1、進(jìn)程與線程

1.1 進(jìn)程

進(jìn)程（Process）是計(jì)算機(jī)中正在運(yùn)行的程序。程序是一種靜態(tài)的概念，而進(jìn)程是程序再執(zhí)行過(guò)程中創(chuàng)建的動(dòng)態(tài)實(shí)體。每個(gè)進(jìn)程都有自己的內(nèi)存空間、代碼、數(shù)據(jù)和資源，他也是操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和資源分配的基本單位。

• 進(jìn)程是正在運(yùn)行一個(gè)軟件或者腳本。這樣理解更為簡(jiǎn)單一點(diǎn)。

多個(gè)進(jìn)程可以同事運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上，彼此獨(dú)立并且互不干擾。操作系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)程管理來(lái)控制和監(jiān)視進(jìn)程的創(chuàng)建、運(yùn)行、暫停和終止等操作。進(jìn)程還可以通過(guò)進(jìn)程間通信機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)交換和同步。

打開(kāi)windows的任務(wù)管理其，運(yùn)行的程序就是一個(gè)個(gè)進(jìn)程。

1.2 線程

線程（Thread）是程序執(zhí)行的最小單位，它是進(jìn)程的一部分。一個(gè)進(jìn)程可以包含一個(gè)或多個(gè)線程。同一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程共享同一塊內(nèi)存空間和其他資源，他們可以同時(shí)執(zhí)行不同的任務(wù)。每個(gè)線程都有自己的程序計(jì)數(shù)器、棧和一組寄存器，這使得線程能夠獨(dú)立的執(zhí)行代碼。

線程的特點(diǎn)

• 輕量級(jí)：相對(duì)于進(jìn)程來(lái)說(shuō)，線程的創(chuàng)建和上下文切換開(kāi)銷(xiāo)較小；
• 共享資源：同一進(jìn)程中的線程可以共享內(nèi)存和其他資源，因此可以更方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和通信；
• 并發(fā)執(zhí)行：多個(gè)線程可以同時(shí)執(zhí)行，提高了程序的并發(fā)性和效率。

線程的使用可以提升程序的性能和響應(yīng)性，特別是再多核處理器上可以實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。但多線程編程也需要注意線程間的同步和共享數(shù)據(jù)的安全性問(wèn)題，以避免出現(xiàn)竟態(tài)條件和數(shù)據(jù)不一致的情況。

• 線程的時(shí)間效率和空間效率都比進(jìn)程要高。

2、并行與并發(fā)

• 并行
  • 并行（Parallel）是指同時(shí)進(jìn)行多個(gè)任務(wù)，人物之間可以同時(shí)執(zhí)行，彼此獨(dú)立。例如，在多核處理器上，可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)線程或進(jìn)程，這就是并行。
• 并發(fā)
  • 并發(fā)（Concurrent）則是指同時(shí)交替進(jìn)行多個(gè)任務(wù)，人物之間可能有依賴(lài)關(guān)系或競(jìng)爭(zhēng)條件。例如，在單核處理器上，通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式，多個(gè)線程或進(jìn)程通過(guò)快速切換來(lái)執(zhí)行，看起來(lái)是同時(shí)進(jìn)行的，但實(shí)際上是交替執(zhí)行的，并發(fā)中的任務(wù)可能需要依賴(lài)共享資源或競(jìng)爭(zhēng)臨界區(qū)資源。

并行是多個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，而并發(fā)是多個(gè)任務(wù)交替進(jìn)行，并且可能存在資源競(jìng)爭(zhēng)和依賴(lài)。

并行和并發(fā)之間的區(qū)別在于任務(wù)是否可以 同時(shí)執(zhí)行以及是否需要競(jìng)爭(zhēng)共享資源。并行通常需要硬件支持，如多核處理器，能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。而并發(fā)則可以在單核處理器上通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以用并行提高計(jì)算性能和執(zhí)行速度，可適用于多線程編程或分布式計(jì)算；而并發(fā)則可以提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，可適用于任務(wù)調(diào)度和資源管理。

3、多線程的必要性

我們先來(lái)看個(gè)JVM（Java內(nèi)存模型）簡(jiǎn)單模型

Java內(nèi)存模型

• CPU、內(nèi)存（主存）、I/O（讀寫(xiě)），這三者的處理速度有著極大的差異。為了平衡這三者的速度差異，需要在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯程序上進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 CPU緩存優(yōu)化

