「重磅開篇」形成完善的多執行緒世界觀

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關于這篇文章我很早就想寫了，也一直不敢寫，一方面是早先知識儲備不足，另一方面主要是多執行緒這部分內容確實比較高深而且每個知識點之間比較零散，讓人摸不著頭腦，不知道該從哪里下手，而且對于我們學生群體來講，很少有機會接觸到高并發這方面的真實場景，平常自己敲代碼也基本不會用到，所以也導致我們大部分同學都是面向面經學習，你問 synchronized，叭叭叭我能說一堆，你問 volatile，叭叭叭我也能說一堆，但總感覺差點意思，就是這些知識點是零散的，沒有那么一根線把它們很好的串聯起來，

所以今天我斗膽造一根線，站在小白的角度，講講多執行緒這部分我們到底要學啥，按照什么樣的順序去學，幫助各位建立一個比較完善的知識體系，形成正確的多執行緒世界觀，后續的文章我也基本上會按照這根線寫下來，

然后，我目前也沒有踏入作業崗位，也沒有實際的高并發經驗，所以只是在紙上談兵，學識尚淺，大佬們若覺得有問題懇請評論區或者私聊我指正，晚輩感激不盡（抱拳），

煉氣

首先，學習多執行緒，你肯定得知道執行緒是啥吧，包括執行緒的一些基礎概念（比如背景關系切換），那么說到執行緒，肯定離不開行程，OK，行程和執行緒這兩個概念其實我們在作業系統這門課中都接觸過，當然并行和并發、同步與異步等這種基本概念咱也默認你學過，那么你還需要去了解一下 Java 執行緒和作業系統的執行緒有啥區別，

另外，容易被大家忽視的一點是，一項技術的出現必定不是憑空捏造的，他一定是為了某個目的而來，在某個成熟的時機應運而生，因此，你需要知道我們為啥要使用多執行緒，多執行緒的出現解決了什么問題，

掌握上面這一步，我們稱之為煉氣，所謂煉精化氣，起步階段需一心一意、沉心靜氣，

筑基

現在我們已經知道執行緒是啥了，那在 Java 中如何創建執行緒呢？為此你會接觸到三種創建執行緒（Thread）的方式：

• 直接使用 Thread
• Thread + Runnable
• Thread + Callable + FutureTask

學會了如何創建執行緒，我們去翻一翻 Thread 類的原始碼，你會發現其中定義了 Java 執行緒的六種狀態，也就是所謂的生命周期，它和作業系統中執行緒的五態模型又有啥區別和聯系呢？

既然都翻了 Thread 原始碼，豈有不深究的道理？我們接下來去學習一下 Thread 類給我們提供了哪些控制執行緒的方法，它們分別能干啥，怎樣影響了執行緒的狀態：

• start / run
• sleep / yield
• join / join(long n)
• interrupt
• setDaemon 守護執行緒

這一階段的學習，也就是入門階段后的第一步，我們稱之為筑基，基礎不牢，地動山搖，

金丹

誠然，一個程式順序的運行多個執行緒本身是沒有問題的，但是如果多個執行緒同時訪問了某個共享資源，就可能會發生不可預知的現象，也就是我們常說的執行緒安全問題，要了解這些問題產生的根本原因，我們就需要去深刻的了解 Java 記憶體模型（Java Memory Model，JMM），

為此，我們會學習到和執行緒安全息息相關的三大性質：

1）原子性：一個操作是不可中斷的，要么全部執行成功要么全部執行失敗（也可以說是提供互斥訪問，同一時刻只能有一個執行緒對資料進行操作）

2）可見性：當一個執行緒修改了共享變數后，其他執行緒能夠立即得知這個修改

3）有序性（或者說重排序）：重排序是編譯器和處理器為了優化程式性能而對指令序列進行重新排序的一種手段，由于重排序的存在，可能導致多執行緒環境下程式運行結果出錯的問題，

那么編譯器和處理器在重排序時會遵守什么原則呢？為此你會了解到資料依賴性和 as-if-serial，這里簡單介紹一下這兩個概念：

• 編譯器和處理器在重排序時，會遵守資料依賴性，它們不會改變存在資料依賴性關系的兩個操作的執行順序
• as-if-serial 語意的意思是：不管怎么重排序，程式的執行結果不能被改變，編譯器，runtime 和處理器都必須遵守 as-if-serial 語意

事實上，可見性和有序性其實是互相矛盾的兩點，一方面，對于程式員來說，我們希望記憶體模型易于理解、易于編程，為此 JMM 的設計者要為程式員提供足夠強的記憶體可見性保證，專業術語稱之為 “強記憶體模型”，而另一方面，編譯器和處理器則希望記憶體模型對它們的束縛越少越好，這樣它們就可以做盡可能多的優化（比如重排序）來提高性能，因此 JMM 的設計者對編譯器和處理器的限制要盡可能地放松，專業術語稱之為 “弱記憶體模型”，

當然，對于這個問題，JMM 的設計者找到了一個很好的平衡點，那就是 happens-before，這是 JMM 最核心的概念！理解 happens-before 是理解 JMM 的關鍵，

知其然而知其所以然，這一階段，我們稱為金丹，

渡劫

具體到 Java 語言層面，是怎么保證執行緒安全的呢？也就是如何保證原子性、可見性和有序性呢？（保證有序性上文已經說過了，就是使用 happens-before 原則），

