教妹學 Java：難以駕馭的多執行緒
00、故事的起源
“二哥，上一篇《集合》的反響效果怎麼樣啊？”三妹對她提議的《教妹學 Java》專欄很關心。
“這篇文章的瀏覽量要比第一篇《泛型》好得多。”
“這是個好訊息啊，說明更多人接受了二哥的創作。”三妹心花怒放了起來。
“也許沒什麼對比性。”
“沒有對比性？我翻看了一下二哥 7 個月前寫的文章，是真的水啊，嘻嘻。”三妹賣了一個萌，繼續說道，“說實話，竟然還有讀者願意看，真的是不可思議。”
“你是想捱揍嗎？”
“別啊。我是說，二哥現在的讀者真的很幸運，因為他們看到了更高質量的文章。”三妹繼續肆無忌憚地說著她的真心話。
“是啊，比以前好多了，但我還要更加地努力，這次的主題是《多執行緒》，三妹你準備好了嗎？”
“早準備好了。讓我繼續來提問吧，二哥你繼續回答。”三妹已經躍躍欲試了。
01、二哥，什麼是執行緒啊？
三妹，聽哥給你慢慢講啊。
要想了解執行緒，得先了解程序，因為執行緒是程序的一個單元。你看，我這臺電腦同時開了很多個程序，比如說打字用的這個輸入法、寫作用的這個瀏覽器，聽歌用的這個音樂播放器。
這些程序同時可能幹幾件事，比如說這個音樂播放器，一邊滾動著歌詞，一邊播放著音訊。也就是說，在一個程序內部，可能同時執行著多個執行緒（Thread），每個執行緒負責著不同的任務。
由於每個程序至少要幹一件事，所以，一個程序至少有一個執行緒。在 Java 的程式當中，至少會有一個 main 方法，也就是所謂的主執行緒。
可以同時執行多個執行緒，執行方式和多個程序是一樣的，都是由作業系統決定的。作業系統可以在多個執行緒之間進行快速地切換，讓每個執行緒交替地執行。切換的時間越短，程式的效率就越高。
程序和執行緒之間的關係可以用一句通俗的話講，就是“程序是爹媽，管著眾多的執行緒兒女。”
02、二哥，為什麼要用多執行緒啊？
三妹，先去給哥泡杯咖啡，再來聽哥給你慢慢地講。
多執行緒作為一種多工、併發的工作方式，好處多多。
第一，減少應用程式的響應時間。
對於計算機來說，IO 讀寫和網路通訊相對是比較耗時的任務，如果不使用多執行緒的話，其他耗時少的任務也必須要等待這些任務結束後才能執行。
第二，充分利用多核 CPU 的優勢。
作業系統可以保證當執行緒數不大於 CPU 數目時，不同的執行緒運行於不同的 CPU 上。不過，即便執行緒數超過了 CPU 數目，作業系統和執行緒池也會盡最大可能地減少執行緒切換花費的時間，最大可能地發揮併發的優勢，提升程式的效能。
第三，相比於多程序，多執行緒是一種更“高效”的多工執行方式。
對於不同的程序來說，它們具有獨立的資料空間，資料之間的共享必須通過“通訊”的方式進行。而執行緒則不需要，同一程序下的執行緒之間共享資料空間。
當然了，如果兩個執行緒存取相同的物件，並且每個執行緒都呼叫了一個修改該物件狀態的方法，將會帶來新的問題。
什麼問題呢？我們來通過下面的示例進行說明。
public class Cmower {
public static int count = 0;
public static int getCount() {
return count;
}
public static void addCount() {
count++;
}
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(10, 1000, 60L, TimeUnit.SECONDS,
new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10));
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
Runnable r = new Runnable() {
@Override
public void run() {
Cmower.addCount();
}
};
executorService.execute(r);
}
executorService.shutdown();
System.out.println(Cmower.count);
}
}
我們建立了一個執行緒池，通過 for 迴圈讓執行緒池執行 1000 個執行緒，每個執行緒呼叫了一次 Cmower.addCount() 方法，對 count 值進行加 1 操作，當 1000 個執行緒執行完畢後，在控制檯列印 count 的值。
其結果會是什麼呢？
998、997、998、996、996
