Java多线程小札

概念

• 进程
  • 进程间通信方式
    • 共享内存
    • 消息传递 Emailbox机制
  • 进程状态
    • PCB负责记录进程信息
    • 创建，就绪，运行，等待，消亡
      • 就绪 意味着只差cpu了
      • 等待 即程序运行缺少非CPU资源的依赖
• 同步和异步
  • 同步 需要等待依赖于其他程序或资源才能完成本次执行
  • 非阻塞 无需待续结果，立即返回
  • 信号量 实现进程同步的方式
• 并发(Concurrency)和并行(Parallelism)
  • 并发偏重于多个任务交替执行
  • 在多个CPU中可以同时运行（并行）
  • 高并发 保证系统能够同时并行处理很多请求
• 临界区
  • 表示一种公共资源或者说是共享数据
  • 每一次，只能有一个线程使用
  • 并行程序中，临界区资源是保护的对象

多线程

• 使用方式
  • Thread类
    1. 继承该类，重写run方法
    2. 实例start方法启动线程，
    • 以随机时间来调用线程中的run方法
  • 实现Runnable接口
  • 线程池
• 实例变量与线程安全
  • synchronized 保证任意时刻只能有一个线程执行该方法
  • 利用 AtomicInteger 类
• 常用方法
  • currentThread()
    • 返回对当前正在执行的线程对象的引用
  • getId()
  • getName()
  • getPriority()
  • isAlive()
    • 测试这个线程是否还处于活动状态
  • sleep(long millis)
    • 使当前正在执行的线程以指定的毫秒数“休眠”（暂时停止执行）
  • interrupt()
    • 标记中断状态为true，并不会影响线程的继续执行
    • 若中断后调用了wait、jion、sleep方法中的一种（即线程状态转移），抛出InterruptedException异常，且中断标志被清除
  • interrupted() 和isInterrupted()
  • setName(String name)
  • isDaemon()
    • 测试线程是否是守护线程
  • setDaemon(boolean on)
  • join()
    • 等待该线程终止
    • 主线程需要等待子线程执行完成之后再结束
  • yield()
    • 放弃当前的CPU资源
  • setPriority(int newPriority)
• 分类
  • 用户线程 在前台执行具体的任务
  • 守护线程 在后台为其他前台线程服务
  • 特点 一旦所有用户线程都结束运行，守护线程会随JVM一起结束工作
  • 应用
    • 常见的守护线程：垃圾回收线程
    • 数据库连接池中的检测线程，JVM虚拟机启动后的检测线程
• 线程操作
  • 如何停止一个线程
    • 使用interrupt方法
    • 使用return停止线程
    • 线程的优先级

synchronized 关键字

• 变量安全性
  • 两个线程同时操作对象中的实例变量，则会出现“非线程安全”
  • 解决办法就是在方法前加上synchronized关键字
  • synchronized取得的锁都是对象锁，而不是把一段代码或方法当做锁
• 可重入锁
  • 自己可以再次获取自己的内部锁
  • 可重入锁也支持在父子类继承的环境中
  • 同步不具有继承性
• 同步语句块
  • 当一个线程访问一个对象的synchronized同步代码块时，另一个线程任然可以访问该对象非synchronized同步代码块
  • 不在synchronized代码块中就异步执行，在synchronized代码块中就是同步执行
  • 若两个线程使用了同一个“对象监视器”,运行结果是同步的
• 类对象同步
  • synchronized关键字加到static静态方法和synchronized(class)代码块都是给class类上锁
  • synchronized关键字加到非静态方法上是给对象上锁
  • 在Jvm中具有String常量池缓存功能

volatile关键字

• 特性
  • 定义
    • volatile 指示jvm变量是不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取
    • volatile关键字声明的变量或对象通常具有与优化、多线程相关的特殊属性
    • 无volatile关键字，编译器可能优化读取和存储，将出现数据不一致的现象
    • 在C中，volatile关键字可以用来提醒编译器它后面所定义的变量随时有可能改变，都会直接从变量地址中读取
  • 可见性
    • Java的内存模型是如何读取变量
      • volatile 修饰的成员变量在每次被线程
        • 访问时 强迫从主存（共享内存）中重读该成员变量的值
        • 在变量发生变化时 强迫线程将变化值回写到主存（共享内存）
        • 目的 保证同步数据的可见性
    • while死循环中加入输出语句或sleep方法会出现什么效果
      • jvm尽可能保证内存的可见性
  • volatile 关键字无法保证对变量的原子性
  • 要保证数据的原子性还是要使用synchronized关键字
• synchronized和volatile之比较
  • 运行效率
    • volatile关键字是线程同步的轻量级实现
    • volatile关键字只能用于变量而synchronized关键字可以修饰方法以及代码块
  • 原子性
    • volatile关键字能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性
    • synchronized关键字两者都能保证
  • 是否会产生阻塞
    • 多线程访问volatile关键字不会发生阻塞
    • synchronized关键字可能会发生阻塞
  • 处理问题
    • volatile关键字用于解决变量在多个线程之间的可见性
    • synchronized关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性

