Java并发编程入门（一）

一、为什么要并发？

出现背景：操作系统的出现，使计算机同时运行多个程序成为可能。

1、目的：

资源利用率。某些时候，程序必须等待一些外部操作完成（IO）才能继续运行，在等待时间运行其他程序，可以有效提高资源利用率。

公平性。不同的用户和程序对计算机的资源有公平的利用率。

便利性。为了完成一个任务，同时运行多个计算机程序并进行通信，比只运行一个计算机程序更方便。

2、线程

线程也被称为轻量级进程，如果没有调度机制，线程将独立运行。同一进程中的所有线程共享进程的地址空间，实现了更细粒度的资源共享机制。

优势：降低程序的开发与维护成本，提升复杂应用程序的性能。线程能将大部分异步工作流转化成串行工作流，能更好地模拟人类工作和交互方式，并提高机器的资源利用率和吞吐量。

执行同一类型任务的优势：减少切换成本，程序更容易编写和测试，减少错误率。

风险：

安全性：在没有充足同步的情况下，多个线程的执行顺序是不可预测的，甚至会产生奇怪的后果。

活跃性：潜在的阻塞问题。

性能：引入多线程后，线程调度带来的额外开销。

二、线程安全

1、核心：对状态访问操作进行管理，特别是对共享的（Shared）和可变的（Mutable）状态的访问。

“共享”意味着变量可以由多个线程同时访问，而“可变”则意味着变量的值可以在其生命周期内发生变化。一个对象是否线程安全，取决于它是否被多个线程访问，若要实现线程安全，需要采用同步机制来协同对对象可变状态的访问，如果无法实现协同，那么可能会导致数据破坏以及其他不该出现的结果。

Java同步机制：

关键字：synchronized

提供了一种独占的加锁方式。

2、定义：正确性

含义：某个类的行为与其规范完全一致。在良好的规范中，通常会定义各种不变性条件来约束的对象的状态，以及定义各种后验条件来描述对象操作的结果——代码可信性。

当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行，并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同，这个类都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。

示例1：线程安全的Servlet

@ThreadSafe
public class StatelessFactorizer implements Servlet{
　　public void service（ ServletRequest req, ServletResponse resp）{
　　　　　　BigInteger i = extractFromRequest（ req）；
　　　　　　BigInteger[] factors = factor（ i）；
　　　　　　encodeIntoResponse（ resp, factors）；
　　}
}

无状态的Servlet是线程安全的。

大多数的Servlet都是无状态的，从而极大地降低了实现Servlet线程安全时的复杂性问题。只有当Servlet处理请求时需要保存信息时，线程安全才会成为问题。

3、原子性

示例2：非线程安全的Servlet

@NotThreadSafe
public class UnsafeCountingFactorizer implements Servlet {
    private long count = 0;
    public long getCount（）{
        return count;
    }

    public void service（ServletRequest req, ServletResponse resp）{
        BigInteger i = extractFromRequest(req);
        BigInteger[] factors = factor（i);
    }
}

导致线程不安全的原因：count++并非一个原子性的操作，它包含三步操作：读取-写入-修改。如果两个线程同时读取值为9，并分别执行增加操作，则会导致最终值偏差1的情况。