00、故事的起源
“二哥，上一篇《集合》的反響效果怎么樣啊？”三妹對她提議的《教妹學 Java》專欄很關心。
“這篇文章的瀏覽量要比第一篇《泛型》好得多。”
“這是個好消息啊，說明更多人接受了二哥的創作。”三妹心花怒放了起來。
“也許沒什么對比性。”
“沒有對比性？我翻看了一下二哥 7 個月前寫的文章，是真的水啊，嘻嘻。”三妹賣了一個萌，繼續說道，“說實話，竟然還有讀者願意看，真的是不可思議。”
“你是想挨揍嗎？”
“別啊。我是說，二哥現在的讀者真的很幸運，因為他們看到了更高質量的文章。”三妹繼續肆無忌憚地說着她的真心話。
“是啊，比以前好多了，但我還要更加地努力，這次的主題是《多線程》，三妹你准備好了嗎？”
“早准備好了。讓我繼續來提問吧，二哥你繼續回答。”三妹已經躍躍欲試了。
01、二哥，什么是線程啊？
三妹，聽哥給你慢慢講啊。
要想了解線程，得先了解進程，因為線程是進程的一個單元。你看，我這台電腦同時開了很多個進程，比如說打字用的這個輸入法、寫作用的這個瀏覽器，聽歌用的這個音樂播放器。
這些進程同時可能干幾件事，比如說這個音樂播放器，一邊滾動着歌詞，一邊播放着音頻。也就是說，在一個進程內部，可能同時運行着多個線程（Thread），每個線程負責着不同的任務。
由於每個進程至少要干一件事，所以，一個進程至少有一個線程。在 Java 的程序當中，至少會有一個 main 方法，也就是所謂的主線程。
可以同時執行多個線程，執行方式和多個進程是一樣的，都是由操作系統決定的。操作系統可以在多個線程之間進行快速地切換，讓每個線程交替地運行。切換的時間越短，程序的效率就越高。
進程和線程之間的關系可以用一句通俗的話講，就是“進程是爹媽，管着眾多的線程兒女。”
02、二哥，為什么要用多線程啊？
三妹，先去給哥泡杯咖啡，再來聽哥給你慢慢地講。
多線程作為一種多任務、並發的工作方式，好處多多。
第一，減少應用程序的響應時間。
對於計算機來說，IO 讀寫和網絡通信相對是比較耗時的任務，如果不使用多線程的話，其他耗時少的任務也必須要等待這些任務結束后才能執行。
第二，充分利用多核 CPU 的優勢。
操作系統可以保證當線程數不大於 CPU 數目時，不同的線程運行於不同的 CPU 上。不過，即便線程數超過了 CPU 數目，操作系統和線程池也會盡最大可能地減少線程切換花費的時間，最大可能地發揮並發的優勢，提升程序的性能。
第三，相比於多進程，多線程是一種更“高效”的多任務執行方式。
對於不同的進程來說，它們具有獨立的數據空間，數據之間的共享必須通過“通信”的方式進行。而線程則不需要，同一進程下的線程之間共享數據空間。
當然了，如果兩個線程存取相同的對象，並且每個線程都調用了一個修改該對象狀態的方法，將會帶來新的問題。
什么問題呢？我們來通過下面的示例進行說明。
public class Cmower {
public static int count = 0;
public static int getCount() {
return count;
}
public static void addCount() {
count++;
}
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(10, 1000, 60L, TimeUnit.SECONDS,
new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10));
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
Runnable r = new Runnable() {
@Override
public void run() {
Cmower.addCount();
}
};
executorService.execute(r);
}
executorService.shutdown();
System.out.println(Cmower.count);
}
}
我們創建了一個線程池，通過 for 循環讓線程池執行 1000 個線程，每個線程調用了一次 Cmower.addCount() 方法，對 count 值進行加 1 操作，當 1000 個線程執行完畢后，在控制台打印 count 的值。
其結果會是什么呢？
998、997、998、996、996
但幾乎不會是我們想要的答案 1000。
