多线程和虚拟机?

作者：贺拔达奚
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多线程和虚拟机。实际工作中，大部分程序员可能几乎不用，但这两项技能是你面试所谓高级工程师的敲门砖，也是你在机会到来的时候能否顶上去的弹药库。很多人，把这两部看的太高深，望而却步，我觉得一个重要原因就是大部分博客和书籍写的太差，只讲结果不谈背景。比如，讲到虚拟机，上来就以hotspot为例，内存模型，各种分区、回收算法；讲到多线程，上来就各种synchronized关键字、各种锁、线程池怎么用。新手看到就蒙了。要知道，一切技术的出现都是有背景的。所有技术的出现都是基于计算机原理和体系结构的。为了解决特定问题，人们基于计算机理解的语言才创造了各种解决问题的方法，也就是说这些解决方案不过是践行某种思想的一种体现罢了。

       

先说虚拟机，我们都知道Java程序运行在虚拟机上，虚拟机又和操作系统打交道，最终通过二进制指令操纵电子电路运行。完成数据的读取，存储，运算和输出。 

     

虚拟机在加载.class文件的时候，会在内存开辟一块区域“方法区”，专门用来存储类的基本信息，同时在“堆”区为这些类生成一个Class对象，作为类的“镜像”或“模具”，为反射提供基础。程序运行过程中，对象不断的生成和死亡，有的朝生暮死（大多数对象都这样，最常见的是方法内部生成的临时对象），有的壮年而亡，有的长命百岁，有的长生不死除非世界毁灭（虚拟机关闭，典型的如servlet）。对象生要吃喝，死了得埋，所以虚拟机就不停的申请内存、回收内存。对象的生成方法很多，new、反射等，对象回收的方法也有很多，这就是GC，标记-清除、复制、标记-整理等等。

垃圾回收，顾名思义，得确定垃圾是什么、在那里、如何回收。对象的生命周期不同，回收的方法不一样。假如让你设计垃圾回收，你该怎么做？大多数人都会想到，后台启动一个线程，隔一段时间（或达到某种状态，去堆用掉了80%），扫描垃圾对象，然后清除，然后继续执行原来的程序（串行收集器）。恭喜你，你也可以设计虚拟机了。但不幸的是，情况往往比你想象的复杂。效率、安全性、对原程序的影响，都是你要考虑的。人们最先发现，对象生命周期不同，用同一种GC方法，实在是效率差，怎么办？就如hotspot的方案，堆区根据对象生命周期不同，分成了Eden、Survivor0、Survivor1和Old区。每个区采用了不同的清理算法。多核的出现，自然人们会想到并行收集器，即多个回收线程一起跑；为了将对原程序影响降到最低（STW），又出现了并发收集器。这些，本质上，就是抽象分层思想的体现。类似于，重构代码中的，抽离属性和抽离方法。这种思想，我认为是计算机最重要的思想。可以讲三天三夜。如分布式服务中，根据业务模型，分拆用户服务、商品服务、订单服务。

到此为止，虚拟机优化就涉及到两大方面，各个区的大小怎么划分最优、垃圾回收算法怎么选择最优。直接点，就是JVM参数调整。但关键在于，给你一个系统（可能是一个陌生的系统，我说的陌生可能就是你开放的系统，只是每个人负责的只是一个模块，对系统整体不熟悉），你怎么样能恰当估算系统业务情况，进而有针对性的收集系统数据，根据场景，确定优化的方向点，然后找到这个点对应的虚拟机参数，调整参数，或者，优化代码。注意，一切优化必须基于业务模型。不同业务系统、甚至同一套系统不同用户基数调整的方向都不一样。平时，我遇到的情况大概分为两种，一种是堆的问题，比如代码问题导致List或map越来越大，或者是string使用不当，造成频繁old gc；某个外部组件调用，生成大量代理类无法销毁。还有一种是线程栈，线程阻塞甚至死锁的问题。多线程使用不当，比不使用还坑爹。

多线程，任何一个程序员都知道，但实际工作中，大部分程序员每天面对的基本是业务问题的CRUD和Bug定位，貌似没有直接接触多线程的机会。

大家知道程序运行的时候，最关键的是内存和cpu，而cpu运算的时候，是要从内存取值，当然很多时候是从缓存取值的，然后放入寄存器，参与运算，得到结果，先放入寄存器，然后放入内存。程序执行的指令也放在寄存器，它记录了当前程序执行的地址。用一句话概括：程序=数据结构+算法。CPU运算需要知道，我要执行什么程序、我的程序数据怎么获取。

