判斷剛好相反。
再次強(qiáng)調(diào)是被調(diào)用者（服務(wù)器）行為，不是請(qǐng)求方的行為。
異步
調(diào)用之后服務(wù)端立刻返回結(jié)果（通常是一個(gè)通知）。
案例：燒水壺、買書
燒水壺：傳統(tǒng)的鐵壺需要等待水燒開才會(huì)有結(jié)果，電水壺只需要理解返回啟動(dòng)結(jié)果即可，因?yàn)楹罄m(xù)水燒開之后會(huì)斷電并且提醒。
買書：同步就是書店買書直到老板給出想要的書之前會(huì)一直被迫等待（被調(diào)用方的行為），網(wǎng)上買書下單之后直接通知結(jié)果過幾天之后到貨。
15阻塞和非阻塞
關(guān)鍵：對(duì)于調(diào)用者而言的服務(wù)端狀態(tài)
站在線程狀態(tài)角度
站在線程發(fā)出請(qǐng)求之后請(qǐng)求方的角度
案例：燒水壺、買書
燒水壺：阻塞就是看著水一直到燒開，非阻塞就是燒水的時(shí)候間隔一段時(shí)間看一眼。
買書：阻塞就是拿到要買的書籍之前老老實(shí)實(shí)等待（調(diào)用方等待），非阻塞書店老板找書的過程中可以逛逛書店看看其他的書籍。
16綜合案例
綜合案例用洗衣服的案例來理解。
同步阻塞
洗衣服丟到洗衣機(jī)，全程看著洗衣機(jī)洗完，洗好之后晾衣服。
同步非阻塞
把衣服丟到洗衣機(jī)洗，然后回客廳做其他事情，定時(shí)看看洗衣機(jī)是不是洗完了，洗好后再去晾衣服。（等待期間你可以做其他事情，比如用電腦刷劇看視頻）。
異步阻塞
把衣服丟到洗衣機(jī)洗，然后看著洗衣機(jī)洗完，洗好后再去晾衣服（沒這個(gè)情況，幾乎沒這個(gè)說法，可以忽略）。
異步非阻塞
把衣服丟到洗衣機(jī)洗，然后回客廳做其他事情，洗衣機(jī)洗好后會(huì)自動(dòng)去晾衣服，晾完成后放個(gè)音樂告訴你洗好衣服并晾好了。
Part11常見問題匯總
17線程和進(jìn)程的相同與不同點(diǎn)
不同點(diǎn)：
起源不同
概念不同
性能開銷不同
作用域不同
擁有資源不同
數(shù)量不同
相同點(diǎn)：生命周期
18并發(fā)和并發(fā)
并發(fā)和高并發(fā)是一個(gè)包含關(guān)系（并行包含并發(fā)），一個(gè)程序并行意味著一定是并發(fā)，但是并發(fā)可以模擬出并行的效果。
并發(fā)有兩種概念，如果是程序“并發(fā)性”，則并行和并發(fā)不在一個(gè)維度，可以任務(wù)無論單核或者多核只要結(jié)果正確就具備并發(fā)性。另外一個(gè)程序具備并發(fā)性也算是并發(fā)的說法。
19多線程的弊端
異構(gòu)化任務(wù)無法用多線程完成的任務(wù)不如單線程高效。
線程安全問題，比如共享變量互相覆蓋。
性能問題，比如上下文切換、緩存失效。
20高并發(fā)是否意味著多線程
多線程僅僅是高并發(fā)的解決方案之一，兩者是兩個(gè)不同的概念，不能混為一談。
多線程不是唯一辦法，但確實(shí)是主要辦法。
緩存、消息隊(duì)列、鎖是高并發(fā)的三架馬車
21同步、異步、阻塞、非阻塞
從并發(fā)編程的角度對(duì)著四個(gè)概念進(jìn)行再次整理。
同步異步：和隊(duì)列有關(guān)，事情能不能委托給其他人來辦。 阻塞非阻塞：和鎖的機(jī)制有關(guān)，做一個(gè)工作的時(shí)候能不能抽空干別的事情。
洗衣機(jī)洗衣服：
同步阻塞：開啟洗衣機(jī)，并且全程盯著洗衣機(jī)工作。
同步非阻塞，開啟洗衣機(jī)，雖然還是要隔幾分鐘看洗衣機(jī)是否完成工作，但是期間可以干別的事情。
異步阻塞：委托給洗衣機(jī)自己洗衣服，但是要全程盯著取出衣服最后把衣服晾了。
異步非阻塞：告訴洗衣機(jī)自己洗衣服，工作完成之后洗衣機(jī)自動(dòng)把衣服晾了，最后告知結(jié)果。
22單核CPU上多線程的意義
開啟多個(gè)線程可以讓耗時(shí)的任務(wù)交給后臺(tái)處理，利用其他線程提供服務(wù)。
程序不知道運(yùn)行在單核還是多核，單核CPU也可以充分利用多線程提高資源利用率。
