关于线程你必须知道的8个问题（下）
大家好，我是王有志。
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今天我们来学习线程中最后4个问题：
线程的同步与互斥 线程的本质与调度 死锁的产生与解决 多线程的是与非
通过本篇文章，你可以了解到计算机中经典的同步机制--管程，Java线程的本质与调度方式，如何解决死锁问题，以及为什么要使用多线程。
线程的同步与互斥
首先来看线程同步[1]与线程互斥[2]的概念，这里引用百度百科中的定义：
线程同步：
“即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作， 其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程又处于等待状态，实现线程同步的方法有很多，临界区对象就是其中一种。
线程互斥：
“线程互斥是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。
线程同步关注的是线程间的执行顺序，强调线程t2必须在线程t1执行完成后执行，是串行方式。
线程互斥，关注的是不同线程对共享资源的使用方式，同一时间只允许一个线程访问共享资源，在共享资源的访问上是串行方式，而其它处理过程可以并发执行。
实现同步与互斥的方式有很多，比如：互斥锁，信号量和管程[3]。Java 1.5前只提供了基于MESA管程思想实现的synchronized。之后，提供了JUC工具包，包含信号量，互斥锁等同步工具。
管程的思想
管程是由Hoare和Hansen提出的，最早用于解决操作系统进程间同步问题。Hansen首次在Pascal上实现了管程，Hoare证明了管程与信号量是等价的。
管程的发展历史上，先后出现了3种管程模型：
Hansen管程，Hansen提出； Hoare管程，Hoare提出； MESA管程，施乐公司在MESA语言中实现。
这里不过多的涉及管程的内容，只举一个通俗的例子解释下管程的实现原理。
最近大家都有好好的做核酸吧？
首先，大家（线程）从四面八方赶到核酸亭（并发执行），随后进入排队区（入口队列，串行执行），紧接着是身份识别（检查条件变量），最后进行核酸监测（操作共享变量），当下一个人看到你完成了核酸监测后，开始进行核酸检测（唤醒）。
Java中synchronized的底层正是借鉴了MESA管程的实现思想。应用层面，使用synchronized和Object.wait方法，来实现的同步机制也是管程的实现。这些会在synchronized的部分中详细解释。
线程的本质与调度
上一篇中，我们看到了thread.cpp[4]创建操作系统层面的线程，不过碍于篇幅没有继续往下追，今天我们来看下os_linux.cpp[5]中是如何创建线程的：
bool os::create_thread(Thread* thread, ThreadType thr_type, size_t req_stack_size) {
int ret = pthread_create(&tid, &attr, (void* (*)(void*)) thread_native_entry, thread);
return true;
}
可以看到，是通过调用pthread_create来创建线程的，该方法是Linux的thread.h库中创建线程的方法，用来创建操作Linux的线程。
到这里你可能会有疑问，或者听到过这样的问题，Java的线程是用户线程还是内核线程？
早期Linux并不支持线程，但可以通过编程语言模拟实现“线程”，本质还是调用进程，这时创建的线程就是用户线程。
2003年RedHat初步完成了NPTL（Native POSIX Thread Library）项目，通过轻量级进程实现了符合POSIX标准的线程，这时创建的线程就是内核线程。
因此，如果不是跑在古董服务器上的项目的话，使用的Java线程都会映射到一个内核线程上。
好了，你已经知道现代Java线程的本质是操作系统的内核线程，并且也知道了操作系统内核线程是通过轻量级进程实现的。所以，我们可以得到：
那么对于Java线程的调度方式来说就有：
恰好，Linux中使用了抢占式进程调度方式。因此，并不是JVM中实现了抢占式线程调度方式，而是Java使用了Linux的进程调度方式，Linux选择了抢占式进程调度方式。
死锁的产生与解决
我们随便写个例子：
public static void main(String[] args) {
String lock_a = "lock-a";
String lock_b = "lock-b";
ShareData lock_a_shareData = new ShareData(lock_a, lock_b);
ShareData lock_b_shareData = new ShareData(lock_b, lock_a);
new Thread(lock_a_shareData, "lock-a-thread").start();
new Thread(lock_b_shareData, "lock-b-thread").start();
}
static class ShareData implements Runnable {
private final String holdLock;
private final String requestLock;
public ShareData(String holdLock, String requestLock) {
this.holdLock = holdLock;
this.requestLock = requestLock;
}
@SneakyThrows
@Override
public void run() {
synchronized (holdLock) { // 1
System.out.println("线程：" + Thread.currentThread().getName() + ",持有:" + this.holdLock + ",尝试获取：" + this.requestLock);
