为什么需要多线程

2020-07-25 本文已影响0人憨憨二师兄

为什么需要多线程

《CPU:这个世界太慢了》现代CPU的速度一般为3GHz，从内存中读取的速度为10μs,从磁盘中读写的速度更慢，网络IO的速度对CPU来说等同与我们人类的好几万年
现代CPU都是多核的
Java的执行模型是同步/阻塞(block)的

默认情况下只有一个线程

处理问题非常自然

但是具有严重的性能问题

示例程序：向临时文件中写数据

import java.io.File;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.UncheckedIOException;

public class Crawler {
    public static void main(String[] args) {
        long t0 = System.currentTimeMillis();
        slowFileOperation();
        long t1 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("耗时:" + (t1 - t0) + "ms");
    }

    private static void slowFileOperation() {
        try {
            File tmp = File.createTempFile("tmp", "");

            for(int i = 0; i < 10000;i++){
                FileOutputStream fos = new FileOutputStream(tmp);
                fos.write(i);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new UncheckedIOException(e);
        }
    }
}

在我的主机上，执行的时间为：

耗时:4001ms

假设，有四个用户进行了请求，单线程处理这样的操作：

import java.io.File;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.UncheckedIOException;

public class Crawler {
    public static void main(String[] args) {
        long t0 = System.currentTimeMillis();
        slowFileOperation();
        slowFileOperation();
        slowFileOperation();
        slowFileOperation();
        long t1 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("耗时:" + (t1 - t0) + "ms");
    }

    private static void slowFileOperation() {
        try {
            File tmp = File.createTempFile("tmp", "");

            for(int i = 0; i < 10000;i++){
                FileOutputStream fos = new FileOutputStream(tmp);
                fos.write(i);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new UncheckedIOException(e);
        }
    }
}

因为该代码是单线程，具有同步/阻塞的特点，所以代码会顺序执行，耗时：

耗时:18821ms

什么是线程

开启一个新的线程

Thread

Java中只有这么一种东西代表线程
start方法才能并发执行
每多开一个线程，就多一个执行流
方法栈(局部变量)是线程私有的
静态变量/类变量是被所有线程共享的

示例程序：

import java.io.File;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.UncheckedIOException;

public class Crawler {
    public static void main(String[] args) {
        long t0 = System.currentTimeMillis();
        slowFileOperation();
        new Thread(Crawler::slowFileOperation).start();
        new Thread(Crawler::slowFileOperation).start();
        new Thread(Crawler::slowFileOperation).start();
        long t1 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("耗时:" + (t1 - t0) + "ms");
    }

    private static void slowFileOperation() {
        try {
            File tmp = File.createTempFile("tmp", "");

            for(int i = 0; i < 10000;i++){
                FileOutputStream fos = new FileOutputStream(tmp);
                fos.write(i);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new UncheckedIOException(e);
        }
    }
}

执行结果：

耗时:3953ms

可以看到大大缩短了时间

run和start的区别？

start方法才是开启了一个线程，而如果调用new Thread(...).run()和单线程调用普通的方法没有区别，示例程序：

import java.io.File;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.UncheckedIOException;

public class Crawler {
    public static void main(String[] args) {
        long t0 = System.currentTimeMillis();
        slowFileOperation();
        new Thread(Crawler::slowFileOperation).run();
        new Thread(Crawler::slowFileOperation).run();
        new Thread(Crawler::slowFileOperation).run();
        long t1 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("耗时:" + (t1 - t0) + "ms");
    }

    private static void slowFileOperation() {
        try {
            File tmp = File.createTempFile("tmp", "");

            for(int i = 0; i < 10000;i++){
                FileOutputStream fos = new FileOutputStream(tmp);
                fos.write(i);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new UncheckedIOException(e);
        }
    }
}

执行结果：

耗时:15248ms

和单线程执行的结果无区别。

线程难的本质？

线程难的本质原因是你要看着同一份代码，想象不同的人在疯狂地以乱序执行它

示例程序：
```
public class Crawler {

    private static int i = 0;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(Crawler::modifySharedVariable).start();
        new Thread(Crawler::modifySharedVariable).start();
        new Thread(Crawler::modifySharedVariable).start();
        new Thread(Crawler::modifySharedVariable).start();
    }

    private static void modifySharedVariable() {
        i++;
        System.out.println("i : " + i);
    }
}
```
该段程序执行的结果为：

[图片上传失败...(image-748785-1595653899958)]

看上去没有问题，如果我们对代码进行一些修改，开启更多的线程，并在在run方法中设置线程睡眠1ms的时候，鬼畜的事情就发生了：
```
public class Crawler {

    private static int i = 0;

    public static void main(String[] args) {

        for(int i = 0; i < 10; i++){
            new Thread(Crawler::modifySharedVariable).start();
        }
    }

    private static void modifySharedVariable() {
        try {
            Thread.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        i++;
        System.out.println("i : " + i);
    }
}
```
该段程序执行的结果为(每次执行结果有可能不同)：
```
i : 4
i : 4
i : 4
i : 4
i : 5
i : 4
i : 4
i : 6
i : 8
i : 8
```
那么为什么会发生这样的情况呢？
因为i++这个操作并不是一个原子操作，它实际上可以分解成三件事情：
- 将i的值拿到
- 将i的值+1
- 将i的值写回到内存
试想有两个线程，线程A首先拿到i的值假设为0，然后将i的值加1，这时候cpu给线程A的时间片到了，线程A被阻塞，线程B开始执行：拿到i的值仍然为0，然后执行i+1的操作，然后将i的值也就是1写回到内存；然后线程A又开始执行：执行了写的操作又将1写回到内存。所以才会出现上面这样鬼畜的事情！！

多线程的适用场景

CPU密集型与IO密集型
1. CPU密集型(cpu intense)
  
  典型的操作：编解码，数学的矩阵操作这些操作都需要CPU不停地去运算；对于CPU密集型不适合使用多线程，或者说多线程对于CPU密集型提升很小，多线程就是希望CPU不要闲着。
2. IO密集型
  
  多线程对于IO密集型操作及其有用！典型操作例如：文件IO，网络IO（通常也包括数据库）;因为网络IO传输的时间要比你CPU运算时间多很多，我们希望CPU这个时候能够充分地利用起来，就像你在烧水的时候，还可以切菜，倒油等等
3. 多线程对于性能提升的上限在哪里？
  - 单核 CPU 100%
  - 多核 CPU N*100%

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