Java并发编程（一）-- 多线程的基本概念

多线程发展进程

在过去单CPU时代，单任务在一个时间点只能执行单一程序；发展到多任务阶段，计算机能在同一时间点并行执行多任务或多进程--虽然并不是真正意义上的“同一时间点”，而是多个任务或进程共享一个CPU，并交由操作系统来完成多任务间对CPU的运行切换，以使得每个任务都有机会获得一定的时间片运行。ps: 多进程操作系统的基本介绍及线程与进程的区别。

随着多任务对软件开发者带来的新挑战，一个好的程序已不在是“独占”所有的CPU时间、所有的内存和其他计算机资源，而应是在其不再使用这些资源时对其进行释放，使得其他程序有机会使用这些资源。

再后来发展到多线程技术，使得在一个程序内部能拥有多个线程并行执行。一个线程的执行可以被认为是一个CPU在执行该程序。当一个程序运行在多线程下，就好像有多个CPU在同时执行该程序。

所以，多线程比多任务更富有挑战性。多线程是在同一个程序内部并行执行，因此会对相同的内存空间进行并发的读写操作。在单线程程序中从来不会遇到这样的问题，其中的一些错误也不会在单CPU机器上出现。然而，更现代的计算机伴随着多核CPU的出现，也就意味着不同的线程能被不同的CPU并行执行。

Java是最先支持多线程的开发的语言之一，Java从一开始就支持了多线程能力，因此Java开发者能常遇到这样的问题：如果一个线程在读一个内存时，另一个线程正向该内存进行写操作，那进行读操作的那个线程将获得什么结果呢？是写操作之前旧的值？还是写操作成功之后的新值？或是一半新一半旧的值？或者，如果是两个线程同时写同一个内存，在操作完成后将会是什么结果呢？是第一个线程写入的值？还是第二个线程写入的值？还是两个线程写入的一个混合值？因此如没有合适的预防措施，任何结果都是可能的。而且这种行为的发生甚至不能预测，所以结果也是不确定性的。可是一个好的程序不应该有这样的问题，那么就需要进一步了解多线程并发编程的概念及原理。

多线程的优点

• 资源利用率更好
• 程序设计在某些情况下更简单
• 程序响应更快

资源利用率更好

想象一下，一个应用程序需要从本地文件系统中读取和处理文件的情景。比方说，从磁盘读取一个文件需要5秒，处理一个文件需要2秒。处理两个文件则需要：

    5秒读取文件A
    2秒处理文件A
    5秒读取文件B
    2秒处理文件B
    ---------------------
    总共需要14秒

从磁盘中读取文件的时候，大部分的CPU时间用于等待磁盘去读取数据。在这段时间里，CPU非常的空闲。它可以做一些别的事情。通过改变操作的顺序，就能够更好的使用CPU资源。看下面的顺序：

    5秒读取文件A
    5秒读取文件B + 2秒处理文件A
    2秒处理文件B
    ---------------------
    总共需要12秒

CPU等待第一个文件被读取完。然后开始读取第二个文件。当第二文件在被读取的时候，CPU会去处理第一个文件。记住，在等待磁盘读取文件的时候，CPU大部分时间是空闲的。

总的说来，CPU能够在等待IO的时候做一些其他的事情。这个不一定就是磁盘IO。它也可以是网络的IO，或者用户输入。通常情况下，网络和磁盘的IO比CPU和内存的IO慢的多。

程序设计更简单

在单线程应用程序中，如果你想编写程序手动处理上面所提到的读取和处理的顺序，你必须记录每个文件读取和处理的状态。相反，你可以启动两个线程，每个线程处理一个文件的读取和操作。线程会在等待磁盘读取文件的过程中被阻塞。在等待的时候，其他的线程能够使用CPU去处理已经读取完的文件。其结果就是，磁盘总是在繁忙地读取不同的文件到内存中。这会带来磁盘和CPU利用率的提升。而且每个线程只需要记录一个文件，因此这种方式也很容易编程实现。

程序响应更快

将一个单线程应用程序变成多线程应用程序的另一个常见的目的是实现一个响应更快的应用程序。设想一个服务器应用，它在某一个端口监听进来的请求。当一个请求到来时，它去处理这个请求，然后再返回去监听。

服务器的流程如下所述：

    while(server is active){
        listen for request
        process request
    }

如果一个请求需要占用大量的时间来处理，在这段时间内新的客户端就无法发送请求给服务端。只有服务器在监听的时候，请求才能被接收。另一种设计是，监听线程把请求传递给工作者线程(worker thread)，然后立刻返回去监听。而工作者线程则能够处理这个请求并发送一个回复给客户端。这种设计如下所述：

    while(server is active){
        listen for request
        hand request to worker thread
    }

这种方式，服务端线程迅速地返回去监听。因此，更多的客户端能够发送请求给服务端。这个服务也变得响应更快。

多线程的不足

从一个单线程的应用到一个多线程的应用并不仅仅带来好处，它也会有一些代价。不要仅仅为了使用多线程而使用多线程。而应该明确在使用多线程时能多来的好处比所付出的代价大的时候，才使用多线程。如果存在疑问，应该尝试测量一下应用程序的性能和响应能力，而不只是猜测。

设计更复杂

虽然有一些多线程应用程序比单线程的应用程序要简单，但其他的一般都更复杂。在多线程访问共享数据的时候，这部分代码需要特别的注意。线程之间的交互往往非常复杂。不正确的线程同步产生的错误非常难以被发现，并且重现以修复。

上下文切换的开销

当CPU从执行一个线程切换到执行另外一个线程的时候，它需要先存储当前线程的本地的数据，程序指针等，然后载入另一个线程的本地数据，程序指针等，最后才开始执行。这种切换称为“上下文切换”(“context switch”)。CPU会在一个上下文中执行一个线程，然后切换到另外一个上下文中执行另外一个线程。上下文切换并不廉价。如果没有必要，应该减少上下文切换的发生。

增加资源消耗

线程在运行的时候需要从计算机里面得到一些资源。除了CPU，线程还需要一些内存来维持它本地的堆栈。它也需要占用操作系统中一些资源来管理线程。我们可以尝试编写一个程序，让它创建100个线程，这些线程什么事情都不做，只是在等待，然后看看这个程序在运行的时候占用了多少内存。

参考资料

　　多线程的代价： http://ifeve.com/costs-of-multithreading/

　　多线程的优点： http://ifeve.com/benefits/