Java中的多线程知识整理

分成以下几部分来总结涉及到多线程的内容：

线程的状态
每个对象都有的方法（机制）
基本线程类
高级多线程控制类

1、线程的状态

线程状态转换图

线程的在这里插入代码片五种基本状态：

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();

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；

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；

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。

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。

各种状态一目了然，值得一提的是"blocked"这个状态：
线程在Running的过程中可能会遇到阻塞(Blocked)情况

调用join()和sleep()方法，sleep()时间结束或被打断，join()中断,IO完成都会回到Runnable状态，等待JVM的调度。

调用wait()，使该线程处于等待池(wait blocked pool),直到notify()/notifyAll()，线程被唤醒被放到锁定池(lock blocked pool )，释放同步锁使线程回到可运行状态（Runnable）

对Running状态的线程加同步锁(Synchronized)使其进入(lock blocked pool ),同步锁被释放进入可运行状态(Runnable)。

此外，在runnable状态的线程是处于被调度的线程，此时的调度顺序是不一定的。Thread类中的yield方法可以让一个running状态的线程转入runnable。

2、每个对象都有的方法（机制）

synchronized, wait, notify 是任何对象都具有的同步工具。让我们先来了解他们

monitor（监视器）

他们是应用于同步问题的人工线程调度工具。讲其本质，首先就要明确monitor的概念，Java中的每个对象都有一个监视器，来监测并发代码的重入。在非多线程编码时该监视器不发挥作用，反之如果在synchronized 范围内，监视器发挥作用。

wait/notify必须存在于synchronized块中。并且，这三个关键字针对的是同一个监视器（某对象的监视器）。这意味着wait之后，其他线程可以进入同步块执行。

当某代码并不持有监视器的使用权时（如图中5的状态，即脱离同步块）去wait或notify，会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException。也包括在synchronized块中去调用另一个对象的wait/notify，因为不同对象的监视器不同，同样会抛出此异常。

用法：

synchronized单独使用：
- 代码块：如下，在多线程环境下，synchronized块中的方法获取了lock实例的monitor，如果实例相同，那么只有一个线程能执行该块内容

public class Thread1 implements Runnable {
   Object lock;
   public void run() {  
       synchronized(lock){
        do something
       }
   }
}

直接用于方法：相当于上面代码中用lock来锁定的效果，实际获取的是Thread1类的monitor。更进一步，如果修饰的是static方法，则锁定该类所有实例。

public class Thread1 implements Runnable {
   public synchronized void run() {  
       do something
   }
}

synchronized, wait, notify结合:典型场景生产者消费者问题

/**
   * 生产者生产出来的产品交给店员
   */
  public synchronized void produce()
  {
      if(this.product >= MAX_PRODUCT)
      {
          try
          {
              wait();  
              System.out.println("产品已满,请稍候再生产");
          }
          catch(InterruptedException e)
          {
              e.printStackTrace();
          }
          return;
      }

      this.product++;
      System.out.println("生产者生产第" + this.product + "个产品.");
      notifyAll();   //通知等待区的消费者可以取出产品了
  }

  /**
   * 消费者从店员取产品
   */
  public synchronized void consume()
  {
      if(this.product <= MIN_PRODUCT)
      {
          try 
          {
              wait(); 
              System.out.println("缺货,稍候再取");
          } 
          catch (InterruptedException e) 
          {
              e.printStackTrace();
          }
          return;
      }

      System.out.println("消费者取走了第" + this.product + "个产品.");
      this.product--;
      notifyAll();   //通知等待去的生产者可以生产产品了
  }

volatile关键字

多线程的内存模型：main memory（主存）、working memory（线程栈），在处理数据时，线程会把值从主存load到本地栈，完成操作后再save回去(volatile关键词的作用：每次针对该变量的操作都激发一次load and save)。

