并发的三大性质——通往多线程的钥匙

后端

2023-02-07 14:57:02

并发编程：交响乐般的艺术，挑战计算机科学界

在计算机科学的浩瀚领域中，“并发”一直是一道世纪难题，也是考验计算机性能的巅峰试炼场。它不仅影响着理论极限，更与我们在日常生活中使用的应用程序息息相关。

交响乐的并行之美

想象一下一场美妙的交响乐，由多个乐器演奏出复杂动听的旋律。每一件乐器都代表着并发执行的一个任务。只有当这些任务按照既定的节奏和顺序和谐地演奏时，才能奏出扣人心弦的音乐。

并发编程中的三个指挥家

在并发编程中，也有着三个至关重要的“指挥家”，它们共同协调着任务的执行，确保交响乐般的和谐统一。这三个指挥家分别是：

原子性： 一个完美的音符，不可分割，必须作为一个整体来演奏。在并发编程中，原子性确保了操作的完整性，不允许中途中断。

有序性： 乐曲的节拍，保证了音符按正确的顺序演奏。在并发编程中，有序性确保了任务按照既定的顺序执行，避免数据混乱。

可见性： 舞台上的灯光，让所有乐手都能看到其他人的演奏。在并发编程中，可见性确保了所有线程都能看到其他线程执行的结果，做出正确的决策。

原子性、有序性和可见性：缺一不可

这三个“指挥家”缺一不可，共同构成了并发编程的基石。掌握这三大性质，才能真正领略并发编程的艺术。

代码示例：银行转账

让我们用一个简单的银行转账程序来演示这三大性质的重要性：

public class BankTransfer {

    private int balance = 1000;

    public void transfer(int amount) {
        synchronized (this) {
            if (balance >= amount) {
                balance -= amount;
            }
        }
    }

}

这个程序使用了一个同步块来保证转账操作的原子性。但是，如果我们使用多个线程同时向同一个账户转账，就会出现问题：

public class MultiThreadBankTransfer {

    public static void main(String[] args) {
        BankTransfer bankTransfer = new BankTransfer();

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            bankTransfer.transfer(500);
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            bankTransfer.transfer(500);
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("Balance: " + bankTransfer.balance);
    }

}

运行这段程序，你会发现账户余额并不总是正确的。这是因为两个线程同时访问共享变量balance，导致数据不一致。

为了解决这个问题，我们需要使用一个锁来保证两个线程只能交替访问共享变量：

public class SynchronizedBankTransfer {

    private int balance = 1000;

    public void transfer(int amount) {
        synchronized (this) {
            if (balance >= amount) {
                balance -= amount;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        BankTransfer bankTransfer = new SynchronizedBankTransfer();

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            bankTransfer.transfer(500);
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            bankTransfer.transfer(500);
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("Balance: " + bankTransfer.balance);
    }

}