01 Java多线程及并发为什么需要多线程；多线程的本质问题；ThreadLocal

电玩女神 2022-12-20 01:57 159阅读 0赞

### Java多线程及并发 ###

*  1：为什么需要多线程
 *   *  优点
     *  缺点
     *   *  1、慢，切换上下文典型值1us vs 0.3ns/cycle
         *   *  能不能让上下文切换尽可能少？ 可以协程
         *  2、占用资源：每个线程有独立的方法栈。
 *  2：Thread是什么？
 *  3、多线程反直觉示例
 *   *  示例1
     *  示例2：
     *  示例3：
     *  示例4：异常处理
 *  4、Thread 的底层模型
 *  5、Thread的生命周期
 *  6、ThreadLoacl
 *   *  模拟一个ThreadLocal
     *  ThreadLocal：线程局部私有的变量
 *  7、协程的优缺点

# 1：为什么需要多线程 #

*  CPU、内存、IO的巨大性能差异
 *  多核心CPU的发展
 *  线程的本质是一个可以执行代码工人
 *  优点：多个执行流，并行执行
 *  缺点：  
      
    1、慢，切换上下文典型值1us vs 0.3ns/cycle  
      
    2、占用资源：每个线程有独立的方法栈。

故：大多数时间CPU都都在等待。多核心CPU，CPU闲置更多。  
  
推荐阅读：[我是一个CPU：这个世界慢！死！了！][CPU]

## 优点 ##

多个执行流，并行执行![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpbmd5aXdpbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpbmd5aXdpbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

## 缺点 ##

### 1、慢，切换上下文典型值1us vs 0.3ns/cycle ###

CPU在执行A任务(A没有执行完)时，切换到任务B，需要保存A的上下文内容，等待CPU切换到执行A任务使用。需要消耗大概1000个时钟周期。

不是说多线程是可以提高效率，怎么又说多线程慢呢。这里慢单纯指的是线程之间切换时消耗的时间和CPU的时钟周期相比慢。针对内存寻址、硬盘寻址是有提升的。

#### 能不能让上下文切换尽可能少？ 可以协程 ####

协程–>用户态线程。需要重写调度器。

### 2、占用资源：每个线程有独立的方法栈。 ###

每个线程有独立的方法栈。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpbmd5aXdpbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

# 2：Thread是什么？ #

*  Thread类的每一个实例代表一个JVM中的线程。start()之后，且未结束。
 *  Runable、Callable都不是线程。
 *  Thread.start()后，JVM中增加：一个执行流；一套方法栈。
 *  不同的执行流的同步执行时一切线程问题的根源。

查看一下Thread 和 runable callable等穿件线程方法类或接口的注释，就清晰说明只有Thread实例才代表JVM中的线程。  
![Thread][]

# 3、多线程反直觉示例 #

## 示例1 ##

代码 while (true) \{ i++;\} 会在Thread线程和主线程中同时访问变量i。

public static int i =0;
    public static void main(String[] args) { 
        //Thread线程
        new Thread(() -> { 
            while (true) { 
                i++;
            }
        }).start();
    
        //主线程
        while (true) { 
            i++;
        }
    }

## 示例2： ##

doSomething到底在哪个线程执行？  
答案是不确定。doSomething不是线程，仅仅是个任务。哪个线程执行取决于它的实现。假如线程池满了，可以让调用的线程执行。

public class ThreadTest { 
        static ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        static int i =0;
        public static void main(String[] args) { 
            threadPool.submit(()->{ 
                //doSomething到底在哪个线程执行？ 答案是不确定。取决于它的实现。
                //假如线程池满了，可以让调用的线程执行。
                doSomething();
            });
            doSomething();
        }
        private static void doSomething(){ 
            i++;
        }
    }

## 示例3： ##

线程Thread和主线程同时在执行doSomething。  
如果doSomething更复杂一点呢。  
你脑袋里面时刻要想象两个线程同时在执行，执行到哪儿。

public class ThreadTest02 { 
        static int i = 0;
        public static void main(String[] args) { 
            //Thread线程
            new Thread(()->{ 
                doSomething();
            }).start();
            //主线程
            doSomething();
        }
        private static void doSomething(){ 
            i++;
        }
    }