• CPU（中央處理器）是計(jì)算機(jī)和核心部件，負(fù)責(zé)處理大部分的計(jì)算任務(wù)。然而，CPU處理數(shù)據(jù)的速度遠(yuǎn)高于內(nèi)存讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)的速度，這種速度上的差異就會(huì)導(dǎo)致CPU在等待數(shù)據(jù)時(shí)可能無(wú)事可做，從而浪費(fèi)其處理能力；
• 為了解決這個(gè)問(wèn)題，專(zhuān)門(mén)在CPU和內(nèi)存之間增加了緩存（Cache）作為一個(gè)數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)，用于存放CPU預(yù)期會(huì)用到的數(shù)據(jù)。因?yàn)榫彺媸俏挥贑PU和內(nèi)存之間的臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)，它的存取速度比內(nèi)存要快得多，所以能夠有效地解決CPU和內(nèi)存速度上的差異；
• 當(dāng)CPU需要讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)首先查找緩存中是否有這些數(shù)據(jù)。如果有（這成為“緩存命中”），CPU就可以直接從緩存讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，從而避免了等待內(nèi)存的消耗時(shí)間。如果沒(méi)有（這成為“緩存未命中”），CPU就需要從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，并同時(shí)將這些數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩存，以供后續(xù)使用；
• 通過(guò)這種方式，緩存能夠有效地利用CPU的告訴處理能力，提高計(jì)算機(jī)的整體性能。

CPU增強(qiáng)緩存，會(huì)導(dǎo)致可見(jiàn)性問(wèn)題。

3.2 操作系統(tǒng)優(yōu)化

操作系統(tǒng)增加了進(jìn)程和線程的概念來(lái)實(shí)現(xiàn)分時(shí)復(fù)用CPU資源，進(jìn)而均衡CPU和I/O設(shè)備的速度差異。

• 進(jìn)程是指計(jì)算機(jī)中正在運(yùn)行的程序的實(shí)例。操作系統(tǒng)通過(guò)為每個(gè)進(jìn)程分配一段獨(dú)立的內(nèi)存空間和一組資源（如CPU時(shí)間片、文件掃描符等）來(lái)管理并控制進(jìn)程的運(yùn)行。通過(guò)輪流分配CPU時(shí)間片，操作系統(tǒng)可以讓多個(gè)進(jìn)程交替運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)leCPU的分時(shí)復(fù)用；
• 線程是指進(jìn)程中的一個(gè)獨(dú)立執(zhí)行單元。一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，他們共享該進(jìn)程的資源和狀態(tài)。每個(gè)線程有自己的棧空間和程序計(jì)數(shù)器，但它們共享同一進(jìn)程的內(nèi)存空間、文件掃描符等。操作系統(tǒng)可以 通過(guò)調(diào)度算法在不通的線程之間切換，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)下昵稱(chēng)在單個(gè)進(jìn)程中并發(fā)執(zhí)行；
• 通過(guò)引入進(jìn)程和線程的概念，操作系統(tǒng)可以將CPU時(shí)間片分配給不同的進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的輪流執(zhí)行并提高CPU的利用率。同時(shí)，操作系統(tǒng)可以通過(guò)線程的并發(fā)執(zhí)行來(lái)隱藏I/O設(shè)備操作的等待時(shí)間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；
• 總而言之，操作系統(tǒng)通過(guò)增加進(jìn)程和線程的概念，實(shí)現(xiàn)了分時(shí)復(fù)用CPU資源，使得多個(gè)進(jìn)程和現(xiàn)車(chē)給你可以并發(fā)執(zhí)行，從而在CPU和I/O設(shè)備的速度差異中實(shí)現(xiàn)均衡。

操作系統(tǒng)增加了進(jìn)程、線程，會(huì)導(dǎo)致原子性問(wèn)題。

3.3 編譯程序優(yōu)化

編譯程序優(yōu)化指令執(zhí)行次序，使得緩存能夠得到更加合理地利用。

編譯程序優(yōu)化指令執(zhí)行次序是指在編譯過(guò)程中，編譯器根據(jù)各種優(yōu)化策略和規(guī)則，自動(dòng)調(diào)整和重排程序中指令的順序，以提高程序運(yùn)行的效率和性能。

