Java 并发与多线程教程

Jakob Jenkov 2024-02-28

Java 并发（Concurrency）是一个涵盖多线程（Multithreading）、并发和并行处理的术语。它包括 Java 平台上的并发工具、常见问题及其解决方案。本 Java 并发教程系列涵盖了多线程的核心概念、并发结构、并发问题，以及 Java 中多线程相关的成本与收益。

Java 的并发和多线程特性一直在不断演进。最新的功能包括 Java 虚拟线程（Virtual Threads） 和 结构化并发（Structured Concurrency）。因此，请定期回访本页面以获取最新内容。

什么是多线程？

多线程意味着在同一个应用程序中存在多个执行线程。你可以把线程想象成一个独立的 CPU 在执行你的程序。因此，一个多线程应用程序就像是拥有多个 CPU 同时执行代码的不同部分。

多线程示意图

但线程并不等同于 CPU。通常，单个 CPU 会在多个线程之间共享其执行时间，轮流为每个线程分配一定的时间片。此外，也可以让不同线程由不同的 CPU 执行。

多线程与多核 CPU

为什么要使用多线程？

使用多线程有多种原因，最常见的包括：

更好地利用单个 CPU
更好地利用多个 CPU 或 CPU 核心
提升用户交互的响应性体验
提升资源分配的公平性

下面将逐一详细说明。

更好地利用单个 CPU

一个常见原因是更高效地利用计算机资源。例如，当一个线程正在等待网络请求的响应时，另一个线程可以利用 CPU 执行其他任务。此外，如果计算机拥有多个 CPU 或多核 CPU，多线程还能帮助应用程序充分利用这些额外的计算核心。

更好地利用多个 CPU 或 CPU 核心

如果计算机包含多个 CPU，或 CPU 拥有多个执行核心，那么你需要使用多个线程才能让应用程序充分利用所有 CPU 或核心。单个线程最多只能使用一个 CPU，甚至有时还不能完全占满一个 CPU。

提升用户交互的响应性体验

另一个使用多线程的原因是为了提供更好的用户体验。例如，在图形用户界面（GUI）中点击一个按钮触发网络请求时，如果该请求由 GUI 线程执行，用户可能会感觉界面“卡住”了，因为 GUI 线程在等待响应。而如果将请求交给后台线程处理，GUI 线程就能继续响应用户的其他操作。

提升资源分配的公平性

第四个原因是更公平地在多个用户之间共享计算机资源。例如，设想一个服务器只用一个线程处理所有客户端请求。如果某个客户端发送了一个耗时很长的请求，其他所有客户端的请求都必须排队等待。而如果每个请求都由独立的线程处理，就不会出现某个任务独占 CPU 的情况。

多线程 vs. 多任务

在早期，计算机只有一个 CPU，一次只能运行一个程序。大多数小型计算机没有足够的性能来同时运行多个程序，因此也没有尝试这么做（不过大型机系统很早就支持多任务了）。

多任务（Multitasking）

后来出现了多任务处理，即计算机可以“同时”运行多个程序（也称为任务或进程）。实际上并非真正的同时执行，而是操作系统在多个程序之间快速切换，每个程序轮流获得一小段时间片来运行。

多任务带来了新的挑战：程序不能再假设自己独占 CPU、内存或其他系统资源。一个“良好公民”程序应当及时释放不再使用的资源，以便其他程序使用。

多线程（Multithreading）

再后来出现了多线程，即在同一个程序内部可以有多个执行线程。你可以把每个线程看作一个独立的 CPU 在执行程序。当多个线程执行同一程序时，就相当于多个 CPU 在程序内部并行工作。

多线程很难

多线程确实能显著提升某些类型程序的性能，但它比多任务更具挑战性。因为多个线程运行在同一个程序中，会同时读写相同的内存区域，这可能导致单线程程序中不会出现的错误。有些错误在单 CPU 机器上甚至不会显现，因为两个线程实际上并未“真正同时”执行。但现代计算机普遍配备多核 CPU，甚至多个 CPU，这意味着不同线程可以真正并行执行。

多线程并发问题示意图

如果一个线程正在读取某块内存，而另一个线程同时在写入，第一个线程最终会读到什么值？是旧值？新值？还是两者的混合？
如果两个线程同时写入同一内存位置，最终会留下哪个值？第一个线程写的？第二个线程写的？还是某种混合结果？

如果不采取适当措施，上述任何结果都可能发生，且行为不可预测，每次运行结果可能不同。因此，开发者必须掌握如何正确控制线程对共享资源（如内存、文件、数据库等）的访问。这也是本 Java 并发教程要解决的核心问题之一。

Java 中的多线程与并发

Java 是最早让多线程对开发者易于使用的编程语言之一。从诞生之初，Java 就内置了多线程能力。因此，Java 开发者经常面临上述并发问题。这正是我撰写本 Java 并发教程的原因——既作为自己的笔记，也希望对其他 Java 开发者有所帮助。

本教程主要关注 Java 多线程，但其中一些问题也与多任务处理和分布式系统中的问题类似，因此也会涉及相关内容。这也是为什么使用“并发”而非仅“多线程”作为标题的原因。

并发模型

最初的 Java 并发模型假设同一应用内的多个线程会共享对象。这种模型通常被称为 “共享状态并发模型”（shared state concurrency model）。许多并发语言结构和工具都是为支持该模型而设计的。

然而，自第一本 Java 并发书籍问世、乃至 Java 5 并发工具发布以来，并发架构与设计领域已发生巨大变化。

共享状态模型容易引发大量难以优雅解决的并发问题。因此，一种名为 “无共享”（shared nothing） 或 “分离状态”（separate state） 的替代模型逐渐流行起来。在这种模型中，线程之间不共享任何对象或数据，从而避免了共享状态模型中的并发访问问题。

近年来，出现了许多基于异步“分离状态”模型的新平台和工具包，例如 Netty、Vert.x、Play/Akka 和 Qbit。同时，新的非阻塞并发算法被提出，非阻塞工具如 LMax Disruptor 也被引入。此外，Java 7 引入了 Fork/Join 框架，Java 8 引入了集合流（Stream）API，进一步支持函数式并行编程。

鉴于这些新发展，是时候更新本 Java 并发教程了。因此，本教程目前仍在持续编写中，新内容将随时间陆续发布。

Java 并发学习指南

如果你是 Java 并发的新手，建议按照以下学习计划进行。你也可以在页面左侧菜单中找到所有主题的链接。