## 示例4：异常处理 ##

线程的异常只会抛出到它自己的方法栈中，不能夸方法栈抛异常。  
主线程中的catch只能捕获主线程中抛出的异常。

public class ThreadTest04 { 
        static int i = 0;
    
        public static void main(String[] args) { 
            try { 
                new Thread(() -> { 
                    //该异常只会抛出到它自己的方法栈中，不能夸方法栈抛异常
                    throw new RuntimeException();
                }).start();
            } catch (Exception e) { 
                //catch只能捕获主线程中抛出的异常。
                e.printStackTrace();
            }
            doSomething();
        }
        private static void doSomething() { 
            i++;
        }
    }

# 4、Thread 的底层模型 #

*  Thread类的每一个实例代表一个JVM的线程。  
    在linux上称为<轻量级进程> 和进程无本质区别。  
    在windos上使用系统线程。
 *  优点：  
    简单，直接依赖操作系统的调度器。
 *  缺点：  
    占用资源多；上下文切换慢，不灵活，无法实现灵活的优先级。

# 5、Thread的生命周期 #

![thread][]

public static enum State { 
    	/** * A Thread which has not yet started. */
    	NEW,
    	/** * A Thread which is running or suspended. */
    	RUNNABLE,
    	/** * A Thread which is blocked on a monitor. */
    	BLOCKED, 
    	/** * A Thread which is waiting with no timeout. */
    	WAITING,
    	/** * A Thread which is waiting with a timeout. */
    	TIMED_WAITING, 
    	/** * A thread which is no longer alive. */
    	TERMINATED }

# 6、ThreadLoacl #

*  同一个对象根据调用线程的不同 返回不同的值。
 *  通常用于存储线程私有的值，方便后续流程使用。

## 模拟一个ThreadLocal ##

调用线程的不同 返回不同的值。主线程和Thread线程调用返回不同的值。

public class ThreadTest05 { 
        static MyThreadLocal threadLocal =new MyThreadLocal();
        public static void main(String[] args) { 
            threadLocal.set("main主线程");
            new Thread(()->{ 
                threadLocal.set("Thread线程");
                doSomething();
            }).start();
            doSomething();
        }
    
        private static void doSomething(){ 
            System.out.println("Thread:"+Thread.currentThread().getName()+":"+threadLocal.get());
        }
    
        private static class MyThreadLocal{ 
            Map<Long,String> data =new HashMap<>();
            public String get(){ 
                return data.get(Thread.currentThread().getId());
            }
            public void set(String userName){ 
                data.put(Thread.currentThread().getId(), userName);
            }
        }
    }

输出：

Thread:main:main主线程
    Thread:Thread-2:Thread线程

## ThreadLocal：线程局部私有的变量 ##

模拟登录存储用户信息，使用拦截器，调用set方法即可。  
ThreadLocal中没有上面MyThreadLocal时的map对象，那么它的值存在什么地方？存在ThreadLocalMap里面。

/** * 当前登录用户的信息 使用拦截器 */
        static class UserContext{ 
            static ThreadLocal<Integer> threadLocal =new ThreadLocal<>();
            public void set (Integer userId){ 
                threadLocal.set(userId);
            }
    
            public Integer get(){ 
                return threadLocal.get();
            }
        }

# 7、协程的优缺点 #

操作系统内核线程的缺点：

*  慢：上下文切换耗费时间长（1000个cycles）。调度的时候需要发起系统调用，在内核态和用户态之间切换。
 *  大：独立的方法栈需要更多的空间。

携程：

*  快：始终占用CPU，在用户态。
 *  小：可以方便的实现上百万的并发度。

携程解决的问题：多线程调度慢，占用资源多大额问题。  
携程未解决的问题：并发问题，死锁，竞争条件。

[CPU]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/58431253
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