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Java多线程的应用复杂性之如jvm有限的几个内存方面的操作和规范，就像无数纷繁复杂的应用逻辑建立在有限的指令集上。

如何写出线程安全的程序，有各种各样需要遵循的规则，如果硬是去记忆这些写法或者规则，就事倍功半了，最好是先学习原理，抓住问题的主干，再拓展细节，这也是大家公认的学习某种技术的方式。对于多线程的问题，java使用java内存模型 JMM来保证多个线程可以有效地，正确地工作。

学习的步骤可以分为：

• 关注大师的言行，跟随大师的举动——JUC包已经足够丰富，按照API规范正确使用。
• 和大师一起修行——理解多线程问题的由来，以及jvm给出的解决方案，需要理解java的内存模型JMM，以及JMM给出的线程工作内存与主内存交互的规则如何形成JMM的hapPEns-before原则等。参考书有知名的《深入理解Java虚拟机》第12章，最重要的《JSR-133 Java内存模型与线程规范》以及《并发编程实战》第16章。
• 领悟大师的意境——JUC包的实现原理，volatile和CAS构筑了JUC包的基础类，AQS,非阻塞数据结构，原子变量，这些基础类又构建了JUC包的高层类，Lock，同步器，阻塞队列，并发容器，Executor等。理解了高层类的原理，能够心里有底地使用这些类，构建健壮的应用。
• 成为真正的大师——学习JUC包的实现，说不定哪天也能写出一样优秀的类。

一些背景知识：

1.操作系统中线程的实现

现代操作系统的线程主要有三种实现：内核线程实现，用户线程实现，混合实现

• 内核线程（KLT）：线程表由内核维护，由内核完成线程的切换，内核通过调度器对线程进行调度，并将线程的任务映射到处理器上，每个内核线程可以视为内核的一个分身。程序一般不会直接使用内核线程，而是使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程（LWP）（广义上来说，轻量级进程也是在用户空间的进程中的，所以也是一种用户线程）。LWP和KLT是一一对应的，是1:1的关系，因此也叫作一对一线程模型（1:1）。内核线程最大的特点就是，如果有轻量级进程发生了阻塞，不会影响整个进程的工作，内核会运行其他可运行的线程。缺点也是明显的：各种线程操作都需要系统调用，需要在用户态和内核态进行来回切换，代价高昂，而且因为占用内核空间，所以内核能支持的数量是有限的。
• 用户级线程（UT）：狭义上的用户线程是指，完全建立在用户空间的线程库上，由所在进程实现管理的线程。最大的亮点在于可以在不支持多线程的操作系统之上实现多线程，如DOS，同时因为不需要切换到内核态，所以快速且低消耗，也能支持更大规模的线程数量。这种模型中，一个轻量级进程对应多个线程，因此叫做一对多线程模型（1：N）,用户进程的优势在于不需要内核的支援，而因为没有内核的支援，所有的线程操作都需要用户自己处理，导致复杂性是其劣势。线程的创建，切换，调度都是需要考虑的问题，现在使用用户线程的程序已经越来越少了。java线程在JDK1.2之前，使用用户线程。
• 用户线程+轻量级进程的混合实现：使用轻量级进程作为用户线程和内核线程的桥梁的一种实现，用户线程和轻量级进程的比例不定，因此也叫多对多线程模型（N：M），UNIX家族中的solaris提供了N：M的线程模型实现。

更详细的说明可以查看介绍操作系统的书籍。

2.java虚拟机中线程的实现

• jdk1.2 之前，java使用的是称为“绿色线程”的用户线程，而在1.2中，线程模型替换为基于操作系统原生线程模型来实现
• 操作系统支持什么样的线程模型，很大程度上影响java的线程模型，windows和linux系统提供的线程模型是1:1的，所有这两个平台上的JDK使用的是1:1的线程模型，一个java线程映射到一个轻量级进程中，Solaris系统同时支持1:1和N:M，该平台中的JDK可以指定参数选择线程模型。
• 操作系统的线程特性会对线程的并发规模和操作成本产生影响，但是对java程序的编写和运行来说是透明的。

3.多线程环境下的一些问题：

• 安全性问题：在没有正确同步的情况下，多线程环境下程序可能得出错误的结果。

• 活跃性问题：在多线程环境下，当某个操作应该继续执行却无法继续执行下去，就造成了活跃性问题，如：死锁，饥饿，活锁。

  • 死锁：
  • 活锁：
  • 饥饿：

• 性能问题：线程的频繁切换将带来极大的开销，如：

  • 保存和恢复执行上下文，丢失局部性
  • 使用同步机制的时候，这些机制会抑制某些编译器优化以保证执行顺序，
  • 如使用volatile保证可见性的情况下，使内存缓冲区中的数据无效，其他线程需要重新从主内存中加载

所有这些因素会带来额外的性能开销。

4.一些相关概念

• 竞争条件：多线程的环境下，程序执行的结果取决于线程交替执行的方式。而线程的交替操作顺序是不可预测的，如此程序执行的结果也是不可预测的。

• 状态：状态在多线程编程中是一个很核心的概念，因为线程安全性的核心就在于：对可变的共享状态的访问操作进行正确的管理。

  • 非正式的定义：状态可以简单理解为存储在对象的域中的数据，下面的Counter类中的count就是一个Counter对象的状态。如果不能正确地访问和修改count，那么count的值就不具备正确性。状态也包括一个对象依赖的对象的域。
  • 多线程的环境下，主要是可变的，共享的状态会导致安全性问题，可变意味着状态可以被修改，共享意味着可以被多个线程改变，自然而然的，有三种方法来解决这个问题：1.让对象不可改变 2. 让状态不可共享 3. 必须共享和改变的，使用某种机制来保证顺序——同步。
  • 或者更加直接可靠的，不要给对象状态，一个没有状态的对象一定是线程安全的。
• 线程安全性：当多个线程访问某个类的时候，这个类始终能表现正确的行为，那么这个类是线程安全的。

        public class Counter {             PRivate long count = 0;             public long getCount(){                 return count;             }         }