Java多线程学习

Java多线程学习

• 线程的调度
• 进程与线程
• 线程的生命周期
• 线程的创建
• • 继承Thread类
  • 实现Runable接口
  • Thread与Runable联系
  • Callable与Future
  • 常用方法介绍
• 线程安全与效率
• • Java多线程的内存模型
  • 可能产生的问题
  • 如何确保线程安全
  • • volatile关键字
    • CAS操作
    • synchronized关键字
    • Lock接口
    • 各种概念锁

线程的调度

1. 抢占式（重点）
   在抢占模式下，操作系统负责分配ＣＰＵ时间给各个进程，一旦当前的进程使用完分配给自己的ＣＰＵ时间，操作系统将决定下一个占用ＣＰＵ时间的是哪一个线程。
2. 协作式
   协作式线程调度器在将cpu控制权交给其他线程钱，会等待正在运行的线程自己去暂停，然后才可以交给另外一个线程。一些早期或者特殊用途的虚拟机 可能会使用这种方式。

进程与线程

进程的运行需要较多的资源，因此，操作系统能够同时运行的进程数量是有限的。进程间的切换与通信也存在较大的开销。为了能够并行的执行更多的任务，提升系统的效率，才引入了线程，线程间的切换开销比进程间的切换开销小得多。因此线程是运行的基本单元（CPU调度的基本单位）、进程是资源分配的基本单元。
线程是进程的一部分，一个进程拥有1~~N个线程，线程共享所在进程的资源。
线程分为守护线程和用户线程。

• 守护线程：做一些辅助操作，程序不会等待守护线程结束而结束。
  thread.setDaemon(true)将一个线程设置为守护线程必须在thread.start()之前设置。
  在Daemon线程中产生的新线程也是Daemon的。
  不是所有的应用都可以分配给Daemon线程来进行服务的，比如读写操作或者计算逻辑。
• 用户现场：用户线程结束，程序也就结束了，即使守护线程没有终止也会随之停止。

线程的生命周期

• 新建：线程被new出来的状态。
• 就绪：使用start开启线程，此时线程不一定会执行，处于竞争资源的时候。
• 运行：获取到了运行资源，执行代码。
• 阻塞：不执行代码，暂时放弃CPU的使用权，有可能会释放锁，进行等待，直到满足某个条件时回到就绪状态。
• 死亡：线程当中代码执行完毕或者执行过程中出现异常，或被强行中断（不建议）。

线程的创建 继承Thread类

通过继承Thread类，覆盖其run()方法即可编写一个线程。

public class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

new MyThread().start();让线程处于就绪状态。

实现Runable接口

Java单继承的特性并不满足开发需求所以可以通过实现Runable接口来创建线程。

public class MyThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

new Thread(new Mythread()).start();让线程处于就绪状态。

Thread与Runable联系

在Runable接口源码中其实只定义了一个抽象的run方法。
Runable源码。

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    
    public abstract void run();
}

Thread实现了Runable并对其功能进行了扩展，扩展的功能主要还是通过JNI调取的由C++/C写的代码。
Thread类部分源码。

public
class Thread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        if (target != null) {
            target.run();
        }
    }
    public Thread(Runnable target) {
        init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
    }
    public synchronized void start() {
        
        if (threadStatus != 0)
            throw new IllegalThreadStateException();

        
        group.add(this);

        boolean started = false;
        try {
            start0();
            started = true;
        } finally {
            try {
                if (!started) {
                    group.threadStartFailed(this);
                }
            } catch (Throwable ignore) {
                
            }
        }
    }
    ······
    ······
    ······
    ······
    ······
    ······
}

Callable与Future

Java5添加了Callable接口和Future接口，使得线程可以产生返回值，并且可以抛出异常。

public class MyThread implements Callable {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        sleep(3000);
        return 10;
    }
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        Futuref=executor.submit(new MyThread());
        try {
            System.out.println(f.get()); //执行到此处会被阻塞，直到获取到返回值。
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        executor.shutdown();
    }
}

常用方法介绍

方法	作用
t.start();	启动线程t
t.checkAccess();	检查当前线程是否有权限访问线程t
t.interrupt();	尝试通知线程t中断
Thread.currentThread().isInterrupted()	检查当前线程是否被要求中断
t.setPriority(int)	设置线程的优先级，1~10依次增大
t.isDaemon();	判断线程t是否为守护线程
t.setDaemon(boolean)	在start前设置线程t是否为守护线程，默认false
t.isAlive();	判断线程t是否存活
t.join(long);	等待线程t终止在执行 ，参数为超时时间
t.setName(String);	设置线程名称
yield();	让当前线程让出CPU，转为就绪状态，重新争夺资源，当只有大于等于t优先级的线程才能被执行。
Thread.currentThread();	得到当前线程对象的引用
Thread.sleep(long)	让当前线程转为阻塞状态，参数表示阻塞时间，后转为就绪状态，不会释放锁
wait(long);	Object当中的方法,和sleep类似，但是会释放锁，所以只能在synchronized作用域中使用
t.notify();	wait()的对应方法，可以唤醒线程t，同样在synchronized作用域中使用

线程安全与效率 Java多线程的内存模型

我们声明的对象的成员变量、静态变量等非局部变量都位于主内存中，而每个线程又都有自己的工作内存，工作内存是CPU中寄存器与高速缓存的抽象描述，并不是真正的一块内存，一般情况下，当主线程获得CPU使用权后，开始执行前会将主内存当中的变量load到工作内存，处理完成在save会主内存。

