程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至 CPU，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的。
当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程。
进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本、画图、浏览器等），也有的程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐、360 安全卫士等）

线程：

一个进程之内可以分为一到多个线程
一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行。
Java 中，线程作为小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。在 windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器

两者对比：

进程基本上相互独立的，而线程存在于进程内，是进程的一个子集。进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享
- 进程间通信较为复杂同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）
- 不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP
线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低

2.并行和并发

并发：（concurrent）

单核cpu下，线程实际上是串行执行的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将cpu的时间片（windows下时间片最小约为15ms）分给不同的线程使用，只是cpu在线程间的切换非常快，人类感觉是同时运行的。总结一句话：微观串行，宏观并行。

一般会将这种线程轮流使用cpu的做法成为并发：concurrent。

并行：（parallel）

多核cpu下，每个核都可以调度运行线程，这个时候线程是并行的。

注：很多时候，并发并行是同时存在的

并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力
并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力

3.同步和异步

以调用方的角度讲，如果：

需要等待结果返回才能继续运行的话就是同步
不需要等待就是异步

使用场景：

多线程可以使方法的执行变成异步的，比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了5秒，如果没有线程的调度机制，那么 cpu 只能等 5 秒，啥都不能做。
比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程
tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程
ui 程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞 ui 线程

结论：

单核 cpu 下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用 cpu ，不至于一个线程总占用 cpu，别的线程没法干活
多核 cpu 可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的
IO 操作不占用 cpu，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO】，这时相当于线程虽然不用 cpu，但需要一直等待 IO 结束，没能充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞 IO】和【异步 IO】优化

4.配置文件说明

pom.xml：

<properties>
 <maven.compiler.source>1.8</maven.compiler.source>
 <maven.compiler.target>1.8</maven.compiler.target>
</properties>
<dependencies>
<dependency>
 <groupId>org.projectlombok</groupId>
 <artifactId>lombok</artifactId>
 <version>1.18.10</version>
 </dependency>
 <dependency>
 <groupId>ch.qos.logback</groupId>
 <artifactId>logback-classic</artifactId>
 <version>1.2.3</version>
 </dependency>
</dependencies>

logback.xml ：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<configuration
        xmlns="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback"
        xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
        xsi:schemaLocation="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback logback.xsd">
    <appender name="STDOUT" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender">
        <encoder>
            <pattern>%date{HH:mm:ss} [%t] %logger - %m%n</pattern>
        </encoder>
    </appender>
    <logger name="c" level="debug" additivity="false">
        <appender-ref ref="STDOUT"/>
    </logger>
    <root level="ERROR">
        <appender-ref ref="STDOUT"/>
    </root>
</configuration>

二、java线程

1.创建线程

方法一：使用Thread

public static void main(String[] args) {
        // 匿名内部类方式创建 Thread
        Thread t = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running");
            }
        };
        t.setName("t1");
        t.start();
        log.debug("running");
    }

方法二：使用Runnable，配合Thread（推荐），实现Runnable的run方法

public static void main(String[] args) {
        // 使用 lambda 表达式，因为 Runnable 接口 
        // 标注了 @FunctionalInterface 这个注解，表示是一个函数式接口，可以使用 lambda 表达式
        Runnable r = () -> log.debug("running");
        new Thread(r, "t1").start();
    }

两种方法比较：

方法 1 是把线程和任务合并在了一起，方法 2 是把线程和任务分开了。
用 Runnable 更容易与线程池等高级 API 配合，用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活。

方法三：FutureTask配合Thread，FutureTask内有Callable对象，因为lambda所以看不到

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 1. 使用 FutureTask 传入 Callable 接口方式创建
        FutureTask<Integer> future = new FutureTask<Integer>(() -> {
            log.debug("running...");
            Thread.sleep(2000); // 休眠
            return 100;
        });
        // 2. 传入 future, 因为 FutureTask 这个类是实现了 RunnableFuture 接口，RunnableFuture 继承了 Runnable 接口
        Thread t1 = new Thread(future, "t1");
        t1.start();
        // 3. 获取返回结果时
        // 当主线程获取 t1 线程的返回值时, 需要等 2 秒，此时主线程进入阻塞状态
        log.debug("{}",  future.get());
    }

Future 就是对于具体的 Runnable 或者 Callable 任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过 get 方法获取执行结果，该方法会阻塞直到任务返回结果。

public interface Future<V> {
	// 取消任务
	boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
	// 获取任务执行结果
	V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
	// 获取任务执行结果，带有超时时间限制
	V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException,                             ExecutionException,  TimeoutException;
	// 判断任务是否已经取消
	boolean isCancelled();
	// 判断任务是否已经结束
	boolean isDone();
}

FutureTask 类是 Future 接口和 Runable 接口的实现弥补 runnable 创建线程没有返回值的缺陷

2.查看进程线程的方法

（1）windows

#查看进程
tasklist
tasklist | findstr java
jps

#杀死进程
taskkill /F /PID pid

（2）linux

#查看进程
ps -ef | grep java
jps

#查看线程
top -H -p pid

#查看某一时刻的线程情况
jstack pid

#杀死进程
kill -9 pid

（3）jconsole工具

jconsole可以用来查看线程的相关信息：

*1）打开jconsole

win+R，然后输入jconsole就可以打开。

*2）linux上运行java

注：先关闭防火墙

java -Djava.rmi.server.hostname=`ip地址` -Dcom.sun.management.jmxremote -
Dcom.sun.management.jmxremote.port=`连接端口` -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=是否安全连接 -
Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=是否认证 java类

*3）远程连接

输入ip，端口即可

3.线程运行的原理

（1）栈与栈帧

我们都知道 JVM 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存是给谁用的呢？其实就是线程，每个线程启动后，虚拟机就会为其分配一块栈内存。

每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

我们在debug的时候，可以右键选择Thread，就可以debug每个线程了。

（2）线程上下文切换（Thread Context Switch）

从使用cpu到不使用cpu，这就是一次线程上下文切换。

因为以下一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码。

被动原因：
- 线程的 cpu 时间片用完
- 垃圾回收，工作线程要暂停给垃圾回收线程
- 有更高优先级的线程需要运行
主动原因：
- 线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法

当 Context Switch 发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应的概念就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条 jvm 指令的执行地址，是线程私有的。

频繁的上下文切换会影响性能。

4.Thread的常见方法

方法名	static	功能说明	注意
start()		启动一个新线程，在新线程中运行 run 方法中的代码	start 方法只是让线程进入就绪状态，里面代码不一定立刻运行，只有当 CPU 将时间片分给线程时，才能进入运行状态，执行代码。每个线程的 start 方法只能调用一次，调用多次就会出现 IllegalThreadStateException
run()		新线程启动会调用的方法	如果在构造 Thread 对象时传递了 Runnable 参数，则线程启动后会调用 Runnable 中的 run 方法，否则默认不执行任何操作。但可以创建 Thread 的子类对象，来覆盖默认行为
join()		等待线程运行结束
join(long n)		等待线程运行结束,最多等待 n 毫秒
getId()		获取线程长整型的 id	id 唯一
getName()		获取线程名
setName(String)		修改线程名
getPriority()		获取线程优先级
setPriority(int)		修改线程优先级	java中规定线程优先级是1~10 的整数，较大的优先级能提高该线程被 CPU 调度的机率。默认是5，数字越大，优先级越高
getState()		获取线程状态	Java 中线程状态是用 6 个 enum 表示，分别为：NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED
isInterrupted()		判断是否被打断	不会清除打断标记
isAlive()		线程是否存活（还没有运行完毕）
interrupt()		打断线程	如果被打断线程正在 sleep，wait，join 会导致被打断的线程抛出 InterruptedException，并清除打断标记；如果打断的正在运行的线程，则会设置打断标记，park 的线程被打断，也会设置打断标记
interrupted()	static	判断当前线程是否被打断	会清除打断标记
currentThread()	static	获取当前正在执行的线程
sleep(long n)	static	让当前执行的线程休眠n毫秒，休眠时让出 cpu 的时间片给其它线程
yield()	static	提示线程调度器让出当前线程对CPU的使用	主要是为了测试和调试

