Java 线程、并发、锁

Java线程

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多线程的价值

• 1）发挥多核CPU的优势
  多线程，可以真正发挥出多核CPU的优势来，达到充分利用CPU的目的，采用多线程的方式去同时完成几件事情而不互相干扰。

• 2）防止阻塞
  从程序运行效率的角度来看，单核CPU不但不会发挥出多线程的优势，反而会因为在单核CPU上运行多线程导致线程上下文的切换，而降低程序整体的效率。但是单核CPU我们还是要应用多线程，就是为了防止阻塞。试想，如果单核CPU使用单线程，那么只要这个线程阻塞了，比方说远程读取某个数据吧，对端迟迟未返回又没有设置超时时间，那么你的整个程序在数据返回回来之前就停止运行了。多线程可以防止这个问题，多条线程同时运行，哪怕一条线程的代码执行读取数据阻塞，也不会影响其它任务的执行。

• 3）便于建模
  这是另外一个没有这么明显的优点了。假设有一个大的任务A，单线程编程，那么就要考虑很多，建立整个程序模型比较麻烦。但是如果把这个大的任务A分解成几个小任务，任务B、任务C、任务D，分别建立程序模型，并通过多线程分别运行这几个任务，那就简单很多了。

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线程的状态流转图

线程的生命周期及五种基本状态：

• 1）新建状态（New）：
  当线程对象对创建后，即进入了新建状态，如：Thread t = new MyThread();

• 2）就绪状态（Runnable）：
  当调用线程对象的start()方法（t.start();），线程即进入就绪状态。处于就绪状态的线程，只是说明此线程已经做好了准备，随时等待CPU调度执行，并不是说执行了t.start()此线程立即就会执行；

• 3）运行状态（Running）：
  当CPU开始调度处于就绪状态的线程时，此时线程才得以真正执行，即进入到运行状态。注：就 绪状态是进入到运行状态的唯一入口，也就是说，线程要想进入运行状态执行，首先必须处于就绪状态中；

• 4）阻塞状态（Blocked）：
  处于运行状态中的线程由于某种原因，暂时放弃对CPU的使用权，停止执行，此时进入阻塞状态，直到其进入到就绪状态，才 有机会再次被CPU调用以进入到运行状态。根据阻塞产生的原因不同，阻塞状态又可以分为三种：

  • 1.等待阻塞：运行状态中的线程执行wait()方法，使本线程进入到等待阻塞状态；

  • 2.同步阻塞 – 线程在获取synchronized同步锁失败(因为锁被其它线程所占用)，它会进入同步阻塞状态；

  • 3.其他阻塞 – 通过调用线程的sleep()或join()或发出了I/O请求时，线程会进入到阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时，线程重新转入就绪状态。

• 5）死亡状态（Dead）：
  线程执行完了或者因异常退出了run()方法，该线程结束生命周期。

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创建线程的方式及不同点

方式:

• 1）继承Thread类创建线程类

• 2）通过Runnable接口创建线程类

• 3）通过Callable和Future创建线程

对比:

• 1）采用实现Runnable、Callable接口的方式创建多线程。

  • 优势是：
    线程类只是实现了Runnable接口或Callable接口，还可以继承其他类。

    在这种方式下，多个线程可以共享同一个target对象，所以非常适合多个相同线程来处理同一份资源的情况，从而可以将CPU、代码和数据分开，形成清晰的模型，较好地体现了面向对象的思想。

  • 劣势是：
    编程稍微复杂，如果要访问当前线程，则必须使用Thread.currentThread()方法。

• 2）使用继承Thread类的方式创建多线程。

  • 优势是：
    编写简单，如果需要访问当前线程，则无需使用Thread.currentThread()方法，直接使用this即可获得当前线程。

  • 劣势是：
    线程类已经继承了Thread类，所以不能再继承其他父类。

• 3）Runnable和Callable的区别。

  • Callable规定（重写）的方法是call()，Runnable规定（重写）的方法是run()。
  • Callable的任务执行后可返回值，而Runnable的任务是不能返回值的。
  • Call方法可以抛出异常，run方法不可以。
  • 运行Callable任务可以拿到一个Future对象，表示异步计算的结果。它提供了检查计算是否完成的方法，以等待计算的完成，并检索计算的结果。通过Future对象可以了解任务执行情况，可取消任务的执行，还可获取执行结果。