可能产生的问题

线程安全主要考虑的三个方面

• 可见性：一个线程对某个变量修改时，其他线程可以立即检测到。
• 有序性：禁止指令重排。
• 原子性：线程在执行某一连续操作时要么都执行，要么都不执行。

线程同步的机制（四个）

• 临界区：在同一时刻只允许一个线程执行的代码块称为临界区，临界区通常用锁机制来实现。
• 互斥量：互斥量跟临界区很相似，只有拥有互斥对象的线程才具有访问资源的权限，由于互斥对象只有一个，因此就决定了任何情况下此共享资源都不会同时被多个线程所访问。
• 信号量：信号量允许有限数量的线程在同一时刻访问同一资源。
• 事件：用来通知线程有一些事件已发生，从而启动后继任务的开始。

可能产生的问题

• 饥饿：某个线程长时间得不到所需要的资源，而总是经常性的处于就绪状态。
• 死锁：两个或两个以上线程在资源竞争中互不相让，形成资源等待或长时间处于阻塞状态。

如何确保线程安全 volatile关键字

作用：禁止指令重排和保证其可见性，但是不能解决原子性。

原理： 被volatile关键字修饰的变量会存在一个“lock:”的前缀，Lock不是一种内存屏障，但是它能完成类似内存屏障的功能，它的作用是将本处理器的缓存写入了内存，该写入动作也会引起别的处理器或者别的内核无效化（Invalidate，MESI协议的I状态）其缓存，这种操作相当于对工作内存与主内存中的变量做了一次“store和write”操作。所以通过这样一个操作，可让前面volatile变量的修改对其他处理器立即可见。lock指令的更底层实现：如果支持缓存行会加缓存锁（MESI）；如果不支持缓存锁，会加总线锁。

CAS操作

更新某个变量前，检查变量的当前值是否符合期望值，如果相符就使用新值替换当前值，否则自旋尝试重新获取，直到成功。

可能存在的问题：

• ABA问题：如果一个值原来是A，接着变成了B，之后又变成了A，执行CAS时会发现值没有预期当中的变化不执行。
• 循环开销：当冲突严重时，自旋的开销严重增加CPU负担。
• 只能保证一个共享变量的原子性。

synchronized关键字

是Java的关键字，被用于标记一个方法或代码块，通过给对象上锁的方式，将自己的作用域变为一个临界区，由编译器负责加锁与解锁的操作，是自动进行的。

synchronized	悲观锁、偏向锁—>轻量级锁—>重量级锁（逐渐升级）、非公平锁、可重入锁、独占锁

作用范围：

• 修饰代码块：

        synchronized(data){
            ······
            ······       
        }

作用范围是{}括起来的代码块，作用对象是()内的对象，表示获得该对象的锁。

• 修饰非静态方法:

    public synchronized void set(){
        ······
        ······
    }

被修饰的方法称为同步方法，其作用范围是整个方法，作用的对象是拥有这个方法的对象，执行此方法时会先获取调用此方法的对象的锁。
注意：在定义接口方法时不能使用synchronized来修饰。构造方法也不能用synchronized来修饰，但是构造方法体内可以使用synchronized来修饰。

• 修饰静态方法：

    public synchronized static void set(){
        ······
        ······
    }

其作用范围是整个静态方法，作用对象是该静态方法所在的类（静态方法属于类不属于对象），锁定的是该类本身。

• 修饰一个类：

        synchronized(MyThread.class){
            ······
            ······
        }

作用范围是{}括起来的部分，和修饰静态方法一样，获取的是类本身的锁。

Lock接口

与synchronized类似，对需要的对象添加锁，与synchronized不同，需要unlock主动去解锁，最好放在finally块当中。

具体实现类：

实现类	作用
ReentrantLock()	可重入锁
ReentrantReadWriteLock()	读写锁
readLock()	读锁（在ReentrantReadWriteLock类当中获取）
writeLock()	写锁（在ReentrantReadWriteLock类当中获取）

各种概念锁

锁	解释
乐观锁	总是假设最好的情况，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据(CAS操作)。
悲观锁	总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁
自旋锁	线程循环地去获取锁
非自旋锁/互斥锁	普通锁。获取不到锁，线程就进入阻塞状态。
适应性自旋锁	自旋一定次数或时间获取不到锁变为非自旋锁
偏向锁	无实际竞争，且将来只有第一个申请锁的线程会使用锁。
轻量级锁	无实际竞争，多个线程交替使用锁；允许短时间的锁竞争。可以优化为自旋形式
重量级锁	有实际竞争，且锁竞争时间长。一般为互斥形式
公平锁	指在分配锁前检查是否有线程在排队等待获取该锁，优先将锁分配给排队时间最长的线程（先来先服务）
非公平锁	指在分配锁时不考虑线程排队等待的情况，直接尝试获取锁，在获取不到锁时再排到队尾等待（谁抢到是谁的）
可重入锁/递归锁	即若当前线程执行某个方法已经获取了该锁，那么在该方法或其调用的方法中尝试再次获取锁时，可以获取到
不可重入锁	即若当前线程执行某个方法已经获取了该锁，那么在该方法或其调用的方法中尝试再次获取锁时，就会获取不到被阻塞。
排他锁/写锁/独占锁	只能被一个线程读取和修改，其他线程获取时会被阻塞
共享锁/读锁	允许多个线程读取，但不能修改