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## 04 人多力量未必大—并发可能会遇到的问题 > 不安于小成,然后足以成大器;不诱于小利,然后可以立远功。 > ——方孝孺 专栏已经写到第三篇,但我们貌似还没体验到多线程带来的好处,反倒是惹出了一些麻烦。上一篇专栏中,我们试图采用多线程并发,加快抄写单词的速度,但是事与愿违,不但没有提升,还做了无用功。最糟糕的是程序执行结果是错误的。人多虽然力量大,但也会有各种问题和麻烦。 ![图片描述](https://img.mukewang.com/5d75b1ed0001df1a10960580.jpg) 如上图,如果问题处理得不得当,人越多反而会越乱。上一节并发抄写单词程序的问题不知大家思考的如何。其实很简单,问题出在共享资源的访问上。 ## 并发抄写单词问题分析 回到抄单词这个问题上,我们试图引入更多的学生来一块完成任务,那么这些学生怎么知道目前抄写多少单词了?自己是否还需要继续抄写呢?我们看相关代码: ~~~java if (punishment.getLeftCopyCount() > 0) { int leftCopyCount = punishment.getLeftCopyCount(); System.out.println(threadName+"线程-"+name + "抄写" + punishment.getWordToCopy() + "。还要抄写" + --leftCopyCount + "次"); punishment.setLeftCopyCount(leftCopyCount); } ~~~ 我用通俗的方式来说明这段代码的逻辑。为了让参与抄写单词的学生知道剩余抄写的数量,我们找来了一块小黑板,然后把剩余的总量写在上面,每个学生抄写之前先看一眼黑板,如果剩余的数量大于零,那么还需要继续抄写,抄写完后,擦掉黑板上的数字,把剩余数量-1,写上去。 **流程图如下:** ![图片描述](https://img.mukewang.com/5d723a1a0001337407870415.jpg)OK,一个人按照这个流程抄写是没问题的,但是多个人同时抄写,问题就多了。 1. 读取次数和抄完更新次数之间有时间间隔,此时别的学生也会读到同样的剩余次数,那么这次抄写就是多余的; 2. 在更新leftCopyCount的时候,可能其它多个线程已经更新过了,也就是说此时leftCopyCount并不是你当初取出来的值,那么可能会把剩余数量更新的比此时还要大。这样其它线程的抄写就白做了。因为剩余数量被更新了回去。 ## 尝试解决并发问题 为了解决这两个问题我们修改copyWord方法代码如下: ~~~java public void copyWord() { int count = 0; String threadName = Thread.currentThread().getName(); while (true) { if (punishment.getLeftCopyCount() > 0) { int leftCopyCount = punishment.getLeftCopyCount(); leftCopyCount--; if(leftCopyCount<punishment.getLeftCopyCount()){ punishment.setLeftCopyCount(leftCopyCount); } System.out.println(threadName+"线程-"+name + "抄写" + punishment.getWordToCopy() + "。还要抄写" + leftCopyCount + "次"); count++; } else { break; } } System.out.println(threadName+"线程-"+name + "一共抄写了" + count + "次!"); } ~~~ 可以看到代码中主要有两个变化: 1. 取得剩余次数后马上更新-1后的次数。看似是避免了读取和更新间的时间间隔。 2. 更新剩余次数前先判断自己的更新次数是否为最新,避免更新后次数反而变大的问题。 这么修改后看起来好像没有问题了,那么我们再来试一下。 执行以下main方法: ~~~java public static void main(String[] args) { Punishment punishment = new Punishment(100,"internationalization"); Student xiaoming = new Student("小明",punishment); xiaoming.start(); Student xiaozhang = new Student("小张",punishment); xiaozhang.start(); Student xiaozhao = new Student("小赵",punishment) xiaozhao.start(); } ~~~ 我们启动三个线程并发抄写。