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
synchronized (requestLock) { // 2
System.out.println("成功获取！");
}
}
}
}
lock_a_shareData持有lock_a，尝试请求lock_b，相反的lock_b_shareData持有lock_b，尝试请求lock_a，在它们互相都不放手的情况下，谁也无法请求成功，因此双双阻塞在那里。
通过上面的例子我们可以总结出死锁产生的4个条件：
代码1和代码2处添加了 synchronized，保证只有持有对应锁的线程可以进入，这是互斥条件，锁只能被一个线程持有；代码1处持有锁不释放，并且在代码2处请求锁，这是保持和请求条件，保持自己的锁，并请求其它的锁； 线程 lock-a-thread和线程lock-b-thread只是在那里不断请求，并没有谁要求其它线程放弃，这是不剥夺条件，不抢夺其它线程已获取的锁，只能由其主动释放；线程 lock-a-thread和线程lock-b-thread的持有与互相请求锁形成了一个环路，这是循环等待条件，多个线程间的资源请求形成了环路。
知道了死锁产生的条件，那么解决的办法也就显而易见了。首先互斥条件是无法被打破的，因为本身的目的就是在此处形成互斥，避免并发造成的“意外”。
那么我们可以尝试打破剩余的3个条件：
通过一次性申请所有资源来打破保持和请求条件，增加Admin角色去统一管理资源的申请和释放； 通过主动释放资源来打破不剥夺条件，既然不能主动抢，那主动释放总归是可以的吧？ 通过按照资源顺序申请来打破循环等待条件，每个资源由小到大依次编号，只有申请到编号较小的资源后才可以申请编号较大的资源。
Java中定位死锁
涉及到多线程的问题，往往具有难排查的特点，不过好在我们可以借助Java提供的工具。
首先是通过jps，ps或者它工具确定Java程序的进程ID:
# Linux平台
jps -1
# window平台
.\jps
然后通过jstack查看线程的堆栈信息，确定“事故”：
# Linux平台
jstack <进程ID>
# window平台
.\stack <进程ID>
得到大致如下的信息（省略了非常多）：
这个输出信息就非常明显了吧？虽然实际工作中，情况可能会更加复杂，但是大致思路是一样的：
程序阻塞 -> 查看线程状态 -> 查看持有与等待情况 -> 查看问题代码
预防死锁
通常快速定位解决死锁问题，会在程序员中获得“技术大牛”的称赞，但质量效能部门会记一个大大的事故。为了避免这种情况，我们还是要多做预防工作。
首先是尽量避免使用多个锁，避免这种持有与请求的情况发生，如果必须要用多个锁，请保证多个锁的使用至少满足以下一种：
线程按照特定顺序获取锁； 为每把锁添加超时时间，当然 synchronized是没办法做到的。
另外也可以借助工具在上线前发现死锁问题，比如：FindBugs™ [6]。
多线程的是与非
使用多线程的目的是什么？
无论是说多核处理器时代不用多线程就是浪费资源，还是说程序既要处理数据，又有IO操作，多线程可以在IO期间处理数据保证CPU的利用率，归根结底就是要提速。
通常意义上，多线程确实会快于单线程。
PS：《Java并发编程的艺术》中在章节“1.1.1 多线程一定快吗”给出了一个反例。我提供了这本书的电子版，有兴趣的可以去阅读。
我经常会和小伙伴聊到，引入一种技术，有利就会有弊，无论是技术选型还是架构设计，都是一门权衡的艺术。
那么引入多线程会带来什么问题？
显而易见的是编程难度的提升，人的思维是线性的，因此编程过程中也总是倾向于线性处理流程，在程序中编写代码的难度可想而知。
另外，《Java并发编程的艺术》中提到了上下文切换，死锁，以及资源限制的问题，这些大家都耳熟能详了，就不过多赘述了。
以上的问题我们都有解决办法或者可以忽略，并发编程中最大的挑战其实是线程安全问题带来的数据错误，比如，前公司的同事曾经使用了有状态的Spring单例Bean。
最后是额外的一点，如无必要，勿增实体，在可预见的未来（大约3年），如果业务发展并没有使用多线程的必要，那就遵循奥卡姆剃刀原理，选择最简单的解决方案。
结语
今天的内容其实都可以在操作系统的发展史中找到它们的影子，与其说是线程的问题不如说是多任务处理的问题。
文章中涉及到了一些操作系统的内容，尤其是在线程的同步与互斥和线程的本质与调度中，最早写了3种管程模型，但写完发现文章奔着上万字去了，于是就删掉了这部分内容，尽量做到简短准确的表达。
关于线程的问题到这里就告一段落了，希望这3篇文章能够给你带来帮助。接下来我们从synchronized，volatile和final开始。
好了，今天就到这里了，Bye~~
参考资料
线程同步定义: https://baike.baidu.com/item/%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E5%90%8C%E6%AD%A5/4855164
[2]线程互斥的定义: https://baike.baidu.com/item/%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E4%BA%92%E6%96%A5
[3]管程的定义: https://baike.baidu.com/item/%E7%AE%A1%E7%A8%8B/10503922
[4]thread.cpp的JavaThread构造方法: https://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk11/file/d2137bd1e57d/src/hotspot/share/runtime/thread.cpp#l1623
[5]os_linux.cpp的create_thread方法: https://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk11/file/1ddf9a99e4ad/src/hotspot/os/linux/os_linux.cpp#l715
[6]FindBugs官网: https://findbugs.sourceforge.net/