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sleep方法和wait方法区别

sleep方法和wait方法都可以用来放弃CPU一定的时间，不同点在于如果线程持有某个对象的监视器，sleep方法不会放弃这个对象的监视器，wait方法会放弃这个对象的监视器。

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唤醒一个阻塞的线程

如果线程是因为调用了wait()、sleep()或者join()方法而导致的阻塞，可以中断线程，并且通过抛出InterruptedException来唤醒它；如果线程遇到了IO阻塞，无能为力，因为IO是操作系统实现的，Java代码并没有办法直接接触到操作系统。

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线程的调度

线程的调度策略。
线程调度器选择优先级最高的线程运行，但是，如果发生以下情况，就会终止线程的运行：

• （1）线程体中调用了yield方法让出了对cpu的占用权利

• （2）线程体中调用了sleep方法使线程进入睡眠状态

• （3）线程由于IO操作受到阻塞

• （4）另外一个更高优先级线程出现

• （5）在支持时间片的系统中，该线程的时间片用完

Java中用到的线程调度算法是抢占式。
一个线程用完CPU之后，操作系统会根据线程优先级、线程饥饿情况等数据算出一个总的优先级并分配下一个时间片给某个线程执行。

线程调度器(Thread Scheduler)和时间分片(Time Slicing)。

• 线程调度器是一个操作系统服务，它负责为Runnable状态的线程分配CPU时间。一旦创建一个线程并启动它，它的执行便依赖于线程调度器的实现。

• 时间分片是指将可用的CPU时间分配给可用的Runnable线程的过程。分配CPU时间可以基于线程优先级或者线程等待的时间。线程调度并不受到Java虚拟机控制，所以由应用程序来控制它是更好的选择（也就是说不要让你的程序依赖于线程的优先级）。

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Java线程数过多造成的问题

• 1)线程的生命周期开销非常高

• 2)消耗过多的CPU资源
  如果可运行的线程数量多于可用处理器的数量，那么有线程将会被闲置。大量空闲的线程会占用许多内存，给垃圾回收器带来压力，而且大量的线程在竞争CPU资源时还将产生其他性能的开销。

• 3)降低稳定性
  JVM在可创建线程的数量上存在一个限制，这个限制值将随着平台的不同而不同，并且承受着多个因素制约，包括JVM的启动参数、Thread构造函数中请求栈的大小，以及底层操作系统对线程的限制等。如果破坏了这些限制，那么可能抛出OutOfMemoryError异常。

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线程池

线程池就是提前创建若干个线程，如果有任务需要处理，线程池里的线程就会处理任务，处理完之后线程并不会被销毁，而是等待下一个任务。由于创建和销毁线程都是消耗系统资源的，所以当你想要频繁的创建和销毁线程的时候就可以考虑使用线程池来提升系统的性能。

java 提供了一个 java.util.concurrent.Executor接口的实现用于创建线程池。

四种线程池的创建：

• 1）newCachedThreadPool创建一个可缓存线程池。

• 2）newFixedThreadPool 创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数。

• 3）newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。

• 4）newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务。

线程池的优点:

• 1）重用存在的线程，减少对象创建销毁的开销。

• 2）可有效的控制最大并发线程数，提高系统资源的使用率，同时避免过多资源竞争，避免堵塞。

• 3）提供定时执行、定期执行、单线程、并发数控制等功能。

提交任务时，线程池队列已满：

• 如果使用的是无界队列LinkedBlockingQueue，也就是无界队列的话，没关系，继续添加任务到阻塞队列中等待执行，因为LinkedBlockingQueue可以近乎认为是一个无穷大的队列，可以无限存放任务。

• 如果使用的是有界队列比如ArrayBlockingQueue，任务首先会被添加到ArrayBlockingQueue中，ArrayBlockingQueue满了，会根据maximumPoolSize的值增加线程数量，如果增加了线程数量还是处理不过来，ArrayBlockingQueue继续满，那么则会使用拒绝策略RejectedExecutionHandler处理满了的任务，默认是AbortPolicy。