大家应该看出问题来了吧？首先，线程执行是语言指令寄存器的，也就是当你切换线程的时候，得从虚拟机的程序计数器（PC）把该线程的执行指令放到指令寄存器，当然线程涉及的其他资源也要切换，比如IO设备。这些都是需要耗费资源的，这就是所谓的线程上下文切换。大学时候，记得很清楚的一句话：线程是CPU执行的最小单位。当时没怎么理解，后来想CPU执行程序，总得知道执行什么吧，那得准备指令寄存器的值，原材料得有吧，就可能涉及文件系统、网络资源吧，运算结果得输出到内存、文件或者网络吧。这些都是资源啊。所以，线程创建是一笔很大的开销。当然，如果你就一个线程，那就无所谓了，反正资源都是我的，想怎么用就怎么用。所以，很多时候，单线程比多线程快。

很多面试宝典，有这么一道题：Java线程的start和run方法有什么区别？通过我上面关于线程执行的分析，应该一目了然。我用一个做饭的例子说明，start需要你买菜、准备锅碗瓢盆油盐酱醋、洗菜切肉，而run则是往锅里放油放菜炒。大家可以看到，Thread源码的start0是个native方法，也就是资源准备是虚拟机帮你做了。你不用管我菜是怎么买的、价钱多少。当然了，如果菜市场很远，一直没买到，或者排队很长，甚至被别人插队，那你这顿饭就一直做不上。这就是所谓的线程阻塞了。如果两个厨师都在做饭，一个拿着酱油想要醋，一个拿着醋想要酱油，互不相让，就出现所谓的死锁。不好意思，扯远了。关于start和run，如果把方法名改为：applyResourceAndPerformAction和doConcreteActions，是不是很容易理解？很多人面试的时候，背一下宝典，原理根本不清楚。你能指望他处理复杂问题？线程必须的资源虚拟机帮你做了，你需要的就是告诉线程你具体做什么，所以实现线程的几种方式就有了，1、继承Thread目的重写run方法；2、实现Runnable接口，实现run方法；3实现Callable接口，回调获取线程结果。1使用了继承，2和3使用了组合，内部持有了你所实现的类，更加灵活。你看，多用组合少用继承的原则就这么体现了。

第二点，上面说到了，一个数值，进入CPU运算，经过了内存、多级缓存、寄存器，也就是说，当多线程运算同一个值的时候，是需要把值从主内存拿到该线程工作内存（寄存器）中的，当一个线程计算完毕（CPU首先把运算结果放到寄存器），还没刷新到主内存的时候，另一个线程从主内存取到的是旧值。JVM运行的每个线程都有自己的线程栈，不同线程运行的时候，都要复制主内存的一份副本到工作内存。怎么保证每个线程拿到的数据是最新的，这就是同步机制。volatile和synchronized，就是为了解决这个问题的。

首先，谁都能想到的最直接的办法就是：共享变量同一时刻只允许有一个线程操作。这样就保证了所有线程要么拿不到值，要么拿到的值是“纯粹”的。于是有了synchronized，用来告诉虚拟机：这个地方是圣地，不允许多个人同时涉足。这里有一把锁，必须拿到锁才能进入，其他人要想进来必须等待。Java中的锁，可以是this对象、方法、类，也可以是声明的某个变量。锁的范围，可以是小块代码段，可以是整个方法区，甚至是所有方法。一定要注意锁和锁的范围，这是两个维度的事情。虚拟机会在锁对象和线程之间建立联系，其他线程跑到锁对象的时候，会看到：哦，其他哥们已经来了，我先等着吧。特别注意，不要以为对象和类的定义一样，不过是属性和方法的集合，类和对象是两回事。类似模具和产品的关系。虚拟机生成一个对象，这个对象有很多额外信息，起码有对象内存地址你是知道的吧？所以，要标识这个对象当前被哪个线程占有，是一件很容易的事情。感兴趣的同学，可以去看看对象在内存中的布局。

我们很快发现，上面的方法有点粗暴，也不够灵活。很多时候，我们不关心共享值在被谁操作，我只关当前这个值“到底”是什么。所以，就有了volatile，大部分博客提到volatile，就一句话：保证可见性，不保证原子性。这什么鬼？实际上，如果一个共享变量声明为volatile，等于告诉虚拟机控制的所有线程：这个变量有点帅，要请他出山必须亲自去他老家——主内存去请，回来的时候也要尽快送回老家。所以，CPU计算的时候要从主内存取值，计算完毕，直接就写入主内存，不会写到高速缓存了。这就是所谓的“可见性”，也就是当前这个值是什么，你是完全知道的。至于不保证原子性，就很明显了，这个值谁都可以取来运算，从计算机角度来讲，跟普通变量的区别就在于：效率差了。因为写入和读取高速缓存，效率远远高于内存。一路题外话，不要以为数据库插入数据就直接到磁盘了，其实写入的也是缓存，由后台线程刷到磁盘的。这样既可以起到缓冲的作用，又可以提高效率。不然你以为怎么能那么快。其实，从底层到高层，从硬件到软件，很多原理都是相通的。