編譯器進(jìn)行指令優(yōu)化的主要目的是為了解決以下問(wèn)題：

• 硬件資源利用：通過(guò)優(yōu)化調(diào)整指令次序，可以更好地利用CPU的并行性，提高CPU利用率，減少資源浪費(fèi)。例如，通過(guò)指令調(diào)度可以讓CPU同時(shí) 執(zhí)行多條物館的指令，從而提高指令的并行等級(jí)；
• 減少等待時(shí)間：某些指令執(zhí)行需要等待前面指令的結(jié)果，這會(huì)導(dǎo)致CPU空閑等待。通過(guò)優(yōu)化指令順序，可以盡可能地避免這種依賴(lài)，減少CPU空閑時(shí)間，提高運(yùn)行效率；
• 克服性能瓶頸：例如，優(yōu)化內(nèi)存訪問(wèn)指令地順序，可以減少緩沖區(qū)溢出或者下溢地可能性，避免因?yàn)閮?nèi)存訪問(wèn)導(dǎo)致地性能瓶頸；
• 管線浪費(fèi)：現(xiàn)代CPU通常將指令執(zhí)行過(guò)程分解成多個(gè)解讀按，并行執(zhí)行以提高性能，這就是所謂地管線技術(shù)。如果指令地執(zhí)行順序不能很好地匹配CPU管線，就會(huì)導(dǎo)致管線解讀按地閑置，造成性能下降。

通過(guò)這些優(yōu)化，編譯器可以幫助程序員在不需要手動(dòng)干預(yù)地情況下自動(dòng)提高程序地運(yùn)行效率和性能，使得程序在各種硬件平臺(tái)上都能獲得更好的運(yùn)行效果。

編譯程序優(yōu)化指令執(zhí)行次序，會(huì)導(dǎo)致有序性問(wèn)題。

4、線程安全問(wèn)題

如果多個(gè)線程對(duì)同一個(gè)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)而不采取同步操作地的話，那么操作的結(jié)果是不一致的。

以下代碼演示了1000個(gè)線程同時(shí)對(duì)cnt執(zhí)行自增操作，操作結(jié)束之后它的值有可能?chē)[宇1000。

public class ThreadUnsafeExample {
    private int cnt = 0;
    public void add() {
        cnt++;
    }
    public int get() {
        return cnt;
    }
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    final int threadSize = 1000;
    ThreadUnsafeExample example = new ThreadUnsafeExample();
    final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
        executorService.execute(() -> {
            example.add();
            countDownLatch.countDown();
        });
    }
    countDownLatch.await();
    executorService.shutdown();
    System.out.println(example.get());
}
// 輸出結(jié)果：992

為什么多線程會(huì)導(dǎo)致結(jié)果嘯宇1000呢？示什么導(dǎo)致 線程安全問(wèn)題？

• 導(dǎo)致線程安全問(wèn)題的主要原因有三個(gè)方面：CPU緩存導(dǎo)致的可見(jiàn)性問(wèn)題、進(jìn)程或線程導(dǎo)致的原子性問(wèn)題、編譯器優(yōu)化導(dǎo)致的有序性問(wèn)題。

5、線程安全導(dǎo)致原因

多線程操作共享變量時(shí)，才會(huì)引起線程安全問(wèn)題。所以下面操作的變量默認(rèn)都是共享變量。

5.1 可見(jiàn)性

可見(jiàn)性：一個(gè)線程對(duì)共享變量的修改，另外一個(gè)線程能夠立刻看到。

CPU緩存會(huì)導(dǎo)致可見(jiàn)性規(guī)則打破，案例：

//線程1執(zhí)行的代碼
int i = 0;
i = 10;
//線程2執(zhí)行的代碼
j = i;

• 假若執(zhí)行線程1的是CPU1，執(zhí)行線程2的是CPU2.由上面的分析可知，當(dāng)線程1執(zhí)行i=10這句時(shí)，會(huì)先把i的初始值加載到CPU1的高速緩存中，然后賦值為10，那么CPU1的告訴緩存檔中i的值變?yōu)?0了，卻沒(méi)有立即寫(xiě)入到主存檔中；
• 此時(shí)線程2執(zhí)行j=i，它會(huì)先去主存讀取i的值并加載到CPU2的緩存檔中，注意此時(shí)內(nèi)存檔中i的值還是0，那么就會(huì)使得j的值為0，而不是10.