（1）start() VS run()

直接调用 run 是在主线程中执行了 run，没有启动新的线程
使用 start 是启动新的线程，通过新的线程间接执行 run 中的代码

（2）sleep()与yield()

sleep (放弃线程对cpu使用，让其他线程使用cpu时间)

调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞），可通过state()方法查看
其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛出 InterruptedException
睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行
建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性（TimeUnit.SECONDS.sleep(2)）

yield （让出当前线程）:

调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态（如果没有其他线程运行，仍然有可能被执行），然后调度执行其它线程
具体的实现依赖于操作系统的任务调度器

sleep()与yield()最大的区别：前者阻塞状态，后者就绪状态，cpu不可能执行阻塞状态的线程，但是如果没有其他线程执行还是有可能去执行就绪状态的线程的

sleep使用案例：

对于服务端的一些监听请求的接口，需要我们一直循环监听，如果我们直接while的话，会一直高额占用cpu，如果是单核的话，其他线程基本用不了什么cpu，很浪费资源。

我们一般会加一个Thread.sleep(50);这样可以大幅度降低使用率。

也可以使用wait或者条件变量达到类似的效果
不同的是，wait和条件变量需要加锁，并且需要相应的唤醒操作，一般适用于同步的场景；而sleep无需锁同步场景，都可以使用

（3）setPriority：线程优先级

setPriority(int)：默认优先级5，范围1-10，数字越大优先级越高。

线程优先级会提示（hint）调度器优先调度该线程，但它仅仅是一个提示，调度器可以忽略它
如果 cpu 比较忙，那么优先级高的线程会获得更多的时间片，但 cpu 闲时，优先级几乎没作用

（4）join()

join()：用于等待某个线程结束。哪个线程内调用join()方法，就等待哪个线程结束，然后再去执行其他线程。

t1.join(1000)：最多等待 1000ms,如果 1000ms 内线程执行完毕，则会直接执行下面的语句，不会等够 1000ms

如果不用join，用sleep其实也有这个效果，但是你mian线程不知道t1线程要执行多久，这个sleep的时间不好掌控，所以有了join()这个方法。

实例：不加join，结果是0。加了 join，结果是10：

（5）interrupt：打断线程

*1）打断标记

线程有一个Boolean状态：打断标记。用来表示该线程是否被打断。查看线程是否被打断：isInterrupted()

*2）打断线程两种情况：

一个线程运行了sleep wait join方法，该线程会处于阻塞状态。对于这些阻塞线程，会打断。同时将打断标记置为 false
如果一个正常线程在在运行中被打断，打断标记会被置为 true 。

*3）isInterrupted() 与 interrupted() 比较：

isInterrupted 是实例方法，interrupted 是静态方法，它们的用处都是查看当前打断的状态
isInterrupted 方法仅仅是查看线程是否被打断。不会将打断标记清空，也就是置为 false，原来这个状态是什么就还是什么
interrupted 查看线程打断状态后，会将打断标志置为 false，也就是清空打断标记。

*4）终止模式之两阶段终止模式

所谓两阶段终止模式：考虑在一个线程T1中如何优雅地终止另一个线程T2？这里的优雅指的是给T2一个料理后事的机会（如释放锁），而不是直接强制杀死。

一个线程关闭另一个线程的错误思路：

t1调用stop()方法直接杀死t2线程。这样做问题在于：如果t2锁住了一些共享资源，直接被杀掉了，则共享资源不会被释放，则其他线程永远访问不到这个共享资源了
使用System.exit(int status)方法停止线程。这个方法直接把整个进程都杀掉了，我们的目的只是停下一个线程而已，没必要这样搞

两阶段终止模式：

比如我们有一个监控线程，他的处理流程应该如下：

实现代码：

/**
 * 使用 interrupt 进行两阶段终止模式
 */
@Slf4j(topic = "c.Code_13_Test")
public class Code_13_Test {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TwoParseTermination twoParseTermination = new TwoParseTermination();
        twoParseTermination.start();
        Thread.sleep(3500);
        twoParseTermination.stop();
    }

}

@Slf4j(topic = "c.TwoParseTermination")
class TwoParseTermination {

    private Thread monitor;

    // 启动线程
    public void start() {
        monitor = new Thread(() -> {
            while (true) {
                Thread thread = Thread.currentThread();
                if(thread.isInterrupted()) { // 调用 isInterrupted 不会清除标记
                    log.info("料理后事 ...");
                    break;
                } else {
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                        log.info("执行监控的功能 ...");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        log.info("设置打断标记 ...");
                        thread.interrupt();
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }, "monitor");
        monitor.start();
    }

    // 终止线程
    public void stop() {
        monitor.interrupt();
    }
}

*5）打断LockSupport.park()

LockSupport.park()是并发编程里的一个方法，整个方法一旦调用，线程就停在这里了，不往下走了。

整个时候我们通过interrupt()方法可以打断park()，一旦调用interrupt()，被停下来的线程会继续往下走，且这个时候的打断状态是true（类似于正常线程）。但是，一旦这个线程被打断过后，后面再调用park()就没办法再停下来了。如果还想使用park()方法，可以使用Thread.interrupted()方法，这个方法会默认把打断状态清空（设置为false），那样就又可以使用park()了

*6）不推荐使用的方法

以下三个方法会破坏同步代码块，造成锁得不到释放：

stop()：停止线程运行
suspend()：挂起（暂停）线程运行
resume()：恢复线程运行

stop()方法用上面讲的两阶段终止模式替代，下面两个用wait()和notify()来替代

（6）守护线程

默认情况下，java进程需要等待所有的线程结束后才会停止，但是有一种特殊的线程，叫做守护线程，在其他线程全部结束的时候即使守护线程还未结束代码未执行完java进程也会停止。

普通线程t1可以调用 t1.setDeamon(true); 方法变成守护线程。

注意：

垃圾回收器线程就是一种守护线程
Tomcat 中的 Acceptor 和 Poller 线程都是守护线程，所以 Tomcat 接收到 shutdown 命令后，不会等待它们处理完当前请求

5.线程状态

（1）线程的 5 种状态

从操作系统层划分，线程有 5 种状态：

初始状态，仅仅是在语言层面上创建了线程对象，即Thead thread = new Thead();，还未与操作系统线程关联
可运行状态，也称就绪状态，指该线程已经被创建，与操作系统相关联，等待cpu给它分配时间片就可运行
运行状态，指线程获取了CPU时间片，正在运行
- 当CPU时间片用完，线程会转换至【可运行状态】，等待 CPU再次分配时间片，会导致我们前面讲到的上下文切换
阻塞状态
- 如果调用了阻塞API，如BIO读写文件，那么线程实际上不会用到CPU，不会分配CPU时间片，会导致上下文切换，进入【阻塞状态】
- 等待BIO操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至【可运行状态】
- 与【可运行状态】的区别是，只要操作系统一直不唤醒线程，调度器就一直不会考虑调度它们，CPU就一直不会分配时间片
终止状态，表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状态