可以在输出中找到如下关键信息: ~~~ 小赵线程-小赵一共抄写了48次! 小明线程-小明一共抄写了25次! 小张线程-小张一共抄写了27次! ~~~ 总数是100,问题解决了!等等,真的解决了吗?我们回过头再看改后的copyWord代码,虽然程序读取剩余次数后,马上更新,并且加了小于才更新的判断。但是仔细想想,这样并不是万全之策,因为小明和小张很可能恰巧同时去看剩余次数,取得剩余次数n后,各自计算剩余次数为n-1,但是假如小明正好计算的快一点,小明先把剩余次数更新为了n-1,虽然小张不符合更新条件,但是在剩余第n次的这次抄写上,小明和小张各抄写了一次,也就是说多抄写了一次。 ## 线程安全 为什么上面代码打出的日志中,三人抄写总和是正确的100呢?有没有可能是抄写数量太小,全部抄写完也没有发生上面描述的两人同时去查看剩余次数的情况?为了验证这个推论,我们把抄写次数增多,看是否会出现问题。 在我的电脑上,抄写数量加大到1000,三人抄写总和依然是正确的。但加大到10000时,问题出现了,有时会出现三人抄写次数大于10000的现象。我继续加大到1000000,此时基本每次执行,三人执行总和都要超出1-5次。以上实验结果,根据实验电脑的不同会有所区别。现在已经能够得出结论了,这样修改是不行的,原因前文已经说明,因为有小概率两人甚至三人同时查看剩余次数,导致重复抄写。 以上所描述的问题,就是大家耳熟能详的线程安全问题。线程安全问题来源于并发时对共享资源的操作。在本例中,我们把剩余次数写在黑板上,大家都去黑板上读取剩余次数并更新。那么共享资源就是黑板上的剩余抄写次数。 我们先不谈代码如何修改,我们来想一想现实生活中如何解决上述问题。 问题出在小明读取剩余次数的同时,小张、小赵也可以读取,三人很可能读到同样的次数。并且读取完,三人都会根据自己的计算去更新剩余次数,所以才会乱了套。我们可以改为谁要读取次数时先做个标记(比如在次数边上写上自己名字),代表自己在操作,此时别人只能等待。详细流程如下图: ![图片描述](https://img.mukewang.com/5d7239d100013ecd10820435.jpg)1、读取剩余次数前,先看纸上是否有名字。没有名字,在纸上写上自己的名字; 2、如果纸上已经有名字则等待,并且一直观察纸上名字是否被擦除; 3、成功写上自己名字的同学,更新次数为n-1; 4、擦掉自己的名字; 5、其他等待者观察到名字被擦掉,则抢着写上自己的名字。 这样确保了同一时间只有一个人在操作剩余次数,再也不会乱套了。 ## 其它多线程相关概念 以上流程引入了多线程中的一个重要概念–**同步**。所谓的同步就是某一段流程同时只能有一个线程执行,其它线程需要等待。对于本例,读取剩余次数,并更新剩余次数这两步操作需要做同步控制。操作剩余次数之前需要写名字代表自己在做操作,这是在**加锁**。而擦除名字则是**释放锁**。假如小明先成功写上自己的名字,而小张和小赵按照先来后到的顺序排队,那么就是**公平锁**。但假如两人并不排队,而是通过争抢获取写名字的权利,那么这就是**非公平锁**。在这种情况下,如果小张很瘦弱,既抢不过小赵,也抢不过小明,那么小张永远无法读取剩余次数,也就无法抄写单词,这种情况就叫做**线程饿死**。 线程安全问题通过加锁可以得到解决。Java也提供了特定场景下更为轻量级的解决方法。后面的文章会有更为详尽的描述。本篇文章只是抛出了多线程开发中,可能存在的问题,及问题产生的原因。上文还通过例子引申出多个多线程中的概念,相信结合例子都很容易理解,后面的文章还会反复提及并有专门的详解。 ## 总结 多线程开发,复杂就复杂在处理线程安全问题上。如果代码写得不好,就会有各种同步相关的问题产生,而且很难调试。不过好在我们有很多种方式能够解决。后面的文章会逐一讲解。 专栏写到这里,其实我们学习多线程的两个主要目标已经清楚: 1. 如何实现多线程; 2. 如何解决线程安全问题。 后面的文章都会围绕这两个问题进行讲解。我们会先学习如何实现多线程,再看如何解决多线程中的问题。难点在第2点上。要想知道如何解线程安全问题,就要深刻理解问题产生的根本原因是什么。另外要深刻理解解决问题的原理,而不仅仅是记住解决方法。这样才能做到一通百通,遇到问题灵活应对。其实我们学习每一样技术都是同样的道理,千万不要只停留在会用层面,否则遇到问题只会从表面现象入手,但n种表面现象可能是同一个根本原因。如果我们了解原理,遇到再多问题也无所畏惧。因此,本专栏绝不会停留在使用层面,而是会深入到底层原理。前三篇只算是个开胃菜。目的让读者了解多线程的概念及简单实现,同时知晓多线程存在的问题。后面的文章难度会越来越大,不过不用担心,只要跟着专栏认真学习下来,你一定能轻松掌握。