并发编程学习笔记（一）——初始并发编程

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一：并发编程

1. 基本概念

（1）同步和异步

• 同步：同步方法一旦调用，调用者必须等待方法调用返回后，才能继续后面的行为
• 异步：异步方法在另外一个线程执行，方法调用立即返回，调用者可以继续后面的操作，操作完成后通知调用者，返回结果

（2）并发与并行

• 并发（1个CPU）：多个任务交替进行（可能串行）
• 并行（多个CPU）：多个任务同时进行

（3）临界区

表示一个公共资源，可以被多个线程使用。同一时刻只能被一个线程使用。

（4）阻塞与非阻塞

• 阻塞：线程等待临界区资源，被挂起
• 非阻塞：所有线程都会尝试不断前行

（5）死锁与活锁

• 死锁：线程之间彼此占有对方需要的资源，却不释放，还去请求对方的资源，导致多个线程无法获取完整资源而等待
• 活锁：线程之间彼此占有对方需要的资源，都想要释放，并且去请求对方的资源，导致多个线程无法获取完整资源而等待
• 饥饿：线程由于某些原因无法获取资源，导致一直无法执行

2. 并发级别

（1）阻塞（悲观策略）

在其他线程释放资源之前，当前线程无法继续执行

（2）无饥饿

• 对于非公平锁：系统允许高优先级的线程先执行，导致低优先级线程饥饿
• 对于公平锁：按照先来先服务原则，所有线程都有机会执行

（3）无障碍（乐观策略）

认为线程之间不会发生冲突，多个线程可以没有障碍的进入临界区。如果检测到数据异常，则回滚自己的操作，确保数据安全（可能导致没有线程离开临界区）

一致性标记

1. 线程在操作之前，读取并保存标记
2. 如果需要更改临界区数据，则需要更新该标记，告诉其他线程不安全
3. 操作完成后，再次读取，检查标记是否被改变。如果一致则证明没有冲突，如果不一致则证明有冲突需要重试

（4）无锁

在无障碍的基础上，要求必然有一个线程能够在有限时间内离开临界区（可能导致重试的线程出现饥饿）

（5）无等待

在无锁的基础上，要求所有线程都能够在有限时间内离开临界区

RCU

• 读操作：不加控制
• 写操作：通过修改数据的副本，在合适的时机写回数据

3. 并发定律

（1）Amdahl定律

为了提高系统速度，需要在增加CPU处理器的同时，提高系统内可并行化的模块比重

（2）Gustafson定律

如果串行化比例很小，并行化比例很大，则增加CPU处理器就能提高系统的速度

4. Java的内存模型JMM

（1）原子性

一个操作是不可中断的，不会被其他线程干扰。
（对于32位虚拟机，如果对64位的数据进行操作，则不是原子性的）

（2）可见性

当一个线程修改了一个共享变量的值，其他线程立即知道这个修改
（缓存优化、硬件优化、指令重排、编辑器优化可能导致操作不可见）

（3）有序性

程序按顺序执行

指令重排

可以保证串行语义的一致性，但无法保证多线程语义的一致性
可以减少中断流水线的次数

Happen-Before原则

• 程序顺序原则（单个线程内）
• volatile原则（写先于读）
• 锁原则（解锁先于随后的加锁）
• 传递性
• 线程的start() 先于它的每一个动作
• 线程的每一个动作先于它的终结
• 线程的中断interrupt()先于被中断线程的代码
• 对象的构造函数先于它的finalize()

二：Java的并行设计

1. 线程的生命周期

• 新建 New：创建完成，还没有启动
• 运行 Runable：就绪或正在执行
• 无限等待 Waiting：等待被其他线程唤醒
• 限期等待 Timed Waiting：等待一段时间后自动唤醒
• 阻塞 Blocked：等待获取排他锁
• 结束 Terminated：线程结束执行

2. 线程的基本操作

（1）新建

不使用thread.run()方法开启线程，它只会串行执行run()方法。
应该使用thread.start();方法新建线程

通过继承创建：

public class MyThread{
    static class Thread1 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("通过继承的方法创建线程");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread1 thread1 = new Thread1();
        thread1.start();
       
    }
}

通过匿名内部类创建：

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("通过匿名内部类的方法创建线程");
            }
        };
        thread.start();
    }

通过实现接口创建：

public class MyThread{

    static class Thread2 implements Runnable{

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("通过接口的方法创建线程");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(new Thread2());
        thread.start();
    }
}

（2）睡眠

通过Thread.sleep(时间)，让线程休眠若干时间，如果在休眠中被中断，则会抛出InterruptedException

睡眠中仍然持有资源，无法被其他线程唤醒！

（3）终止

不用使用thread.stop()方法，会直接结束线程，导致数据不一致。
需要自己决定何时让线程结束（状态量）

public class MyThread {

    static class Thread1 extends Thread {

	//标志结束的信号
        private boolean stop;

        public void stopMe() {
            stop = true;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                System.out.println("实现线程");
                try {
                	//让线程慢一点，容易观察
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //接收到结束信号，停止循环
                if (stop) {
                    System.out.println("结束了");
                    break;
                }
            }
        }

    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread1 thread = new Thread1();
        thread.start();
//        thread.stop();
	//等待1秒后，让线程停止
        Thread.sleep(1000);
        thread.stopMe();
    }
}

（4）中断

告诉系统应该退出，由系统决定

• 设置中断标志位：thread.interrupt(); （类似thread.stopMe();）

• 检查中断标志位：Thread.currentThread().isInterrupted();（类似判断语句if(stop)）

• 检查中断标志位并清零：Thread.interrupted();