（2）线程的 6 种状态

java里有一个枚举：Thread.State。

该枚举有六个值：NEW，RUNNABLE，BLOCKED，WAITING,TIMED_WAITING,TERMINATED

NEW、TERMINATED 跟五种状态里的初始状态、终结状态是一个意思
RUNNABLE 是当调用了 start() 方法之后的状态，注意，Java API 层面的 RUNNABLE 状态涵盖了操作系统层面的【可运行状态】、【运行状态】和【io阻塞状态】（由于 BIO 导致的线程阻塞，在 Java 里无法区分，仍然认为是可运行）
BLOCKED ， WAITING ， TIMED_WAITING 都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分。

具体代码：

/**
 * 演示 java 线程的 6 种状态(NEW, RUNNABLE, TERMINATED, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING)
 */
@Slf4j(topic = "c.Code_15_Test")
public class Code_15_Test {

    public static void main(String[] args) {

        // NEW
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.info("NEW 状态");
        }, "t1");

        // RUNNABLE
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            while (true) {

            }
        }, "t2");

        t2.start();

        // TERMINATED
        Thread t3 = new Thread(() -> {
            log.info("running");
        }, "t3");
        t3.start();

        // TIMED_WAITING
        Thread t4 = new Thread(() -> {
            synchronized (Code_15_Test.class) {
                try {
                    Thread.sleep(100000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "t4");
        t4.start();

        // WAITING
        Thread t5 = new Thread(() -> {
            try {
                t2.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t5");
        t5.start();

        //想获得锁却获取不到，得到BLOCKED
        Thread t6 = new Thread(() -> {
            synchronized (Code_15_Test.class) {
                try {
                    Thread.sleep(100000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "t6");
        t6.start();

        // 主线程休眠 1 秒, 目的是为了等待 t3 线程执行完
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        log.info("t1 线程状态: {}", t1.getState());
        log.info("t2 线程状态: {}", t2.getState());
        log.info("t3 线程状态: {}", t3.getState());
        log.info("t4 线程状态: {}", t4.getState());
        log.info("t5 线程状态: {}", t5.getState());
        log.info("t6 线程状态: {}", t6.getState());
    }

}

三、共享模型之管程

1.线程共享带来的问题

首先，我们需要明确，count++在字节码层面一共有四个步骤：先拿到count值，再拿到1，做加法，然后把加到的值再赋值给count。

如果前3步做完了，第四步还没来得及做，cpu时间片到了，其他线程读取count，把本该+1而实际还没加的读到了，那就读取的不对。等到时间片切回到count++，不管count这个时候是多少，他会直接把之前的+1的值覆盖掉。这显然不对：

	public static int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 1;i < 5000; i++){
                count++;
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 1;i < 5000; i++){
                count--;
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("count的值是{}",count);
    }

（1）临界区 Critical Section

临界区：一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区。

一个程序运行多个线程本身是没有问题的
问题出在多个线程访问共享资源
- 多个线程读共享资源其实也没有问题
- 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题

实例：

static int counter = 0;
 
static void increment() 
// 临界区 
{   
    counter++; 
}
 
static void decrement() 
// 临界区 
{ 
    counter--; 
}

（2）竞态条件 Race Condition

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

2.synchronized 解决方案

（1）解决手段

为了避免临界区中的竞态条件发生，由多种手段可以达到。

阻塞式解决方案：synchronized ，Lock
非阻塞式解决方案：原子变量

现在讨论使用 synchronized 来进行解决，即俗称的对象锁，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程持有对象锁，其他线程如果想获取这个锁就会阻塞住，这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换。

注：虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：

互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点

（2）synchronized 语法

synchronized 实际是用 对象锁 保证了 临界区内代码的原子性 ，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断。

synchronized(对象) {
	//临界区
}

static int counter = 0;
    static final Object room = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                synchronized (room) {
                    counter++;
                }
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                synchronized (room) {
                    counter--;
                }
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("{}", counter);
    }

思考：

*1）如果把 synchronized(obj) 放在 for 循环的外面，如何理解？--原子性

等于把5000条全都放在一个里面了

*2）如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会怎样运作？-- 锁对象

没用，得锁同一个共享对象

*3）如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？ -- 锁对象

没用，t2没锁根本没有去要锁对象的步骤，直接去改共享对象

（3）面向对象改进

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Room room = new Room();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                room.increment();
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                room.decrement();
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("count: {}", room.get());
    }
}

class Room {
    int value = 0;

    public void increment() {
        synchronized (this) {
            value++;
        }
    }

    public void decrement() {
        synchronized (this) {
            value--;
        }
    }

    public int get() {
        synchronized (this) {
            return value;
        }
    }
}

3.方法上的synchronized

加在成员方法上，锁住的是对象：

public class Test {
	// 在方法上加上synchronized关键字
	public synchronized void test() {
	
	}
	// 等价于
	public void test() {
		synchronized(this) { // 锁住的是对象
		
		}
	}
}

加在静态方法上，锁住的是类：

public class Test {
	// 在静态方法上加上 synchronized 关键字
	public synchronized static void test() {
	
	}
	//等价于
	public void test() {
		synchronized(Test.class) { // 锁住的是类
		
		}
	}
}

4.线程八锁练习题

（1）12 或 21

因为都是同一个this锁

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number {
    public synchronized void a() {
        log.debug("1");
    }

    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

    public static void main(String[] args) {
        Number n1 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            n1.b();
        }).start();
    }

（2）1s后1 2，或 2 1s后 1

同样都是this锁

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number {
    public synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }

    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

    public static void main(String[] args) {
        Number n1 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            n1.b();
        }).start();
    }

（3）3 1s 12 或 23 1s 1 或 32 1s 1

this锁

class Number {
    public synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }

    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }

    public void c() {
        log.debug("3");
    }
}

    public static void main(String[] args) {
        Number n1 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            n1.b();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            n1.c();
        }).start();
    }

（4）2 1s 后 1

不同对象，锁不相关

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number {
    public synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }

    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

    public static void main(String[] args) {
        Number n1 = new Number();
        Number n2 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            n2.b();
        }).start();
    }

（5）2 1s 后 1

a是静态方法，锁了类对象。b锁的是方法。锁不同的对象，不互斥

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number {
    public static synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }

    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

    public static void main(String[] args) {
        Number n1 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            n1.b();
        }).start();
    }

（6）1s 后12，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number {
    public static synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }

    public static synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

    public static void main(String[] args) {
        Number n1 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            n1.b();
        }).start();
    }

（7）2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number {
    public static synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }

    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

    public static void main(String[] args) {
        Number n1 = new Number();
        Number n2 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            n2.b();
        }).start();
    }

（8）1s 后12，或 2 1s后 1

class Number {
    public static synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }

    public static synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

    public static void main(String[] args) {
        Number n1 = new Number();
        Number n2 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            n2.b();
        }).start();
    }

5.变量的线程安全分析

（1）成员变量和静态变量的线程安全分析

如果变量没有在线程间共享，那么线程对该变量操作是安全的
如果变量在线程间共享
- 如果只有读操作，则线程安全
- 如果有读写操作，则这段代码就是临界区，需要考虑线程安全问题

（2）局部变量线程安全分析

局部变量是线程安全的
但局部变量引用的对象则未必
- 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
- 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

示例1：不安全，共用list，list在堆内

class ThreadUnsafe {
    ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

    public void method1(int loopNumber) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            // { 临界区, 会产生竞态条件
            method2();
            method3();
        } //临界区
    }

}

    private void method2() {
        list.add("1");
    }

    private void method3() {
        list.remove(0);
    }
}


static final int THREAD_NUMBER=2;
static final int LOOP_NUMBER=200;
public static void main(String[]args){
        ThreadUnsafe test=new ThreadUnsafe();
        for(int i=0;i<THREAD_NUMBER; i++){
        new Thread(()->{
        test.method1(LOOP_NUMBER);
        },"Thread"+i).start();
    }
}

示例2：安全，不共用list，list在栈内

class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }
    private void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }
}

实例3：如果method2和method3方法访问修饰符改成public，会有线程问题吗？

没有，就算有另外一个线程来调用method2，但是里面的传参肯定不是method1中的list，参数不同，所以不会有问题

实例4：如果list在method1内，怎样才能让这个代码有线程问题?