03、二哥，為什么答案不是 1000 呢？
三妹啊，咖啡泡得太濃了。不過，濃一點的好處是更提神了。
程序在運行過程中，會將運算需要的數據從物理內存中復制一份到 CPU 的高速緩存當中，計算結束之后，再將高速緩存中的數據刷新到物理內存當中。
拿 count++ 來說。當線程執行這個語句時，會先從物理內存中讀取 count 的值，然后復制一份到高速緩存當中，CPU 執行指令對 count 進行加 1 操作，再將高速緩存中 count 的最新值刷新到物理內存當中。
在多核 CPU 中，每個線程可能運行於不同的 CPU 中，因此每個線程在運行時會有專屬的高速緩存。假設線程 A 正在對 count 進行加 1 操作，此時線程 B 的高速緩存中 count 的值仍然是 0 ，進行加 1 操作后 count 的值為 1。最后兩個線程把最新值 1 刷新到物理內存中，而不是理想中的 2。
這種被多個線程訪問的變量被稱為共享變量，他們通常需要被保護起來。
04、二哥，那該怎么保護共享變量呢？
三妹啊，等我喝口咖啡提提神。
針對上例中出現的 count，可以按照下面的方式進行改造。
public static AtomicInteger count = new AtomicInteger();
public static int getCount() {
return count.get();
}
public static void addCount() {
count.incrementAndGet();
}
使用支持原子操作（即一個操作或者多個操作要么全部執行，並且執行的過程不會被任何因素打斷，要么就都不執行）的 AtomicInteger 代替基本類型 int。
簡單分析一下 AtomicInteger 類，該類源碼中可以看到一個有趣的變量 unsafe。
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
Unsafe 是一個可以執行不安全、容易犯錯操作的特殊類。AtomicInteger 使用了 Unsafe 的原子操作方法 compareAndSwapInt() 對數據進行更新，也就是所謂的 CAS。
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
參數 o 是要進行 CAS 操作的對象（比如說 count），參數 offset 是內存位置，參數 expected 是期望的值，參數 x 是需要更新到的值。
一般的同步方法會從地址 offset 讀取值 A，執行一些計算后獲得新值 B，然后使用 CAS 將 offset 的值從 A 改為 B。如果 offset 處的值尚未同時更改，則 CAS 操作成功。
CAS 允許執行“讀-修改-寫”的操作，而無需擔心其他線程同時修改了變量，因為如果其他線程修改變量，那么 CAS 會檢測它（並失敗），算法可以對該操作重新計算。
AtomicInteger 類的源碼中還有一個值得注意的變量 value。
private volatile int value;
value 使用了關鍵字 volatile 來保證可見性——當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。
當一個共享變量被 volatile 修飾后，它被修改后的值會立即更新到物理內存中，當有其他線程需要讀取時，會去物理內存中讀取新值。
而沒有被 volatile 修飾的共享變量不能保證可見性，因為不確定這些變量會在什么時候被寫入物理內存中，當其他線程去讀取時，讀到的可能還是原來的舊值。
特別需要注意的是，volatile 關鍵字只保證變量的可見性，不能保證原子性。
05、故事的未完待續
“二哥，《多線程》就先講到這吧，再多我就吸收不了了！”三妹的態度很誠懇。
“可以。”
“二哥，我記得上次你說要給大號投稿，結果怎么樣了？”三妹關切地問。
“唉，都不好意思說，只收獲了兩個點贊的表情符號，可能還是基於同情心。嚇得我不敢再投稿了，先堅持寫吧！”
“結局這么慘淡嗎，真的沒有一個號要轉載嗎？我看那個投稿群有三百多個公號呢。”三妹很傷心。
“《教妹學 Java》系列可能有點標題黨吧？”
“二哥，既然決定要寫，請不要懷疑自己。至少三妹很喜歡這種風格啊。”聽完三妹語重心長的話，我心底的那種自我懷疑又煙消雲散了。