wait/notify

• 等待/通知机制
  • 需求
    • 若轮询时间的间隔太小会浪费CPU资源，太大可能取不到自己想要的数据
  • 不使用等待/通知机制
    • 两个线程之间存在生产和消费关系
      • 第一个线程（生产者）做相应的操作然后第二个线程（消费者）感知到变化又进行相应的操作
  • 机制定义
    1. 线程A调用了对象O的wait()方法进入等待状态
    2. 另一个线程B调用了对象O的notify()或notifyAll()方法
    3. 线程A收到通知后退出等待队列，进入可运行状态，进而执行后续操作
  • 相关方法
    • notify() 随机唤醒等待队列中等待同一共享资源的一个线程，退出等待队列
    • notifyAll() 使所有正在等待队列中等待同一共享资源的全部线程退出等待队列，进入可运行状态
    • wait() 使用该方法的线程释放共享资源锁，从运行状态退出，进入等待队列，直到被再次唤醒
  • 方法使用
    • Java为每个Object都实现了等待/通知（wait/notify）机制的相关方法，必须用在synchronized关键字同步的Object的临界区内
      1. 调用wait()方法可以使处于临界区内的线程进入等待状态，同时释放被同步对象的锁
      2. notify()方法可以唤醒一个因调用wait操作而处于阻塞状态中的线程，使其进入就绪状态
      3. 重新唤醒的线程会视图重新获得临界区的控制权也就是锁
  • notify()锁不释放
    • 当方法wait()被执行后，锁自动被释放
    • 执行完notify()方法后，锁不会自动释放
    • 必须执行完notify()方法所在的synchronized代码块后才释放
    • 当线程呈wait状态时，对线程对象调用interrupt方法会出现InterrupedException异常

线程间通信

• 管道输入/输出流
  • 用于线程之间的数据传输，传输媒介为内存
  • 方式分类
    • 面向字节 PipedOutputStream，PipedInputStream
    • 面向字符 PipeWriter，PipedReader
• Thread.join()
  • 应用场景
    • 主线程需要等待子线程执行完成之后再结束
    • 一个线程需要等待另一个线程
  • 原型 join(long mills)
• ThreadLocal类
  • 作用
    • 让每个线程绑定自己的值，可存储每个线程的私有数据
  • 相关方法
    • get(), set(T value),remove(),initalValue()
  • InheritableThreadLocal
    • 解决子线程并不能取到父线程的ThreadLocal类的变量的问题

Lock锁

• Lock接口
  • 用于通过多个线程控制对共享资源的访问工具
    • 在Lock接口出现之前，Java程序是靠synchronized关键字实现锁功能的
  • Lock接口提供synchronized关键字不具备的特性
    • 尝试非阻塞地获取锁
      • 当前线程尝试获取锁，如果这一时刻锁没有被其他线程获取到，则成功获取并持有锁
    • 能被中断的获取锁
      • 获取到锁的线程能够响应中断，当获取到锁的线程被中断时，中断异常将会被抛出，同时锁会被释放
    • 超时获取锁
      • 在指定的截止时间之前获取锁， 超过截止时间后仍旧无法获取则返回
  • 常用方法
    • void lock()
    • Condition newCondition()
    • boolean tryLock()
    • void unlock()
• Lock接口的实现类ReentrantLock
  • 作用：和synchronized关键字一样可以用来实现线程之间的同步互斥
  • Condition接口
  • 使用Condition实现等待/通知机制
    • 单个condition
    • 多个condition
    • 使用condition实现顺序执行
  • 公平锁与非公平锁
    • ReentrantLock(boolean fair)方法
• ReadWriterLock接口的实现类：ReentrantReadWriteLock
  • 读读共享
  • 写写互斥
  • 读写互斥
  • 写读互斥

并发编程

• 并发是否好？
  • CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现伪同时运行
  • 并发编程并不总是能提高程序运行速度的
• 上下文切换
  • 任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换
  • 上下文切换对系统来说意味消耗大量的CPU时间
  • 上下文切换的方式
    • 让步式上下文切换
    • 抢占式上下文切换
• 减少上下文切换
  • 减少锁的使用
  • 使用CAS无锁算法
    • CAS比较与交换（Compare and swap)
  • 减少线程的使用
    • 创建大量的线程会导致大量的线程都处于等待状态
    • CAS算法和协程
  • 使用协程
• 避免死锁
  • 使用不当会造成死锁
• 减少资源限制
  • 资源限制引发
    • 在并发编程中，程序运行加快的原因是运行方式从串行运行变为并发运行
    • 若某段程序的并发执行由于资源限制仍然在串行执行的话，反而会变慢，因可能增加资源调度时间
  • 解决资源限制
    • 硬件资源限制，使用集群并行执行程序
    • 软件资源限制，使用资源池将资源复用
      • 用连接池将数据库和Socket复用

线程池与Executor框架

• 用线程池优点
  • 降低资源消耗
  • 提高响应速度
  • 提高线程的可管理性
• Executor
  • Java5+之后，通过Executor来启动线程比使用Thread的start方法好
  • 框架结构组成
    • 任务
      • Runnable接口或Callable接口实现类
    • 执行
      • ScheduledThreadPoolExecutor
      • ThreadPoolExecutor
    • 异步计算的结果
      • Future接口
      • Future接口的实现类FutrueTask类
• ThreadPoolExecutor
  • 常用属性
    • corePoolSize
    • maxinumPoolSize
    • queue
    • rejectedExecutionHandler
  • 4个构造方法
  • 创建
    • FixedThreadPool 可重用固定线程数的线程池，常在需要限制当前线程数量的应用场景
    • SingleThreadExecutor 使用单个worker线程的Excutor
      • 适用于需要保证顺序地执行各个任务并且在任意时间点，不会有多个线程是活动的应用场景
    • CachedThreadPool 根据需要创建新线程的线程池
      • 适用于执行很多的短期异步任务的小程序，或者是负载较轻的服务器
• ScheduledThreadPoolExecutor
  • 作用 延迟或定欺执行任务
  • 执行周期任务的步骤
• 线程池的应用场景
  • ScheduledThreadPoolExecutor： 适用于需要多个后台执行周期任务
  • SingleThreadScheduledExecutor： 适用于需要单个后台线程执行周期任务