有一个子类来继承该类，然后子类调用method3，在method3内子类新开一个线程，然后操作list，这样，子线程新开的线程与method1中的list就是同一个对象了，就会有线程问题。

解决方法：我们可以吧method2,method3设置为private，则子类就不能覆盖他们了，就谈不上新开线程修改了。同时，如果我们不想子类影响我们的类，可以给类加一个final

class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }
    private void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }
}
class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
    @Override
    public void method3(ArrayList<String> list) {
        new Thread(() -> {
            list.remove(0);
        }).start();
    }
}

（3）常见线程安全类

String
Integer
StringBuﬀer
Random
Vector （List的线程安全实现类）
Hashtable （Hash的线程安全实现类）
java.util.concurrent 包下的类

这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。如：

Hashtable table = new Hashtable();
new Thread(()->{
 	table.put("key1", "value1");
}).start();
new Thread(()->{
 	table.put("key2", "value2");
}).start();

*1）线程安全类方法的组合不是安全的

线程1得到null，然后线程2也得到null，线程2put后，线程1又put，则线程2的值不对了

Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2
if( table.get("key") == null) {
 table.put("key", value);
}

*2）不可变类的线程安全

String和Integer类都是不可变的类，因为其类内部状态是不可改变的，因此它们的方法都是线程安全的

String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值啊，其实调用这些方法返回的已经是一个新创建的对象了，只不过新对象的值是从以前的对象复制而来

（4）实例分析

注：对于单个共享变量，我们可以在方法上加synchronize。

对于多个共享变量，可以synchronized(A.class)，将整个类锁住，当然效率不高

*1）实例1

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 不安全
    Map<String,Object> map = new HashMap<>();
    // 安全
    String S1 = "...";
    // 安全
    final String S2 = "...";
    // 不安全
    Date D1 = new Date();
    // 安全
    final Date D2 = new Date();

    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
        // 使用上述变量
    }
}

*2）实例2

servlet只有一份，因此UserService也是共享的，则UserServiceImpl是不安全的

public class MyServlet extends HttpServlet {
	// 不安全
	private UserService userService = new UserServiceImpl();

	public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
		userService.update(...);
	}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
	// 记录调用次数
	private int count = 0;

	public void update() {
		// ...
		count++;
	}
}

*3）实例3

spring中如果没有设置scope=prototype，则默认所有的实例都是单例。

如果是单例则表示会被共享，其内的成员变量也是需要被共享的，因此不安全。

解决方案：环绕通知，让前置后置作为局部变量

@Aspect
@Component
public class MyAspect {
	// 是否安全？
	private long start = 0L;

	@Before("execution(* *(..))")
	public void before() {
		start = System.nanoTime();
	}

	@After("execution(* *(..))")
	public void after() {
		long end = System.nanoTime();
		System.out.println("cost time:" + (end-start));
	}
}

*4）实例4

记住一点：是否有成员变量，且这个成员变量被修改。如果是，那就是不安全

public class MyServlet extends HttpServlet {
	// 安全
	private UserService userService = new UserServiceImpl();

	public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
		userService.update(...);
	}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
	// 安全
	private UserDao userDao = new UserDaoImpl();

	public void update() {
		userDao.update();
	}
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
	public void update() {
		String sql = "update user set password = ? where username = ?";
		// 安全
		try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){
			// ...
		} catch (Exception e) {
			// ...
		}
	}
}

public class MyServlet extends HttpServlet {
	private UserService userService = new UserServiceImpl();

	public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
		userService.update(...);
	}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
	private UserDao userDao = new UserDaoImpl();

	public void update() {
		userDao.update();
	}
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
	// 不安全
	private Connection conn = null;
	public void update() throws SQLException {
		String sql = "update user set password = ? where username = ?";
		conn = DriverManager.getConnection("","","");
		// ...
		conn.close();
	}
}

public class MyServlet extends HttpServlet {
	// 安全
	private UserService userService = new UserServiceImpl();

	public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
		userService.update(...);
	}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
	public void update() {
		UserDao userDao = new UserDaoImpl();
		userDao.update();
	}
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
	// 安全，因为每个UserDao对象都是新创建的
	private Connection = null;
	public void update() throws SQLException {
		String sql = "update user set password = ? where username = ?";
		conn = DriverManager.getConnection("","","");
		// ...
		conn.close();
	}
}

*5）实例5

虽然sdf是局部变量，但是这个局部变量有可能会暴露给子类，子类然后进行修改

其中 foo 的行为是不确定的，可能导致不安全的发生，被称之为外星方法，因为 foo 方法可以被重写，导致线程不安全。在 String 类中就考虑到了这一点，String 类是 final 关键字声明的，子类不能重写它的方法。

public abstract class Test {

	public void bar() {
		// 不安全
		SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
		foo(sdf);
	}

	public abstract foo(SimpleDateFormat sdf);


	public static void main(String[] args) {
		new Test().bar();
	}
}

四、Monitor

1.java对象头

以 32 位虚拟机为例,普通对象的对象头结构如下，其中的 Klass Word 为指针，指向对应的 Class 对象：

数组对象：

其中32位 Mark Word 结构为：

其中64位 Mark Word 结构为：

2.Monitor原理

刚开始时 Monitor 中的 Owner 为 null
当 Thread-2 执行 synchronized(obj){} 代码时就会将 Monitor 的所有者Owner 设置为 Thread-2，上锁成功，Monitor 中同一时刻只能有一个 Owner
当 Thread-2 占据锁时，如果线程 Thread-3 ，Thread-4 也来执行synchronized(obj){} 代码，就会进入 EntryList（阻塞队列）中变成BLOCKED（阻塞）状态
Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争时是非公平的
图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程，后面讲 wait-notify 时会分析

注：synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor 才有上述的效果不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

注：Monitor是操作系统提供，使用它成本很高

3.synchronize原理

static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
synchronized (lock) {
		counter++;
	}
}

该段代码对应字节码：

Code:
	 stack=2, locals=3, args_size=1
	 0: getstatic #2 // <- lock引用 （synchronized开始）
	 3: dup        //复制一份
	 4: astore_1 // lock引用 -> slot 1
	 5: monitorenter // 将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针
	 6: getstatic #3 // <- i
	 9: iconst_1 // 准备常数 1
	 10: iadd // +1
	 11: putstatic #3 // -> i
	 14: aload_1 // <- lock引用
	 15: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
	 16: goto 24
	 19: astore_2 // e -> slot 2 
	 20: aload_1 // <- lock引用
	 21: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
	 22: aload_2 // <- slot 2 (e)
	 23: athrow // throw e
	 24: return
 Exception table:
 from to target type
	6 16 19 any
	19 22 19 any

五、Synchronized原理进阶

1.轻量级锁

轻量级锁的使用场景是：如果一个对象虽然有多个线程要对它进行加锁，但是加锁的时间是错开的（也就是没有人可以竞争的），那么可以使用轻量级锁来进行优化。

轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized 。

实例：假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁：

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
     synchronized( obj ) {
         // 同步块 A
         method2();
     }
}
public static void method2() {
     synchronized( obj ) {
         // 同步块 B
     }
}

流程解析：

（1）首先有一个Object对象，我们可以看到object对象的结构如下图右侧，主要由2个部分组成：上面两个是对象头，下面是对象体。

对象头分成两部分：

第一部分MarkWord，记录hash码，分代年龄，加锁状态。
第二部分是Klass Word，是类型指针，表示这个对象时什么类型的对象
对象体中记录了成员变量。