線程1對(duì)變量i修改了之后，線程2沒(méi)有立即看到線程1修改的值。所以CPU緩存會(huì)導(dǎo)致可見(jiàn)性問(wèn)題。

5.2 原子性

原子性：即一個(gè)操作或者多個(gè)操作，要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過(guò)程不會(huì)被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。

分時(shí)復(fù)用會(huì)引起原子性打破，案例：

int i = 1;
// 線程1執(zhí)行
i += 1;
// 線程2執(zhí)行
i += 1;

這里需要注意的是：i += 1需要三條CPU指令。

• 將變量i從內(nèi)存讀取到CPU寄存器；
• 在CPU寄存器中執(zhí)行i + 1 操作；
• 將最后的結(jié)果 i 寫(xiě)入內(nèi)存（緩存機(jī)制導(dǎo)致可能寫(xiě)入的是 CPU 緩存而不是內(nèi)存）。

由于CPU分時(shí)復(fù)用（線程切換）的存在，線程1執(zhí)行了第一條指令后，就切換到線程2執(zhí)行，例如線程2執(zhí)行了這三條指令后，再切換會(huì)線程1執(zhí)行后續(xù)兩條指令，將造成最后寫(xiě)道內(nèi)存中的 i 值是2而不是3。所以 CPU分時(shí)復(fù)用會(huì)導(dǎo)致原子性問(wèn)題。

5.3 有序性

有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的縣厚順序執(zhí)行。

重排序優(yōu)化會(huì)打破程序有序性，案例：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //語(yǔ)句1  
flag = true;          //語(yǔ)句2

雖然上述代碼語(yǔ)句2在語(yǔ)句1之后，但是多線程執(zhí)行順序不一定按語(yǔ)句1、語(yǔ)句2這個(gè)順序執(zhí)行。重排序是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（如處理器、編譯器等）在執(zhí)行程序時(shí)，按照某種規(guī)則重新調(diào)整指令或操作的順序，以提高程序性能或滿(mǎn)足其他需求。

重排序可以分為三種類(lèi)型：編譯器重排序、處理器重排序和內(nèi)存系統(tǒng)重排序。

• 編譯器重排序：在編譯階段，編譯器可能會(huì)對(duì)源代碼中的指令重新排序，以?xún)?yōu)化代碼的執(zhí)行效率。編譯器重排序不會(huì)改變程序的語(yǔ)義，即保證最終的執(zhí)行結(jié)果與源代碼的順序一致。編譯器重排序可以通過(guò)指令級(jí)并行、循環(huán)展開(kāi)、常量傳播等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；
• 處理器重排序：在處理器執(zhí)行指令時(shí)，由于處理器采用了流水線技術(shù)，它可以對(duì)指令進(jìn)行重排序，以盡可能地利用處理器資源。處理器重排序可能包括指令級(jí)重排序（亂序執(zhí)行）和內(nèi)存訪問(wèn)重排序。指令級(jí)重排序是指處理器可以改變指令地執(zhí)行順序，以提高指令地并行度和執(zhí)行效率。內(nèi)存訪問(wèn)重排序是指處理器可以改變對(duì)內(nèi)存地讀寫(xiě)操作地順序，以充分利用內(nèi)存系統(tǒng)地各級(jí)緩存；
• 內(nèi)存系統(tǒng)重排序：由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存在多級(jí)緩存、總線和內(nèi)存等層次結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于內(nèi)存的讀寫(xiě)操作也可能存在重排序。內(nèi)存系統(tǒng)重排序可以通過(guò)緩存一致性協(xié)議和寫(xiě)緩沖區(qū)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

重排序在一定程度上可以提高程序地執(zhí)行速度和效率，但必須在確保程序正確性和語(yǔ)義一致性地前提下進(jìn)行。在并發(fā)編程中，重排序可能會(huì)引發(fā)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)、原子性問(wèn)題等多線程并發(fā)問(wèn)題，因此需要采取同步和內(nèi)存屏障等手段進(jìn)行控制和保護(hù)。

編譯程序優(yōu)化地重排序下，程序地有序性會(huì)打破。所以編譯器優(yōu)化和處理器重排序可能會(huì)導(dǎo)致有序性問(wèn)題。

Java重排序流程：

• 1 屬于編譯器重排序，2 和 3 屬于處理器重排序。這些重排序都可能會(huì)導(dǎo)致多線程程序出現(xiàn)內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題；
• 對(duì)于編譯器，JMM 的編譯器重排序規(guī)則會(huì)禁止類(lèi)型的編譯器重排序（不是所有的編譯器重排序都要禁止）；
• 對(duì)于處理器重排序，JMM 的處理器重排序規(guī)則會(huì)要求Java編譯器在生成指令序列是，插入特定類(lèi)型的內(nèi)存屏障（memory barriers，intel 稱(chēng)之為 memory fence）指令，通過(guò)內(nèi)存屏障指令來(lái)禁止特定類(lèi)型的處理器重排序（不是所有的處理器重排序都要禁止）。