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Java并发

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并发编程三要素

• 1）原子性
  原子性指的是一个或者多个操作，要么全部执行并且在执行的过程中不被其他操作打断，要么就全部都不执行。

• 2）可见性
  可见性指多个线程操作一个共享变量时，其中一个线程对变量进行修改后，其他线程可以立即看到修改的结果。
  实现可见性的方法：synchronized或者Lock：保证同一个时刻只有一个线程获取锁执行代码，锁释放之前把最新的值刷新到主内存，实现可见性。

• 3）有序性
  有序性，即程序的执行顺序按照代码的先后顺序来执行。

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Java同步集合与并发集合

同步集合类：

• Vector
• Stack
• HashTable
• Collections.synchronized 方法生成

并发集合类：

• ConcurrentHashMap
• CopyOnWriteArrayList
• CopyOnWriteArraySet 等

同步集合与并发集合都为多线程和并发提供了合适的线程安全的集合，不过并发集合的可扩展性更高。同步集合比并发集合会慢得多，主要原因是锁，同步集合会对整个May或List加锁，而并发集合例如ConcurrentHashMap， 把整个Map 划分成几个片段，只对相关的几个片段上锁，同时允许多线程访问其他未上锁的片段(JDK1.8版本底层加入了红黑树)。

ConcurrentHashMap的并发度
ConcurrentHashMap的并发度就是segment的大小，默认为16，这意味着最多同时可以有16条线程操作ConcurrentHashMap。

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Java并发工具类

• CountDownLatch
• CyclicBarrier
• Semaphore
• Exchanger

CountDownLatch : 一个线程(或者多个)， 等待另外N个线程完成某个事情之后才能执行。 CyclicBarrier : N个线程相互等待，任何一个线程完成之前，所有的线程都必须等待。

CountDownLatch的使用场景：
在一些应用场合中，需要等待某个条件达到要求后才能做后面的事情；同时当线程都完成后也会触发事件，以便进行后面的操作, 这个时候就可以使用CountDownLatch。

CyclicBarrier可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的应用场景。

CyclicBarrier和CountDownLatch的区别:

• 1)CountDownLatch简单的说就是一个线程等待，直到他所等待的其他线程都执行完成并且调用countDown()方法发出通知后，当前线程才可以继续执行。

• 2)CyclicBarrier是所有线程都进行等待，直到所有线程都准备好进入await()方法之后，所有线程同时开始执行。

• 3)CountDownLatch的计数器只能使用一次。而CyclicBarrier的计数器可以使用reset() 方法重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景，比如如果计算发生错误，可以重置计数器，并让线程们重新执行一次。

• 4)CyclicBarrier还提供其他有用的方法，比如getNumberWaiting方法可以获得CyclicBarrier阻塞的线程数量。isBroken方法用来知道阻塞的线程是否被中断。如果被中断返回true，否则返回false。

Semaphore(信号量)
它的作用是限制某段代码块的并发数。Semaphore有一个构造函数，可以传入一个int型整数n，表示某段代码最多只有n个线程可以访问，如果超出了n，那么请等待，等到某个线程执行完毕这段代码块，下一个线程再进入。由此可以看出如果Semaphore构造函数中传入的int型整数n=1，相当于变成了一个synchronized了。

Executors类
Executors可以用于方便的创建线程池。
Executors为Executor，ExecutorService，ScheduledExecutorService，ThreadFactory和Callable类提供了一些工具方法。

Future
在并发编程中，经常用到非阻塞的模型，在之前的多线程的三种实现中，不管是继承thread类还是实现runnable接口，都无法保证获取到之前的执行结果。通过实现Callback接口，并用Future可以来接收多线程的执行结果。
Future表示一个可能还没有完成的异步任务的结果，针对这个结果可以添加Callback以便在任务执行成功或失败后作出相应的操作。

FutureTask
FutureTask表示一个异步运算的任务。FutureTask里面可以传入一个Callable的具体实现类，可以对这个异步运算的任务的结果进行等待获取、判断是否已经完成、取消任务等操作。当然，由于FutureTask也是Runnable接口的实现类，所以FutureTask也可以放入线程池中。