特别之处：

中断方法不仅提醒系统结束，也能处理睡眠或等待的特殊情况

public class MyThread {

    static class Thread1 extends Thread {

        private boolean stop;

        public void stopMe() {
            stop = true;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                System.out.println("实现线程");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                	//抛出异常的同时会清除中断标记
                    System.out.println("我在睡觉你还中断我？");
                    //再次设置标记
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                    System.out.println("结束了");
                    break;
                }
            }
        }

    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread1 thread = new Thread1();
        thread.start();
//        thread.stop();
        Thread.sleep(1000);
//        thread.stopMe();
        thread.interrupt();
        
    }
}

（5）等待和通知

• 线程A获取对象xx的监视器，调用了xx.wait()方法，则线程A停止运行，进入xx对象的等待队列，释放对象xx的监视器
• 其他线程获取对象xx的监视器，调用了xx.notify()方法，则从xx对象的等待队列中随机选择线程并唤醒，释放对象xx的监视器
• 其他线程获取对象xx的监视器，调用了xx.notifyAll()方法，则唤醒xx对象的等待队列中的所有线程，释放对象xx的监视器

等待时会释放所持资源，可以被其他线程唤醒！

public class WaitAndNotify {
    final static Object object = new Object();
    static class ThreadA extends Thread{

        private String name;

        public ThreadA(String name) {
            super(name);
            this.name = name;
        }

        @Override
        public void run() {
            synchronized (object){
                System.out.println(name+"持有了对象");
                try {
                    System.out.println("对象想等待了");
                    object.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(name+"又持有了对象");
            }
        }
    }
    static class ThreadB extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object){
                System.out.println("B持有了对象");
                System.out.println("对象准备好了");
                object.notifyAll();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //一个线程等待
//        ThreadA a = new ThreadA("A");
//        a.start();
//        ThreadB b = new ThreadB();
//        b.start();
        //多个线程等待
        ThreadA[] as = new ThreadA[5];
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            as[i] = new ThreadA("A"+i);
            as[i].start();
        }
        ThreadB b = new ThreadB();
        b.start();
    }
}

（6）挂起和继续执行

• 不应该使用thread.suspend()挂起线程，因为资源无法被释放
• 不应该使用thread.resume()唤醒线程，如果在挂起前唤醒，则线程将永久挂起

public class SuspendAndResume {

    static class ThreadA extends Thread {
        private boolean suspend = false;

        public void suspendMe() {
            System.out.println("挂起线程");
            suspend = true;
        }

        //唤醒线程——通知
        public void resumeMe() {
            System.out.println("唤醒线程");
            suspend = false;
            synchronized (this) {
                notify();
            }
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (this) {

                    //被挂起了——等待
                    while (suspend) {
                        try {
                            wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                        System.out.println("线程A开始工作");

                }
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadA a = new ThreadA();
        a.start();
        Thread.sleep(1000);
        a.suspendMe();
        Thread.sleep(1000);
        a.resumeMe();
    }
}

（7）等待结束

通过thread.join()，一个线程需要使用等待依赖的线程thread执行完毕，才能继续执行

• join()：无限等待，直到目标线程完成
• join(时间)：等待一段时间，如果目标线程还没有完成，则继续进行

public class Join {
    static volatile int i = 0;
    static class ThreadA extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            for (i = 0; i < 10; i++) {

            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadA a = new ThreadA();
        a.start();
        a.join();
        System.out.println(i);
    }
}

（8）谦让

通过Thread.yield()，当前线程让出CPU，再重新进行争夺。
适合一个低优先级、占用CPU资源多的线程

3. Java的关键字

（1）volatile关键字

可以保证数据的可见性和有序性，不能保证原子性

（2）synchronized关键字

确保操作的原子性，线程之间的有序性和可见性

• 指定加锁对象：进入同步块之前需要获得给定对象的锁
• 作用于实例方法：进入同步块之前需要获得实例对象的锁
• 作用于静态方法：进入同步块之前需要获得当前类的锁

4. 线程的优先级

Java中使用1到10或者3个静态变量表示优先级，一般高优先级在竞争资源时更有优势

• Thread.MIN_PRIORITY
• Thread.NORM_PRIORITY
• Thread.MAX_PRIORITY

thread.setPriority(优先级);

5. 守护线程Daemon

• 守护线程：在后台完成系统性的任务（如果只剩下守护线程，JVM会自然退出）
• 用户线程：完成程序的业务操作

public class DaemonTest {
    static class Daemon extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            while (true){
                System.out.println("我在进行后台工作...");
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Daemon();
        //设置守护线程
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();
        //休眠3秒后，主线程结束，所以守护线程也结束了
        Thread.sleep(3000);
    }
}

6. 线程组

如果线程数量多，并且功能明确，则可以把相同功能的线程放置在一个线程组中

创建

• 线程组：ThreadGroup group = new ThreadGroup(线程组名);
• 加入线程：Thread thread = new Thread(group,线程接口,线程名);

使用

• 获取活动线程个数： System.out.println(“当前活跃线程：”+group.activeCount());
• 获取线程组的线程个数：group.list()

public class ThreadGroupTest {
    static class Group implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            String group = Thread.currentThread().getThreadGroup().getName();
            String name = Thread.currentThread().getName();
            while (true){
                System.out.println(group+"--"+name);
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ThreadGroup group = new ThreadGroup("Test");
        Thread t1 = new Thread(group,new Group(),"Thread1");
        Thread t2 = new Thread(group,new Group(),"Thread2");
        t1.start();
        t2.start();
        System.out.println("当前活跃线程："+group.activeCount());
        group.list();
    }
}

7. Java的集合

用Vector代替ArrayList
用ConcurrentHashMap代替HashMap