针对多线程使用的变量如果不是volatile或者final修饰的，很有可能产生不可预知的结果（另一个线程修改了这个值，但是之后在某线程看到的是修改之前的值）。其实道理上讲同一实例的同一属性本身只有一个副本。但是多线程是会缓存值的，本质上，volatile就是不去缓存，直接取值。在线程安全的情况下加volatile会牺牲性能。

3、基本线程类

基本线程类指的是Thread类，Runnable接口，Callable接口。
Thread 类实现了Runnable接口，启动一个线程的方法：

　MyThread my = new MyThread();
　　my.start();

Thread类相关方法：

//当前线程可转让cpu控制权，让别的就绪状态线程运行（切换）
public static Thread.yield() 
//暂停一段时间
public static Thread.sleep()  
//在一个线程中调用other.join(),将等待other执行完后才继续本线程。　　　　
public join()
//后两个函数皆可以被打断
public interrupte()

关于中断：它并不像stop方法那样会中断一个正在运行的线程。线程会不时地检测中断标识位，以判断线程是否应该被中断（中断标识值是否为true）。终端只会影响到wait状态、sleep状态和join状态。被打断的线程会抛出InterruptedException；
Thread.interrupted()检查当前线程是否发生中断，返回boolean；
synchronized在获锁的过程中是不能被中断的。

中断是一个状态！interrupt()方法只是将这个状态置为true而已。所以说正常运行的程序不去检测状态，就不会终止，而wait等阻塞方法会去检查并抛出异常。如果在正常运行的程序中添加while(!Thread.interrupted()) ，则同样可以在中断后离开代码体

Runnable

与Thread类似

Callable

future模式：并发模式的一种，可以有两种形式，即无阻塞和阻塞，分别是isDone和get。其中Future对象用来存放该线程的返回值以及状态

ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);
 //submit方法有多重参数版本，及支持callable也能够支持runnable接口类型.
Future future = e.submit(new myCallable());
future.isDone() //return true,false 无阻塞
future.get() // return 返回值，阻塞直到该线程运行结束

使用三个基本类创建线程的方法：

继承Thread类，重写该类的run()方法。

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

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
            if (i == 30) {
                Thread myThread1 = new MyThread();     // 创建一个新的线程  myThread1  此线程进入新建状态
                Thread myThread2 = new MyThread();     // 创建一个新的线程 myThread2 此线程进入新建状态
                myThread1.start();                     // 调用start()方法使得线程进入就绪状态
                myThread2.start();                     // 调用start()方法使得线程进入就绪状态
            }
        }
    }
}

注意：通过调用线程对象引用的start()方法，使得该线程进入到就绪状态，此时此线程并不一定会马上得以执行，这取决于CPU调度时机。

实现Runnable接口，并重写该接口的run()方法，该run()方法同样是线程执行体，创建Runnable实现类的实例，并以此实例作为Thread类的target来创建Thread对象，该Thread对象才是真正的线程对象。

class MyRunnable implements Runnable {
    private int i = 0;
    @Override
    public void run() {
        for (i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
        }
    }
}


public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
            if (i == 30) {
                Runnable myRunnable = new MyRunnable(); // 创建一个Runnable实现类的对象
                Thread thread1 = new Thread(myRunnable); // 将myRunnable作为Thread target创建新的线程
                Thread thread2 = new Thread(myRunnable);
                thread1.start(); // 调用start()方法使得线程进入就绪状态
                thread2.start();
            }
        }
    }
}

使用Callable和Future接口创建线程。具体是创建Callable接口的实现类，并实现clall()方法。并使用FutureTask类来包装Callable实现类的对象，且以此FutureTask对象作为Thread对象的target来创建线程。

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        Callable<Integer> myCallable = new MyCallable();    // 创建MyCallable对象
        FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<Integer>(myCallable); //使用FutureTask来包装MyCallable对象

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
            if (i == 30) {
                Thread thread = new Thread(ft);   //FutureTask对象作为Thread对象的target创建新的线程
                thread.start();                      //线程进入到就绪状态
            }
        }