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Java同步/锁

乐观锁和悲观锁

• 1）乐观锁：
  就像它的名字一样，对于并发间操作产生的线程安全问题持乐观状态，乐观锁认为竞争不总是会发生，因此它不需要持有锁，将比较-替换这两个动作作为一个原子操作尝试去修改内存中的变量，如果失败则表示发生冲突，那么就应该有相应的重试逻辑。

• 2）悲观锁：
  还是像它的名字一样，对于并发间操作产生的线程安全问题持悲观状态，悲观锁认为竞争总是会发生，因此每次对某资源进行操作时，都会持有一个独占的锁，就像synchronized，不管三七二十一，直接上了锁就操作资源了。

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CAS(Compare And Swap)

CAS是一种基于乐观锁的操作。在java中锁分为乐观锁和悲观锁。悲观锁是将资源锁住，等一个之前获得锁的线程释放锁之后，下一个线程才可以访问。而乐观锁采取了一种宽泛的态度，通过某种方式不加锁来处理资源，比如通过给记录加version来获取数据，性能较悲观锁有很大的提高。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存地址里面的值和A的值是一样的，那么就将内存里面的值更新成B。CAS是通过无限循环来获取数据的，若果在第一轮循环中，a线程获取地址里面的值被b线程修改了，那么a线程需要自旋，到下次循环才有可能机会执行。

java.util.concurrent.atomic 包下的类大多是使用CAS操作来实现的( AtomicInteger,AtomicBoolean,AtomicLong)。

CAS问题

• 1）CAS容易造成ABA问题。
  一个线程A将数值改成了B，接着又改成了A，此时CAS认为是没有变化，其实是已经变化过了，而这个问题的解决方案可以使用版本号标识，每操作一次version加1。在java5中，已经提供了AtomicStampedReference来解决问题。

• 2） 不能保证代码块的原子性。
  CAS机制所保证的知识一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用synchronized了。

• 3）CAS造成CPU利用率增加。
  CAS里面是一个循环判断的过程，如果线程一直没有获取到状态，CPU资源会一直被占用。

CAS是基于冲突检测的乐观锁（非阻塞）。

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synchronized

synchronized关键字用来控制被synchronized修饰的代码段不被多个线程同时执行。
synchronized既可以加在一段代码上，也可以加在方法上。

synchronized是悲观锁，属于抢占式，会引起其他线程阻塞。

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volatile

对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。
当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。
从实践角度而言，volatile的一个重要作用就是和CAS结合，保证了原子性，详细的可以参见java.util.concurrent.atomic包下的类，比如AtomicInteger。

volatile提供多线程共享变量可见性和禁止指令重排序优化。

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ReentrantLock

ReentrantLock比synchronized的扩展性体现在几点上：

• 1）ReentrantLock可以对获取锁的等待时间进行设置，这样就避免了死锁

• 2）ReentrantLock可以获取各种锁的信息

• 3）ReentrantLock可以灵活地实现多路通知

ReentrantLock底层调用的是Unsafe的park方法加锁。

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ReadWriteLock

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ThreadLocal

ThreadLocal是一个本地线程副本变量工具类。主要用于将私有线程和该线程存放的副本对象做一个映射，各个线程之间的变量互不干扰，在高并发场景下，可以实现无状态的调用，特别适用于各个线程依赖不通的变量值完成操作的场景。

简单说ThreadLocal就是一种以空间换时间的做法，在每个Thread里面维护了一个以开地址法实现的ThreadLocal.ThreadLocalMap，把数据进行隔离，数据不共享，自然就没有线程安全方面的问题了。

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AQS(AbstactQueuedSynchronizer)

AQS是一个Java提高的底层同步工具类，用一个int类型的变量表示同步状态，并提供了一系列的CAS操作来管理这个同步状态。

AQS是一个用来构建锁和同步器的框架，使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器，比如我们提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的诸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。

AQS支持两种同步方式：

• 1.独占式

• 2.共享式

这样方便使用者实现不同类型的同步组件，独占式如ReentrantLock，共享式如Semaphore，CountDownLatch，组合式的如ReentrantReadWriteLock。总之，AQS为使用提供了底层支撑，如何组装实现，使用者可以自由发挥。

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参考

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• ref2
• ref3