多线程带来的风险

概述

Java对线程的支持其实是一把双刃剑。如果使用得当，线程可以有效的降低程序的开发和维护成本，同时提升复杂应用的性能。优点如下：

发挥多处理器的能力，提高系统吞吐率
简化建模（例如Servlet和RMI远程方法调用）：
复杂工作简化为一组简单的并且同步的工作流，每个工作流在单独的线程中运行，并在特定的地方进行交互。
简化异步事件处理
更灵敏的用户响应界面

然而，线程也带来了一些额外的问题。

安全性问题

安全性的含义是“永远不发生糟糕的事情”。

看下面的代码：

// 非线程安全的数值序列生成器
public class UnsafeSequence {
    private int value;
    
    // 返回一个唯一的数值
    public int getNext() {
        return value++;
    }
}

在单线程的环境中，这个类可以正常工作，产生正确的结果，但是在多线程的则不能。

UnsafeSequence的问题在于，如果执行的时间不对，那么两个线程在调用getNext方法时会得到相同的值。看下图：

这种错误出现的情况是：虽然 value++ 看上去是一个原子操作，但事实上它包含了3个操作：读取value、将value的值+1、将结果写入value。由于运行的时候多个线程存在交替执行的情况，因此这两个线程可能同时执行读操作，从而使它们得到相同的值。结果也就是不同的线程的调用返回了相同的值，而这不是我们想要的结果。

这是一个并发安全问题，称为 竞态条件(Race Condition) 。在多线程环境下，getNext是否会返回唯一的数值，要取决于运行时对线程中操作的交替执行方式，这显然不正确。

由于多个线程要共享相同的内存地址空间，并且是并发操作，因此它们可能会访问或修改其他线程正在使用的变量。当然，这是一种极大的便利，因为这种方式比其他线程间通讯机制更容易实现数据共享。但是它同样带来了巨大的风险：线程由于无法预料数据变化而发生错误，当多个线程同时访问或修改相同的变量时，将会在串行编程模型中引入非串行因素，而非串行性是很难分析的。要使多线程程序的行为进行预测，必须对共享变量的访问操作进行协同，这样才不会在线程之间发生干扰。幸运的是，Java提供了各种同步机制来协同这种访问。

看下面代码：

// 线程安全的数值序列生成器
public class SafeSequence {
    private int value;
    
    // 返回一个唯一的数值
    public synchronized int getNext() {
        return value++;
    }
}

我们将getNext修改为一个同步的方法，修复竟态条件问题。

在开发并发代码时，一定要注意 线程安全性是不可破坏的。

活跃性问题

活跃性的含义是“某件正确的事情一定会发生”。

当某个操作无法继续执行下去的时候，就会发生活跃性问题。在串行程序中，活跃性问题就是无意中造成的无限循环，从而使得循环之后的代码无法得到执行。线程将带来其他一些活跃性问题。

比如，线程A在等待线程B释放所持用的资源，而线程B永远都不释放持有的资源，那么A就会永久地等下去。就是一种饥饿现象，除此之外还有死锁以及活锁。

与大多数并发性错误一样，导致活跃性问题的错误同样是难以分析的，因为它们依赖于不同线程时间发生的时序。

性能问题

性能问题的含义是“正确的事情能尽快发生”。

活跃性意味着某件正确的事情最终一定会发生，但却不够好，因为我们同城希望正确的事情尽快发生。性能问题包括多个方面，例如服务时间过长、响应不灵敏、吞吐率过低、资源消耗过高、可伸缩性较低等。

在设计良好的并发应用程序中，线程能提升程序的性能。但无论如何，线程总会带来某种程度的运行时开销。在多线程程序中，但线程调度器临时挂起并转而运行另一个线程时，就会频繁地出现 上下文切换（Context Switch），这种操作将带来极大的开销。当线程共享数据时，必须使用同步机制，而这些同步机制往往会压抑某些编译器优化，使内存缓冲区中的数据无效，以及增加共享内存总线的同步流量。所有这些操作都将带来额外开销。

参考文档

《Java并发编程实战》Brain Goetz等著机械工业出版社