但幾乎不會是我們想要的答案 1000。
03、二哥，為什麼答案不是 1000 呢？
三妹啊，咖啡泡得太濃了。不過，濃一點的好處是更提神了。
程式在執行過程中，會將運算需要的資料從實體記憶體中複製一份到 CPU 的快取記憶體當中，計算結束之後，再將快取記憶體中的資料重新整理到實體記憶體當中。
拿 count++ 來說。當執行緒執行這個語句時，會先從實體記憶體中讀取 count 的值，然後複製一份到快取記憶體當中，CPU 執行指令對 count 進行加 1 操作，再將快取記憶體中 count 的最新值重新整理到實體記憶體當中。
在多核 CPU 中，每個執行緒可能運行於不同的 CPU 中，因此每個執行緒在執行時會有專屬的快取記憶體。假設執行緒 A 正在對 count 進行加 1 操作，此時執行緒 B 的快取記憶體中 count 的值仍然是 0 ，進行加 1 操作後 count 的值為 1。最後兩個執行緒把最新值 1 重新整理到實體記憶體中，而不是理想中的 2。
這種被多個執行緒訪問的變數被稱為共享變數，他們通常需要被保護起來。
04、二哥，那該怎麼保護共享變數呢？
三妹啊，等我喝口咖啡提提神。
針對上例中出現的 count，可以按照下面的方式進行改造。
public static AtomicInteger count = new AtomicInteger();
public static int getCount() {
return count.get();
}
public static void addCount() {
count.incrementAndGet();
}
使用支援原子操作（即一個操作或者多個操作要麼全部執行，並且執行的過程不會被任何因素打斷，要麼就都不執行）的 AtomicInteger 代替基本型別 int。
簡單分析一下 AtomicInteger 類，該類原始碼中可以看到一個有趣的變數 unsafe。
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
Unsafe 是一個可以執行不安全、容易犯錯操作的特殊類。AtomicInteger 使用了 Unsafe 的原子操作方法 compareAndSwapInt() 對資料進行更新，也就是所謂的 CAS。
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
引數 o 是要進行 CAS 操作的物件（比如說 count），引數 offset 是記憶體位置，引數 expected 是期望的值，引數 x 是需要更新到的值。
一般的同步方法會從地址 offset 讀取值 A，執行一些計算後獲得新值 B，然後使用 CAS 將 offset 的值從 A 改為 B。如果 offset 處的值尚未同時更改，則 CAS 操作成功。
CAS 允許執行“讀-修改-寫”的操作，而無需擔心其他執行緒同時修改了變數，因為如果其他執行緒修改變數，那麼 CAS 會檢測它（並失敗），演算法可以對該操作重新計算。
AtomicInteger 類的原始碼中還有一個值得注意的變數 value。
private volatile int value;
value 使用了關鍵字 volatile 來保證可見性——當多個執行緒訪問同一個變數時，一個執行緒修改了這個變數的值，其他執行緒能夠立即看得到修改的值。
當一個共享變數被 volatile 修飾後，它被修改後的值會立即更新到實體記憶體中，當有其他執行緒需要讀取時，會去實體記憶體中讀取新值。
而沒有被 volatile 修飾的共享變數不能保證可見性，因為不確定這些變數會在什麼時候被寫入實體記憶體中，當其他執行緒去讀取時，讀到的可能還是原來的舊值。
特別需要注意的是，volatile 關鍵字只保證變數的可見性，不能保證原子性。
05、故事的未完待續
“二哥，《多執行緒》就先講到這吧，再多我就吸收不了了！”三妹的態度很誠懇。
“可以。”
“二哥，我記得上次你說要給大號投稿，結果怎麼樣了？”三妹關切地問。
“唉，都不好意思說，只收獲了兩個點讚的表情符號，可能還是基於同情心。嚇得我不敢再投稿了，先堅持寫吧！”
“結局這麼慘淡嗎，真的沒有一個號要轉載嗎？我看那個投稿群有三百多個公號呢。”三妹很傷心。
“《教妹學 Java》系列可能有點標題黨吧？”
“二哥，既然決定要寫，請不要懷疑自己。至少三妹很喜歡這種風格啊。”聽完三妹語重心長的話，我心底的那種自我懷疑又煙消雲散了。