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为什么有多线程
谈到多线程，我们很容易与高性能画上等号，但是并非如此，举个简单的例子，从1加到100，用四个线程计算不一定比一个线程来得快。因为线程的创建和上下文切换，是一笔巨大的开销。
那么设计多线程的初衷是什么呢?来看一个这样的实际例子，计算机通常需要与人来交互，假设计算机只有一个线程，并且这个线程在等待用户的输入，那么在等待的过程中，CPU什么事情也做不了，只能等待，造成CPU的利用率很低。如果设计成多线程，在CPU在等待资源的过程中，可以切到其他的线程上去，提高CPU利用率。
现代处理器大多含有多个CPU核心，那么对于运算量大任务，可以用多线程的方式拆解成多个小任务并发的执行，提高计算的效率。
总结起来无非两点，提高CPU的利用率、提高计算效率。
线程安全的本质
我们先来看一个例子：
上面是一个把变量自增100次的例子，只不过用了4个线程，每个线程自增25次，用CountDownLatch等4个线程执行完，打印出最终结果。实际上，我们希望程序的结果是100，但是打印出来的结果并非总是100。
这就引出了线程安全所描述的问题，我们先用通俗的话来描述一下线程安全：
线程安全就是要让程序运行出我们想要的结果，或者话句话说，让程序像我们看到的那样执行。
解释一下我总结的这句话，我们先new出了一个add对象，调用了对象的doAdd方法，本来我们希望每个线程有序的自增25次，最终得到正确的结果。如果程序增的像我们预先设定的那样运行，那么这个对象就是线程安全的。
下面我们来看看Brian Goetz对线程安全的描述：当多线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那么这个对象就是线程安全的。
下面我们就来分析这段代码为什么不能确保总是得到正确的结果。
Java内存模型(JMM)数据可见性问题、指令重排序、内存屏障
先从计算机的硬件效率说起，CPU的计算速度比内存快几个数量级，为了平衡CPU和内存之间的矛盾，引入的高速缓存，每个CPU都有高速缓存，甚至是多级缓存L1、L2和L3，那么缓存与内存的交互需要缓存一致性协议，这里就不深入讲解。那么最终处理器、高速缓存、主内存的交互关系如下：
那么Java的内存模型(Java Memory Model，简称JMM)也定义了线程、工作内存、主内存之间的关系，非常类似于硬件方面的定义。
这里顺带提一下，Java虚拟机运行时内存的区域划分
·方法区：存储类信息、常量、静态变量等，各线程共享
·虚拟机栈：每个方法的执行都会创建栈帧，用于存储局部变量、操作数栈、动态链接等，虚拟机栈主要存储这些信息，线程私有
·本地方法栈：虚拟机使用到的Native方法服务，例如c程序等，线程私有
·程序计数器：记录程序运行到哪一行了，相当于当前线程字节码的行号计数器，线程私有
·堆：new出的实例对象都存储在这个区域，是GC的主战场，线程共享。
所以对于JMM定义的主内存，大部分时候可以对应堆内存、方法区等线程共享的区域，这里只是概念上对应，其实程序计数器、虚拟机栈等也有部分是放在主内存的，具体看虚拟机的设计。
好了，了解了JMM内存模型，我们来分析一下，上面的程序为什么没得到正确的结果。请看下图，线程A、B同时去读取主内存的count初始值存放在各自的工作内存里，同时执行了自增操作，写回主内存，最终得到了错误的结果。
我们再来深入分析一下，造成这个错误的本质原因：
·可见性，工作内存的最新值不知道什么时候会写回主内存
·有序性，线程之间必须是有序的访问共享变量，我们用“视界”这个概念来描述一下这个过程，以B线程的视角看，当他看到A线程运算好之后，把值写回之内存之后，马上去读取最新的值来做运算。A线程也应该是看到B运算完之后，马上去读取，在做运算，这样就得到了正确的结果。
接下来，我们来具体分析一下，为什么要从可见性和有序性两个方面来限定。
给count加上volatile关键字，就保证了可见性。
private volatile int count = 0;
volatile关键字，会在最终编译出来的指令上加上lock前缀，lock前缀的指令做三件事情
·防止指令重排序(这里对本问题的分析不重要，后面会详细来讲)
·锁住总线或者使用锁定缓存来保证执行的原子性，早期的处理可能用锁定总线的方式，这样其他处理器没办法通过总线访问内存，开销比较大，现在的处理器都是用锁定缓存的方式，在配合缓存一致性来解决。
·把缓冲区的所有数据都写回主内存，并保证其他处理器缓存的该变量失效
既然保证了可见性，加上了volatile关键词，为什么还是无法得到正确的结果，原因是count++，并非原子操作，count++等效于如下步骤：
·从主内存中读取count赋值给线程副本变量：temp=count
·线程副本变量加1：temp=temp+1
·线程副本变量写回主内存：count=temp
就算是真的严苛的给总线加锁，导致同一时刻，只能有一个处理器访问到count变量，但是在执行第(2)步操作时，其他cpu已经可以访问count变量，此时最新运算结果还没刷回主内存，造成了错误的结果，所以必须保证顺序性。
那么保证顺序性的本质，就是保证同一时刻只有一个CPU可以执行临界区代码。这时候做法通常是加锁，锁本质是分两种：悲观锁和乐观锁。如典型的悲观锁synchronized、JUC包下面典型的乐观锁ReentrantLock。
读到这里，这篇“Java并发和线程安全怎么掌握”文章已经介绍完毕，想要掌握这篇文章的知识点还需要大家自己动手实践使用过才能领会，如果想了解更多相关内容的文章，欢迎关注创新互联行业资讯频道。
