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多线程是Java程序有效运行的基础。本章将从线程出现的背景出发，详细阐述线程的优势与安全性问题。接着会从Java内存模型、内存一致性协议、系统内存屏障等多个维度详细阐述如何解决线程安全问题。最后会详细讲解Java线程的创建过程、执行过程与生命周期。
Linux内核的逻辑架构如图3-1所示。内存管理系统负责引导CPU完成内存数据的读写，虚拟文件系统负责引导CPU完成文件的读写，网络通信系统负责完成数据网络通信。
图3-1 Linux内核逻辑架构
由于CPU制造技术越来越先进，其集成度越来越高，运行速度也越来越快，通常指令周期都能达到ns级别。最近20年，相比存储、网络等相关硬件设施在性能上的提升，CPU性能提升非常慢。另外，CPU在访问各个相关设备的时候有很大的差异。CPU访问各硬件的时间如表3-1所示。
表3-1 CPU访问硬件时间
CPU执行指令与访问内存都比较快，一般耗时在ns级别，但访问的存储与网络设备都非常慢，耗时达到了ms级别。而在应用程序运行时，CPU除了进行运算与内存访问之外，更多是执行磁盘读写、网络访问等I/O操作，如果通过串行化执行应用程序会非常慢。例如，有个进程A需要完成4个任务：任务1是读写文件配置、任务2是打印日志，任务3是网络访问，任务4是显示当前进度。任务1、任务2、任务3都需要300ms，任务4需要200ms。如图3-2所示，如果采用单线程处理，整个任务运行的时长是300×3+200=1100ms，如果采用多线程处理，可以同时处理任务1、任务2、任务3，执行时长是300+200=500ms。
图3-2 多线程处理模型
从程序的角度来看，采用多线程明显提升了应用程序的执行效率。从CPU的角度来看，在相同的时间内完成了更多任务，提高了CPU的使用效率。
那么是否多线程的速度就一定比单线程快呢？未必。Redis就是单线程的，它的性能非常好。因为Redis大量的数据读取与写入都是在内存中完成的，一般操作都会在60ns内完成，所以执行的效率非常高。