1）對于可見性，可以使用 volatile 關鍵字來保證，不僅如此，volatile 還能起到禁止指令重排的作用；

2）對于原子性，我們可以使用 鎖 和 java.util.concurrent.atomic 包中的原子類來保證，（給萌新解釋一下，java.util.concurrent，簡稱 J.U.C，就是一個包，也成為并發包，現在網上大部分博客都會直接說 JUC，對萌新不是很友好），我們可以看看 juc.atomic 中有哪些類：

當然， atomic 包下這些原子操作類保證原子性最關鍵的原因還是因為它們使用了 CAS 操作，于是，你需要先去深入學習一下 CAS，了解 CAS 存在的三個問題，然后再去挖一挖這些原子類的底層原理，

另外，上面我們提到的鎖這個話題其實又是一個非常核心的知識點，在深入學習之前，你需要了解一下各種鎖的概念：

• 悲觀鎖和樂觀鎖
• 重量級鎖和輕量級鎖
• 自旋鎖
• 偏向鎖
• 重入鎖和不可重入鎖
• 公平鎖和非公平鎖
• 共享鎖和排他鎖

另外，與鎖相關的概念的還有臨界區、競態條件等，這些你都是要去了解的，

那么鎖在 Java 中具體是怎么實作的呢？早先 Java 程式是靠 synchronized 關鍵字實作鎖功能的，在我們掌握了 synchronized 的使用方式以及底層原理后，你還會接觸到與 synchronized 配套的 wait/notify/notifyAll 方法，

在 Java SE 5 之后，并發包 JUC 中新增了 Lock 介面以及相關實作類（放在 java.util.concurrent.locks 包下）也可以用來實作鎖功能，

為什么會新增這樣一個 Lock 介面及其相關實作類呢？因為使用 synchronized 關鍵字會隱式地獲取鎖，但是它將鎖的獲取和釋放固化了，也就是先獲取再釋放，當然，這種方式簡化了同步的管理，可是擴展性沒有顯示的鎖獲取和釋放來的好，

例如，針對一個場景，手把手進行鎖獲取和釋放，先獲得鎖 A，然后再獲取鎖 B，當鎖 B 獲得后，釋放鎖 A 同時獲取鎖 C，當鎖 C 獲得后，再釋放 B 同時獲取鎖 D，以此類推，這種場景下，如果使用 synchronized 關鍵字就不那么容易實作了，而使用 Lock 卻容易許多，

它提供了與 synchronized 關鍵字類似的同步功能，只是在使用時需要顯式地獲取和釋放鎖，雖然它缺少了隱式獲取釋放鎖的便捷性，但是卻擁有了鎖獲取與釋放的可操作性、可中斷的獲取鎖以及超時獲取鎖等多種 synchronized 關鍵字所不具備的同步特性，

另外，還有一點非常重要的是！我們可以去翻一翻實作了 Lock 介面的類，比如 ReentrantLock（大部分文章都會直接把它翻譯成重入鎖），你會驚訝的發現它并沒有多少代碼，基本所有的方法都是呼叫了其靜態內部類 Sync 中的方法，而 Sync 類繼承了 AbstractQueuedSynchronizer 類（也就是大名鼎鼎的 AQS，譯為佇列同步器，簡稱同步器），

可以把 AQS 理解為一個用來構建鎖和同步器（工具類）的框架，locks 包中的各種鎖以及接下來我們會學習的 JUC 中的工具類都是基于 AQS 來實作的，

OK，關于 AQS 這篇文章就不再多說了，上面我們提到了兩個并發關鍵字，synchronized 和 volatile，其實還有一個，那就是 final，可能很多小伙伴都不知道，啥？final 和并發有啥關系？當然，這些，后續文章都會寫的，

本階段的知識非常重要，并且相對來說知識點比較多也比較難，因此我們稱之為渡劫，

大乘

渡劫完畢，走到這一步各位對多執行緒基本的知識架構已經有了一定的認知，世界觀已經初步形成，最后，就是補強的程序了，我們來看看 J.U.C 這個包還有什么東西（下圖沒有截全）：

JUC 其實可以分為五大類：

• Lock 框架（locks 包）
• 原子類（atomic 包）
• 并發集合
• 執行緒池
• 工具類

后面三種正是我們在這一階段需要學習的，并發集合和執行緒池就沒啥好說的了，它們的知識點都比較集中，學習目標也很明確，網路上很容易就能找到一篇條理清晰的文章，

然后常用的工具類還是有必要學習下：

• CountDownLatch
• CyclicBarrier
• Semaphore
• Exchanger

所謂工具類嘛，那一定是封裝了某些比較復雜的操作，使我們可以很簡單的去完成這些操作，以 CountDownLatch 為例：在多執行緒協作完成業務功能時，有時候需要等待其他多個執行緒完成任務之后，主執行緒才能繼續往下執行業務功能，在這種的業務場景下，通常可以使用 Thread 類的 join 方法，讓主執行緒等待被 join 的執行緒執行完之后，主執行緒才能繼續往下執行，而 Java 并發工具類中為我們提供了這樣一個類似 “倒計時” 的工具類 CountDownLatch，可以十分方便的完成這種業務場景，

另外，還有一個比較重要的類，我也不知道怎么給它分類，就是 ThreadLocal，江湖人稱執行緒隔離術，必問高階考點，

OK，學完了本階段，多執行緒世界觀已完整形成，我們稱之為大乘，忘我之境，全在己心，

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