执行方法时，先在栈帧里生成一个锁对象（Lock Record），锁对象分为两部分：

第一部分记录加锁对象的MarkWord
第二部分指向加锁对象的地址

（2）让锁记录中的 Object reference 指向对象，并且尝试用 cas(compare and sweep) 替换 Object 对象的 Mark Word ，将 Mark Word 的值存入锁记录中。

（3）如果 cas 替换成功，那么对象的对象头储存的就是锁记录的地址和状态 00 表示轻量级锁，交换锁记录中第一部分和对象头第一部分

（4）如果cas失败，有两种情况：

如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，那么表示有竞争，首先会进行自旋锁，自旋一定次数后，如果还是失败就进入锁膨胀阶段。
如果是自己的线程已经执行了 synchronized 进行加锁，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数。

（5）当线程退出 synchronized 代码块的时候，如果获取的是取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一

（6）当线程退出 synchronized 代码块的时候，如果获取的锁记录取值不为 null，那么使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象

成功则解锁成功
失败，则说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

2.锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，cas 操作无法成功，这是有一种情况就是其它线程已经为这个对象加上了轻量级锁，这是就要进行锁膨胀，将轻量级锁变成重量级锁。

（1）当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

（2）这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程：

即为对象申请Monitor锁，让Object指向重量级锁地址
然后自己进入Monitor 的EntryList 变成BLOCKED状态

（3）当 Thread-0 退出 synchronized 同步块时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，对象的对象头指向 Monitor，那么会进入重量级锁的解锁过程，即按照 Monitor 的地址找到 Monitor 对象，将 Owner 设置为 null ，唤醒 EntryList 中的 Thread-1 线程

3.自旋锁

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即在自旋的时候持锁的线程释放了锁），那么当前线程就可以不用进行上下文切换就获得了锁。

自旋重试成功的情况：

自旋重试失败的情况，自旋了一定次数还是没有等到持锁的线程释放锁：

自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势
在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能
Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

4.偏向锁

（1）偏向锁的基本流程

在轻量级的锁中，我们可以发现，如果同一个线程对同一个对象进行重入锁时，也需要执行 CAS 操作，这是有点耗时，因为我们需要生成锁对象，然后再去跟对象中保存的锁记录比较。

ava6 开始引入了偏向锁的东东，只有第一次使用 CAS 时将对象的 Mark Word 头设置为偏向线程 ID，之后这个入锁线程再进行重入锁时，发现线程 ID 是自己的，那么就不用再进行CAS了。即此时对象中的Mark Word既不是锁对象的Mark Word，也不是Monitor的地址，而是线程ID。

实例：

static final Object obj = new Object();
public static void m1() {
	synchronized(obj) {
		// 同步块 A
		m2();
	}
}
public static void m2() {
	synchronized(obj) {
		// 同步块 B
		m3();
	}
}
public static void m3() {
	synchronized(obj) {
		// 同步块 C
	}
}

（2）对象头格式解析

第一行Normal是正常状态，第二行Biased是自旋状态。

如果是Normal状态，保存了3部分内容，分别是hashcode,分代年龄，加锁状态，其中biase_lock=0，表示没有加自旋锁。

如果加了自旋锁，就会从Normal状态变成Biased状态，此时保存的内容为：线程ID，epoch（用于批量重偏向和批量撤销），分代年龄，加锁状态，其中biased_lock=1

注：Normal和Biased结尾都是01。

如果加了轻量锁，最后就会变成00。前面是锁记录的地址

如果加了重量锁，最后就会变成10。前面是Monitor的地址

如果是GC，就是11

（3）偏向状态

一个对象的创建过程：

如果开启了偏向锁（默认是开启的），那么对象刚创建之后，Mark Word 最后三位的值101，并且这是它的 Thread，epoch，age 都是 0 ，在加锁的时候进行设置这些的值.
偏向锁默认是延迟的，不会在程序启动的时候立刻生效，如果想避免延迟，可以添加虚拟机参数来禁用延迟：
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟
注意：处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中

禁用偏向锁：

-XX:-UseBiasedLocking

（4）撤销偏向状态

*1）使用hashcode()会自动撤销偏向锁状态

如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001，这时它的 hashcode、 age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值，即调用对象.hashCode()。同时，如果调用了hashcode()方法，会把之前偏向锁线程ID都变成对应的hashcode，同时将偏向锁最后101变成正常的001。原因很简单，如果不把线程ID清掉，没地方存放hashcode

*2）其他线程使用状态

偏向锁设计的目的就是给同一个线程使用的使用降低开销的，当有其他线程也要使用偏向锁对象，就违背了偏向锁的初衷，此时，偏向锁会升级成为轻量级锁。等到其他线程使用完毕，最后3位会从101变成001，即正常可偏向状态变成不可偏向状态。

*3）调用wait/notify

因为wait/notify只有重量级锁才有，当我们使用wait/notify时，偏向锁自然不会生效

（5）批量重偏向

如果对象虽然被多个线程访问，但是线程间不存在竞争，每次t1用完之后，t2来用，此时会从可偏向状态变成轻量锁状态，当t2用完了，就会变成normal状态，从101变成001，且前面所有的值都恢复为0。

当同一个对象有超过20个t1的偏向锁，且这些偏向锁除了被t1访问，还被t2访问，且t1,t2不存在竞争。我们每次t2访问都会把t1的偏向锁给取消掉，换成轻量锁，结束之后再置0。这个操作达到20次之后，jvm会认为是不是偏向锁不应该给t1，后面的所有t1偏向锁会全都批量的冲偏向到t2，即把t1的线程ID直接变成t2的线程ID，不需要经历偏向锁变轻量锁结束再置0的过程。

（6）批量撤销

我们现在有3个线程t1,t2,t3，且他们之间没有竞争。一开始一个对象是t1的偏向锁，然后t2来了，前20次会把偏向锁变成轻量锁，状态从101变成00。后面的就会进行批量重偏向，直接把t1的线程ID变成t2的线程ID，且状态还是101。这就是我们上面讲的批量重偏向。

当t3来了之后，因为t2的前20个已经是轻量锁了，所以继续保持轻量锁。后面是t2的轻量锁，线程ID是t2的ID，t3会先把接下来20个从偏向锁变成轻量锁。这个时候我们偏向锁变成轻量锁的总次数达到40次，jvm设置的阈值就是40。

当超过40次之后，jvm认为这个类变化比较大，整个类对象都改为不可偏向状态（001）。此时，如果我们再新建一个对象，则对象最后3位是001，而不是一开始的101。

（7）锁消除

JIT（即时编译器）在编译代码的时候会分析，你这个加锁对象是否只是方法内部对象，且不会逃逸。如果是，那么这个对象肯定是安全的，就没有加锁的必要，因此虽然我们写了synchronize，但是在编译的时候jvm会进行锁消除，不会加锁。

#禁用锁消除
-XX:-EliminateLocks

5.wait/notify

（1）原理

锁对象调用wait方法（obj.wait），就会使当前线程进入 WaitSet 中，变为 WAITING 状态。
处于BLOCKED和 WAITING 状态的线程都为阻塞状态，CPU 都不会分给他们时间片。但是有所区别：
- BLOCKED 状态的线程是在竞争对象时，发现 Monitor 的 Owner 已经是别的线程了，此时就会进入 EntryList 中，并处于 BLOCKED 状态
- WAITING 状态的线程是获得了对象的锁，但是自身因为某些原因需要进入阻塞状态时，锁对象调用了 wait 方法而进入了 WaitSet 中，处于 WAITING 状态
BLOCKED 状态的线程会在锁被释放的时候被唤醒，但是处于 WAITING 状态的线程只有被锁对象调用了 notify 方法(obj.notify/obj.notifyAll)，才会被唤醒。