        System.out.println("主线程for循环执行完毕..");
        
        try {
            int sum = ft.get();            //取得新创建的新线程中的call()方法返回的结果
            System.out.println("sum = " + sum);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}


class MyCallable implements Callable<Integer> {
    private int i = 0;
    // 与run()方法不同的是，call()方法具有返回值
    @Override
    public Integer call() {
        int sum = 0;
        for (; i < 100; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
            sum += i;
        }
        return sum;
    }
}

4、高级多线程控制类

接下来是实际项目中常用到的工具了，Java1.5提供了一个非常高效实用的多线程包:java.util.concurrent, 提供了大量高级工具,可以帮助开发者编写高效、易维护、结构清晰的Java多线程程序。

1.ThreadLocal类

用处：保存线程的独立变量。对一个线程类（继承自Thread)
当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。常用于用户登录控制，如记录session信息。

实现：每个Thread都持有一个TreadLocalMap类型的变量（该类是一个轻量级的Map，功能与map一样，区别是桶里放的是entry而不是entry的链表。功能还是一个map。）以本身为key，以目标为value。
主要方法是get()和set(T a)，set之后在map里维护一个threadLocal -> a，get时将a返回。ThreadLocal是一个特殊的容器。

2.原子类（AtomicInteger、AtomicBoolean……）

如果使用atomic wrapper class如atomicInteger，或者使用自己保证原子的操作，则等同于synchronized

//返回值为boolean
AtomicInteger.compareAndSet(int expect,int update)

该方法可用于实现乐观锁，考虑文中最初提到的如下场景：a给b付款10元，a扣了10元，b要加10元。此时c给b2元，但是b的加十元代码约为：

if(b.value.compareAndSet(old, value)){
   return ;
}else{
   //try again
   // if that fails, rollback and log
}

AtomicReference
对于AtomicReference 来讲，也许对象会出现，属性丢失的情况，即oldObject == current，但是oldObject.getPropertyA != current.getPropertyA。
这时候，AtomicStampedReference就派上用场了。这也是一个很常用的思路，即加上版本号

3.Lock类　

lock: 在java.util.concurrent包内。共有三个实现：

ReentrantLock
ReentrantReadWriteLock.ReadLock
ReentrantReadWriteLock.WriteLock

主要目的是和synchronized一样，两者都是为了解决同步问题，处理资源争端而产生的技术。功能类似但有一些区别。

区别如下：

lock更灵活，可以自由定义多把锁的枷锁解锁顺序（synchronized要按照先加的后解顺序）
提供多种加锁方案，lock 阻塞式, trylock 无阻塞式, lockInterruptily 可打断式， 还有trylock的带超时时间版本。
本质上和监视器锁（即synchronized是一样的）
能力越大，责任越大，必须控制好加锁和解锁，否则会导致灾难。
和Condition类的结合。
性能更高，对比如下图：

synchronized和Lock性能对比

ReentrantLock
可重入的意义在于持有锁的线程可以继续持有，并且要释放对等的次数后才真正释放该锁。
使用方法是：

1.先new一个实例

static ReentrantLock r=new ReentrantLock();

2.加锁

r.lock()或r.lockInterruptibly();

此处也是个不同，后者可被打断。当a线程lock后，b线程阻塞，此时如果是lockInterruptibly，那么在调用b.interrupt()之后，b线程退出阻塞，并放弃对资源的争抢，进入catch块。（如果使用后者，必须throw interruptable exception 或catch）

3.释放锁

r.unlock()

必须做！何为必须做呢，要放在finally里面。以防止异常跳出了正常流程，导致灾难。这里补充一个小知识点，finally是可以信任的：经过测试，哪怕是发生了OutofMemoryError，finally块中的语句执行也能够得到保证。

ReentrantReadWriteLock

可重入读写锁（读写锁的一个实现）　

　ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock()
　　ReadLock r = lock.readLock();
　　WriteLock w = lock.writeLock();

两者都有lock,unlock方法。写写，写读互斥；读读不互斥。可以实现并发读的高效线程安全代码