Многопоточность в Java

Поток — последовательность команд внутри процесса. Потоки одного процесса разделяют кучу, открытые ресурсы и код, но у каждого есть свой стек вызовов. Поэтому передавать данные между потоками легко, а сохранять их согласованность — сложно.

Concurrency и parallelism

• Concurrency — несколько задач продвигаются во времени, возможно на одном ядре.
• Parallelism — несколько задач физически выполняются одновременно на разных ядрах.

Потоки полезны для двух разных целей:

1. CPU-bound задачу можно разбить на независимые вычисления и использовать несколько ядер.
2. В I/O-bound задаче один поток может выполнять работу, пока другой ждет сеть или диск.

Больше потоков не означает быстрее: появляются переключения контекста, конкуренция за блокировки, память под стеки и нагрузка на планировщик.

Процесс и поток

Свойство	Процесс	Поток
Адресное пространство	свое	общее с потоками процесса
Изоляция сбоя	выше	необработанная ошибка портит общий процесс, хотя не обязательно завершает все потоки
Обмен данными	IPC, сокеты, файлы	общие объекты и синхронизация
Создание и переключение	обычно дороже	обычно дешевле

Три задачи многопоточного кода

1. Исполнение: Thread, ExecutorService, ForkJoinPool.
2. Безопасная публикация и видимость: synchronized, volatile, финальные поля, concurrent-коллекции; см. Java Memory Model и Happens before.
3. Координация: Future, очереди, latch/barrier/phaser, wait/notify.

ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(4);
try {
    Future<Integer> result = pool.submit(() -> compute());
    System.out.println(result.get());
} finally {
    pool.shutdown();
}

Для прикладного кода задача обычно отделяется от механизма запуска: Runnable или Callable передают исполнителю, а не создают новый Thread на каждый вызов.

Карта заметок

• жизненный цикл — В каких состояниях может находиться поток;
• остановка — Остановка потока;
• взаимное исключение — Синхронизация в Java, Монитор в Java, Семафор в Java;
• ошибки — Race condition, deadlock, livelock;
• результат задачи — Объект Future, FutureTask;
• CPU-bound разбиение — Фреймворк fork и join;
• контекст потока — Зачем используются thread local переменные;
• обмен сообщениями — Как реализовать двусторонний обмен данными между потоками;
• структуры данных — Какими коллекциями пользоваться в многопоточной среде;
• I/O и ограниченные пулы — Проблема блокирующих вызовов.

На собеседовании

• Могут ли потоки выполняться конкурентно на одном ядре? Да, планировщик чередует их.
• Что разделяют потоки Java-процесса? Кучу и ресурсы процесса; стек у каждого свой.
• Почему counter++ небезопасен? Это чтение, вычисление и запись, между которыми может вклиниться другой поток.
• Что важнее числа потоков? Характер нагрузки, число ядер, доля ожидания, ограничения внешних ресурсов и цена координации.
• Дает ли Thread.sleep() синхронизацию памяти? Нет.