注：只有当对象加锁以后，才能调用 wait 和 notify 方法

（2）API介绍

obj.wait()：让进入 object 监视器的线程到 waitSet 等待

obj.notify() ：在 object 上正在 waitSet 等待的线程中挑一个唤醒

obj.notifyAll()：让 object 上正在 waitSet 等待的线程全部唤醒

wait(long n)：有时限的等待, 到 n 毫秒后结束等待，或是被 notify

它们都是线程之间进行协作的手段，都属于 Object 对象的方法。必须获得此对象的锁，才能调用这几个方法

（3）wait和sleep区别

sleep 是 Thread 方法，而 wait 是 Object 的方法
sleep 不需要强制和 synchronized 配合使用，但 wait 需要和 synchronized 一起用
sleep 在睡眠的同时，不会释放对象锁的，但 wait 在等待的时候会释放对象锁
它们状态 TIMED_WAITING

（4）wait/notify使用的通用模板

synchronized(lock) {
		while(条件不成立) {
		lock.wait();
		}
		// 干活
		}
//另一个线程
synchronized(lock) {
		lock.notifyAll();
		}

（5）同步模式之保护性暂停

即 Guarded Suspension，用在一个线程等待另一个线程的执行结果。

有一个结果需要从一个线程传递到另一个线程，让他们关联同一个 GuardedObject
如果有结果不断从一个线程到另一个线程那么可以使用消息队列（见生产者 / 消费者）
JDK 中， join 的实现、 Future 的实现，采用的就是此模式
因为要等待另一方的结果，因此归类到同步模式

实现：

先写出中间对象：

class GuardedObject {
	private Object response;
	private final Object lock = new Object();
	public Object get() {
		synchronized (lock) {
// 条件不满足则等待
			while (response == null) {
				try {
					lock.wait();
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				} }
			return response; }
	}
	public void complete(Object response) {
		synchronized (lock) {
// 条件满足，通知等待线程
			this.response = response;
			lock.notifyAll();
		}
	}
}

调用：需要防止虚假唤醒（notifyAll），如果虚假唤醒，继续wait

class GuardedObjectV2 {
	private Object response;
	private final Object lock = new Object();
	public Object get(long millis) {
		synchronized (lock) {
// 1) 记录最初时间
			long begin = System.currentTimeMillis();
// 2) 已经经历的时间
			long timePassed = 0;
			while (response == null) {
// 4) 假设 millis 是 1000，结果在 400 时唤醒了，那么还有 600 要等
				long waitTime = millis - timePassed;
				log.debug("waitTime: {}", waitTime);
				if (waitTime <= 0) {
					log.debug("break...");
					break; }
				try {
					lock.wait(waitTime);
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
// 3) 如果提前被唤醒，这时已经经历的时间假设为 400
				timePassed = System.currentTimeMillis() - begin;
				log.debug("timePassed: {}, object is null {}",
						timePassed, response == null);
			}
			return response; }
	}
	public void complete(Object response) {
		synchronized (lock) {
// 条件满足，通知等待线程
			this.response = response;
			log.debug("notify...");
			lock.notifyAll();
		}
	}
}

（6）join原理

join用的就是我们上面的同步模式。

（7）优化案例

上面案例两个线程一一对应，传送一条数据。但是如果有多个数据，那么就需要多个线程一一对应，怎么实现？

class GuardedObject {
	// 标识 Guarded Object
	private int id;
	public GuardedObject(int id) {
		this.id = id;
	}
	public int getId() {
		return id;
	}
	// 结果
	private Object response;
	// 获取结果
	// timeout 表示要等待多久 2000
	public Object get(long timeout) {
		synchronized (this) {
			// 开始时间 15:00:00
			long begin = System.currentTimeMillis();
			// 经历的时间
			long passedTime = 0;
			while (response == null) {
				// 这一轮循环应该等待的时间
				long waitTime = timeout - passedTime;
				// 经历的时间超过了最大等待时间时，退出循环
				if (timeout - passedTime <= 0) {
					break;
				}
				try {
					this.wait(waitTime); // 虚假唤醒 15:00:01
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				// 求得经历时间
				passedTime = System.currentTimeMillis() - begin; // 15:00:02 1s
			}
			return response;
		}
	}
	// 产生结果
	public void complete(Object response) {
		synchronized (this) {
			// 给结果成员变量赋值
			this.response = response;
			this.notifyAll();
		}
	}
}


/**
 * 邮箱类，即中间解耦类
 */
class Mailboxes {
	private static Map<Integer, GuardedObject> boxes = new Hashtable<>();
	private static int id = 1;
	// 产生唯一 id
	private static synchronized int generateId() {
		return id++;
	}
	public static GuardedObject getGuardedObject(int id) {
		return boxes.remove(id);
	}
	public static GuardedObject createGuardedObject() {
		GuardedObject go = new GuardedObject(generateId());
		boxes.put(go.getId(), go);
		return go;
	}
	public static Set<Integer> getIds() {
		return boxes.keySet();
	}
}

/**
 * 用户类，信息接受者类
 */
class People extends Thread{
	@Override
	public void run() {
		// 收信
		GuardedObject guardedObject = Mailboxes.createGuardedObject();
		log.debug("开始收信 id:{}", guardedObject.getId());
		Object mail = guardedObject.get(5000);
		log.debug("收到信 id:{}, 内容:{}", guardedObject.getId(), mail);
	}
}

/**
 * 快递员类，信息发送者类
 */
class Postman extends Thread {
	private int id;
	private String mail;
	public Postman(int id, String mail) {
		this.id = id;
		this.mail = mail;
	}
	@Override
	public void run() {
		GuardedObject guardedObject = Mailboxes.getGuardedObject(id);
		log.debug("送信 id:{}, 内容:{}", id, mail);
		guardedObject.complete(mail);
	}
}

/**
 * 测试
 */
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	for (int i = 0; i < 3; i++) {
		new People().start();
	}
	Sleeper.sleep(1);
	for (Integer id : Mailboxes.getIds()) {
		new Postman(id, "内容" + id).start();
	}
}

（8）生产者消费者模式

我们上面同步模式需要一一对应，以上述案例为例，一个住户需要一个快递员，这个很明显不行。我们使用生产者消费者模式，让生产者消费者不用一一对应，一个快递员对应多个住户。

与前面的保护性暂停中的 GuardObject 不同，不需要产生结果和消费结果的线程一一对应
消费队列可以用来平衡生产和消费的线程资源
生产者仅负责产生结果数据，不关心数据该如何处理，而消费者专心处理结果数据
消息队列是有容量限制的，满时不会再加入数据，空时不会再消耗数据
JDK 中各种阻塞队列，采用的就是这种模式

private int id;
private Object message;
public Message(int id, Object message) {
		this.id = id;
		this.message = message;
		}
public int getId() {
		return id;
		}
public Object getMessage() {
		return message;
		}
		}
class MessageQueue {
	private LinkedList<Message> queue;
	private int capacity;
	public MessageQueue(int capacity) {
		this.capacity = capacity;
		queue = new LinkedList<>();
	}
	public Message take() {
		synchronized (queue) {
			while (queue.isEmpty()) {
				log.debug("没货了, wait");
				try {
					queue.wait();
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
			Message message = queue.removeFirst();
			queue.notifyAll();
			return message;
		}
	}
	public void put(Message message) {
		synchronized (queue) {
			while (queue.size() == capacity) {
				log.debug("库存已达上限, wait");
				try {
					queue.wait();
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
			queue.addLast(message);
			queue.notifyAll();
		}
	}
}