6、Java解決并發(fā)問(wèn)題

Java需要解決多線程并發(fā)安全問(wèn)題，就需要解決 可見(jiàn)性、有序性、原子性 這三個(gè)問(wèn)題。那么，Java是如何解決的呢？

• JMM（Java內(nèi)存模型）規(guī)范了 JVM 如何按需金用緩存和編譯優(yōu)化的方法。

6.1 volatile、synchronized 和 final 關(guān)鍵字

這幾個(gè)關(guān)鍵字，后面會(huì)進(jìn)行詳解，這里先看下概念：

• volatile：volatile 是 Java 提供的一種輕量級(jí)的同步機(jī)制。
  • 保證共享變量的可見(jiàn)性：當(dāng)一個(gè)線程修改了volatile變量的值，新值對(duì)于其他線程來(lái)說(shuō)是可以立即得知的。也就是說(shuō)，volatile變量在各個(gè)線程中式一致的，這就是所謂的可見(jiàn)性；
  • 禁止指令重排序：有些場(chǎng)合下，為了提高性能，編譯器和處理器可能會(huì)對(duì)輸入代碼進(jìn)行優(yōu)化，它們會(huì)把存在數(shù)據(jù)依賴(lài)關(guān)系的操作，重新進(jìn)行排序。聲明為volatile的變量，編譯器和處理器就不會(huì)對(duì)其進(jìn)行重排序；
  • 不提供原子性：雖然volatile變量能保證可見(jiàn)性和有序性，但沒(méi)辦法保證復(fù)合操作的原子性。例如，num++這樣的操作，其實(shí)包含了多個(gè)子操作，包括：讀取原有的值、進(jìn)行加 1 操作、將新值協(xié)會(huì)到內(nèi)存。這三個(gè)子操作并不是原子性的，也并不會(huì)因?yàn)関olatile聲明而編程原子操作。因此，若需要保證原子性，通常需要結(jié)合synchronized或者Atomic變量來(lái)使用。
• synchronized：synchronized關(guān)鍵字在Java中被用來(lái)作為一種同步鎖。
  • 保證線程安全：synchronized可以修飾方法或者以同步塊的形式來(lái)修飾代碼段，能夠保證在同一時(shí)刻最多只有一個(gè)線程執(zhí)行該段代碼，從而保證了類(lèi)實(shí)例的成員變量的線程安全；
  • 保證可見(jiàn)性和有序性：synchronized可以保證被 其修飾的變量的修改能夠及時(shí)地被其他線程看到，從而避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致地情況。此外，其還能夠保證線程地執(zhí)行是有序的，防止出現(xiàn)指令重排地情況；
  • 鎖的釋放與獲?。?/strong>包括以下三種情況會(huì)釋放鎖。一是當(dāng)前線程執(zhí)行完同步代碼就會(huì)釋放掉鎖。二是如果線程執(zhí)行同步代碼塊地過(guò)程中，出現(xiàn)了異常且異常被捕獲，也會(huì)導(dǎo)致鎖地釋放。三是當(dāng)前線程在執(zhí)行同步代碼塊的過(guò)程中執(zhí)行了鎖所屬地對(duì)象地 wait() 方法，這也會(huì)導(dǎo)致線程釋放掉鎖。
• final：final保證不可修改，不變地內(nèi)容不會(huì)引起多線程安全問(wèn)題。
  • final修飾變量：final修飾地變量表示常量，它地值不能被修改。一旦賦值后，就不能再改變。常量一般使用大寫(xiě)字母表示，并使用下劃線分隔單詞；
  • final修飾方法：final修飾地方法不能被子類(lèi)重寫(xiě)。這種方法再繼承關(guān)系中起到了保護(hù)作用，可以確保父類(lèi)地方法行為不被子類(lèi)修改；
  • final修飾類(lèi)：final修飾的類(lèi)不能被繼承，即不能有子類(lèi)繼承該類(lèi)。這樣地類(lèi)通常是不希望被修改和擴(kuò)展的最終版本；
  • final修飾參數(shù)：final修飾方法的參數(shù)，表示該參數(shù)再方法內(nèi)部不可修改。這可以用來(lái)保護(hù)方法內(nèi)部的參數(shù)不被意外改變。

public class StackClosedExample {
    public void add100() {
        int cnt = 0;
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            cnt++;
        }
        System.out.println(cnt);
    }
}
public static void main(String[] args) {
    StackClosedExample example = new StackClosedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> example.add100());
    executorService.execute(() -> example.add100());
    executorService.shutdown();
}
/**
 * 輸出結(jié)果：
 * 100
 * 100
 */