MessageQueue messageQueue = new MessageQueue(2);
// 4 个生产者线程, 下载任务
for (int i = 0; i < 4; i++) {
		int id = i;
		new Thread(() -> {
			try {
				log.debug("download...");
				List<String> response = Downloader.download();
				log.debug("try put message({})", id);
				messageQueue.put(new Message(id, response));
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}, "生产者" + i).start();
	}
// 1 个消费者线程, 处理结果
		new Thread(() -> {
		while (true) {
			Message message = messageQueue.take();
			List<String> response = (List<String>) message.getMessage();
			log.debug("take message({}): [{}] lines", message.getId(), response.size());
		}
	}, "消费者").start();
}

6.park & unpark

（1）基本使用

// 暂停当前线程
LockSupport.park(); 

// 恢复某个线程的运行
LockSupport.unpark(暂停线程对象)

（2）原理

每个线程都有自己的一个 Parker 对象，由三部分组成 _counter ， _cond 和 _mutex。

*1）调用park()方法

当前线程调用 Unsafe.park() 方法
检查 _counter ，本情况为 0 ，这时，获得 _mutex 互斥锁
线程进入 _cond 条件变量阻塞
设置 _counter = 0（虽然已经是0了，但是还会再设置一遍）

*2）调用unpark方法

调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
唤醒 _cond 条件变量中的 Thread_0
Thread_0 恢复运行
设置 _counter 为 0

*3）调用顺序

根据上面原理可知，初始_counter为0，先调用park()会暂停，再调用unpark()会继续运行。但是因为已经调用过unpark()，_counter已经为1，所以，后面再调用park()也停不下来了。

（3）与Object 的 wait & notify 相比

wait ， notify 和 notifyAll 必须配合 Object Monitor 一起使用，而 park ， unpark 不必
park & unpark 是以线程为单位来【阻塞】和【唤醒】线程，而 notify 只能随机唤醒一个等待线程， notifyAll 是唤醒所有等待线程，就不那么【精确】
park & unpark 可以先 unpark ，而 wait & notify 不能先 notify

7.重新理解线程状态转换

情况一：NEW –> RUNNABLE
- 当调用了 t.start() 方法时，由 NEW –> RUNNABLE
情况二： RUNNABLE <–> WAITING
- 当调用了t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后，调用 obj.wait() 方法时，t 线程从 RUNNABLE –> WAITING
- 调用 obj.notify() ， obj.notifyAll() ， t.interrupt() 时，会在 WaitSet 等待队列中出现锁竞争，非公平竞争
  - 竞争锁成功，t 线程从 WAITING –> RUNNABLE
  - 竞争锁失败，t 线程从 WAITING –> BLOCKED
情况三：RUNNABLE <–> WAITING
- 当前线程调用 t.join() 方法时，当前线程从 RUNNABLE –> WAITING
- t 线程运行结束，或调用了当前线程的 interrupt() 时，当前线程从 WAITING –> RUNNABLE
情况四： RUNNABLE <–> WAITING
- 当前线程调用 LockSupport.park() 方法会让当前线程从 RUNNABLE –> WAITING
- 调用 LockSupport.unpark(目标线程) 或调用了线程的 interrupt() ，会让目标线程从 WAITING –> RUNNABLE
情况五： RUNNABLE <–> TIMED_WAITING
- t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后，调用 obj.wait(long n) 方法时，t 线程从 RUNNABLE –> TIMED_WAITING
- t 线程等待时间超过了 n 毫秒，或调用 obj.notify() ， obj.notifyAll() ， t.interrupt() 时
  - 竞争锁成功，t 线程从 TIMED_WAITING –> RUNNABLE
  - 竞争锁失败，t 线程从 TIMED_WAITING –> BLOCKED
情况六：RUNNABLE <–> TIMED_WAITING
- 当前线程调用 t.join(long n) 方法时，当前线程从 RUNNABLE –> TIMED_WAITING
- 当前线程等待时间超过了 n 毫秒，或 t 线程运行结束，或调用了当前线程的 interrupt() 时，当前线程从 TIMED_WAITING –> RUNNABLE
情况七：RUNNABLE <–> TIMED_WAITING
- 当前线程调用 Thread.sleep(long n) ，当前线程从 RUNNABLE –> TIMED_WAITING
- 当前线程等待时间超过了 n 毫秒，当前线程从 TIMED_WAITING –> RUNNABLE
情况八：RUNNABLE <–> TIMED_WAITING
- 当前线程调用 LockSupport.parkNanos(long nanos) 或 LockSupport.parkUntil(long millis) 时，当前线程从 RUNNABLE –> TIMED_WAITING
- 调用 LockSupport.unpark(目标线程) 或调用了线程的 interrupt() ，或是等待超时，会让目标线程从 TIMED_WAITING–> RUNNABLE
情况九：RUNNABLE <–> BLOCKED
- t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁时如果竞争失败，从 RUNNABLE –> BLOCKED
- 持 obj 锁线程的同步代码块执行完毕，会唤醒该对象上所有 BLOCKED 的线程重新竞争，如果其中 t 线程竞争成功，从 BLOCKED –> RUNNABLE ，其它失败的线程仍然 BLOCKED
情况十： RUNNABLE <–> TERMINATED
- 当前线程所有代码运行完毕，进入 TERMINATED

六、ReentrantLock

1.线程活跃性

（1）多把锁

如果我们有一个大房间，学习和睡觉都锁这个房间，那么效率很低。

我们在大房间里创建2个对象，学习锁学习对象，睡觉锁睡觉对象，互不干扰，可以有效增强并发度。

缺点：如果一个线程需要同时获得多把锁，容易发生死锁

（2）死锁

这样一个情况：t1 线程获得 A 对象锁， t2 线程获得 B 对象锁。接下来t2想获取 A 对象的锁，t1想获取B对象的锁，是获取不到的，陷入死锁。

死锁经典问题就是哲学家就餐问题，解决方法：在线程使用锁对象时，顺序加锁即可避免死锁

@Slf4j
public class Test {
	public static void main(String[] args) {
		Object A = new Object();
		Object B = new Object();
		Thread t1 = new Thread(() -> {
			synchronized (A) {
				log.debug("lock A");
				try {
					sleep(2);
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				synchronized (B) {
					log.debug("lock B");
					log.debug("操作...");
				}
			}
		}, "t1");
		Thread t2 = new Thread(() -> {
			synchronized (B) {
				log.debug("lock B");
				try {
					sleep(1);
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				synchronized (A) {
					log.debug("lock A");
					log.debug("操作...");
				}
			}
		}, "t2");
		t1.start();
		t2.start();
	}
}

（3）定位死锁

方法一：使用jstack

*1）jps：查看所有的进程ID

*2）jstack 进程ID：查看该进程下所有线程信息

我们继续往下拉可以看到更具体的信息：

方法二：使用jconsole

如图：

（4）活锁

活锁出现在两个线程互相改变对方的结束条件，谁也无法结束。

避免活锁的方法：
在线程执行时，中途给予不同的间隔时间即可。

死锁与活锁的区别：

死锁是因为线程互相持有对象想要的锁，并且都不释放，最后到时线程阻塞，停止运行的现象。
活锁是因为线程间修改了对方的结束条件，而导致代码一直在运行，却一直运行不完的现象。

实例：

两个线程，结束条件都是count=20。一个线程count++，一个线程count--，互相一直改变count，导致谁都结束不了。

（5）饥饿

某些线程因为优先级太低，导致一直无法获得资源的现象。

我们之前说到，解决死锁的方法可以是使用顺序加锁来避免。

一开始的流程是这样：

用了顺序锁后，必须先获取A才能获取B：

但是加了顺序锁会有一个问题：有的线程会一直拿不到A，从而一直阻塞。而有的线程则一直才运行。阻塞的线程就是处于饥饿状态。

2.ReentrantLock基本概念

ReentrantLock就是可重入锁，和 synchronized 相比具有的的特点：

可中断
可以设置超时时间
可以设置为公平锁 (先到先得)
支持多个条件变量( 具有多个 WaitSet)

使用方法：

// 获取ReentrantLock对象
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 加锁
lock.lock();
try {
	// 需要执行的代码
}finally {
	// 释放锁
	lock.unlock();
}

3.ReentrantLock特性

（1）可重入

可重入是指同一个线程如果首次获得了这把锁，那么因为它是这把锁的拥有者，因此有权利再次获取这把锁
如果是不可重入锁，那么第二次获得锁时，自己也会被锁挡住

（2）可打断

lock.lockInterruptibly()：防止一直等，避免死锁

如果没有竞争，该方法就会获得lock锁
如果有竞争，就会进入阻塞状态。区别在于，如果其他线程使用interrupt()，会让它结束阻塞状态，并且抛一个InterruptedException

package controller;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

import static java.lang.Thread.sleep;

@Slf4j
public class Test {
	private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

	public static void main(String[] args) {
		Thread t1 = new Thread(() -> {
			log.debug("启动...");
			try {
				lock.lockInterruptibly();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
				log.debug("等锁的过程中被打断");
				return;
			}
			try {
				log.debug("获得了锁");
			} finally {
				lock.unlock();
			}
		}, "t1");

		lock.lock();
		log.debug("获得了锁");
		t1.start();
		try {
			sleep(1);
			t1.interrupt();
			log.debug("执行打断");
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		} finally {
			lock.unlock();
		}
	}

}

（3）锁超时

可打断需要其他线程来interrupt，属于被动打断。锁超时是主动中断，从而避免死等。

lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)：

锁设置1秒，如果没有找到就返回
我们看到，该方法支持InterruptedException，表示也是个可打断的锁
如果不加参数，表示立刻返回，返回值是boolean，如果为false表示没拿到锁，就直接返回即可

package controller;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

import static java.lang.Thread.sleep;

@Slf4j
public class Test {
	private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		Thread t1 = new Thread(() -> {
			log.debug("启动...");
			try {
				if (!lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
					log.debug("获取等待 1s 后失败，返回");
					return;
				}
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
				log.debug("获取不到锁");
				return;
			}
			try {
				log.debug("获得了锁");
			} finally {
				lock.unlock();
			}
		}, "t1");
		lock.lock();
		log.debug("主线程获得了锁");
		t1.start();
	}

}

4.解决哲学家就餐问题

必须先拿左筷子，再拿右筷子。同时，如果左筷子没拿到，就释放左筷子，右筷子同理。这样就解决了死锁的问题。

class Chopstick extends ReentrantLock {
	String name;
	public Chopstick(String name) {
		this.name = name;
	}
	@Override
	public String toString() {
		return "筷子{" + name + '}';
	}
}

class Philosopher extends Thread {
	Chopstick left;
	Chopstick right;
	public Philosopher(String name, Chopstick left, Chopstick right) {
		super(name);
		this.left = left;
		this.right = right;
	}
	@Override
	public void run() {
		while (true) {
			// 尝试获得左手筷子
			if (left.tryLock()) {
				try {
					// 尝试获得右手筷子
					if (right.tryLock()) {
						try {
							eat();
						} finally {
							right.unlock();
						}
					}
				} finally {
					left.unlock();
				}
			}
		}
	}
	private void eat() {
		log.debug("eating...");
		Sleeper.sleep(1);
	}
}

5.公平锁

ReentrantLock默认是不公平锁。

一般不设置公平锁，会降低并发度。

#使之成为公平锁
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

上面为什么加了一个true就会变成公平锁，后面会细说。这里先跳过。

6.条件变量

synchronized 中也有条件变量，就是我们讲原理时那个 waitSet 休息室，当条件不满足时进入waitSet 等待。

ReentrantLock 的条件变量比 synchronized 强大之处在于，它是支持多个条件变量的，这就好比：

synchronized 是那些不满足条件的线程都在一间休息室等消息
而 ReentrantLock 支持多间休息室，有专门等烟的休息室、专门等早餐的休息室、唤醒时也是按休息室来唤醒

使用要点：

await 前需要获得锁
await 执行后，会释放锁，进入 conditionObject 等待
await 的线程被唤醒（或打断、或超时）取重新竞争 lock 锁
竞争 lock 锁成功后，从 await 后继续执

Condition condition1 = lock.newCondition();
		Condition condition2 = lock.newCondition();
		
		lock.lock();
		
		condition1.await();
		condition1.await(1,TimeUnit.SECONDS);
		
		condition1.signal();
		condition1.signalAll();

实例：

package controller;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

import static java.lang.Thread.sleep;

@Slf4j
public class Test {
	static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
	static Condition waitCigaretteQueue = lock.newCondition();
	static Condition waitbreakfastQueue = lock.newCondition();
	static volatile boolean hasCigrette = false;
	static volatile boolean hasBreakfast = false;

	public static void main(String[] args) {
		new Thread(() -> {
			try {
				lock.lock();
				while (!hasCigrette) {
					try {
						waitCigaretteQueue.await();
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
				}
				log.debug("等到了它的烟");
			} finally {
				lock.unlock();
			}
		}).start();
		new Thread(() -> {
			try {
				lock.lock();
				while (!hasBreakfast) {
					try {
						waitbreakfastQueue.await();
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
				}
				log.debug("等到了它的早餐");
			} finally {
				lock.unlock();
			}
		}).start();
		sleep(1);
		sendBreakfast();
		sleep(1);
		sendCigarette();
	}

	private static void sendCigarette() {
		lock.lock();
		try {
			log.debug("送烟来了");
			hasCigrette = true;
			waitCigaretteQueue.signal();
		} finally {
			lock.unlock();
		}
	}

	private static void sendBreakfast() {
		lock.lock();
		try {
			log.debug("送早餐来了");
			hasBreakfast = true;
			waitbreakfastQueue.signal();
		} finally {
			lock.unlock();
		}
	}
}

7.同步模式之顺序控制：固定顺序

对于t1,t2，我们想固定顺序t2,t1输出，怎么做？

（1）wait/notify版

package controller;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j
public class Test {
	// 用来同步的对象
	static Object obj = new Object();
	// t2 运行标记， 代表 t2 是否执行过
	static boolean t2runed = false;

	public static void main(String[] args) {
		Thread t1 = new Thread(() -> {
			synchronized (obj) {
				// 如果 t2 没有执行过
				while (!t2runed) {
					try {
						// t1 先等一会
						obj.wait();
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
				}
			}
			System.out.println(1);
		});
		Thread t2 = new Thread(() -> {
			System.out.println(2);
			synchronized (obj) {
				// 修改运行标记
				t2runed = true;
				// 通知 obj 上等待的线程（可能有多个，因此需要用 notifyAll）
				obj.notifyAll();
			}
		});
		t1.start();
		t2.start();
	}
}

（2）park/unpark版本

package controller;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

@Slf4j
public class Test {
	public static void main(String[] args) {
		Thread t1 = new Thread(() -> {
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
			}
			// 当没有『许可』时，当前线程暂停运行；有『许可』时，用掉这个『许可』，当前线程恢复运行
			LockSupport.park();
			System.out.println("1");
		});
		Thread t2 = new Thread(() -> {
			System.out.println("2");
			// 给线程 t1 发放『许可』（多次连续调用 unpark 只会发放一个『许可』）
			LockSupport.unpark(t1);
		});
		t1.start();
		t2.start();
	}
}

8. 同步模式之顺序控制：交替输出

t1,t2,t3我们想交替输出，怎么办？