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Java基础整理：多线程相关

分类: 文章 • 2024-05-19 18:07:16

Java基础整理：多线程相关

线程的创建方法

Java使用Thread类代表线程，所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例。

继承Thread类创建线程

  1. 定义Thread类的子类，并重写该类的run()方法，该方法的方法体就是线程需要完成的任务，run()方法也称为线程执行体。
  2. 创建Thread子类的实例，也就是创建了线程对象
  3. 启动线程，即调用线程的start()方法
public class MyThread extends Thread{//继承Thread类
　　public void run(){
　　//重写run方法
　　}
}
public class Main {
　　public static void main(String[] args){
　　　　new MyThread().start();//创建并启动线程
　　}
}

实现Runnable接口创建线程

  1. 定义Runnable接口的实现类，一样要重写run()方法，这个run（）方法和Thread中的run()方法一样是线程的执行体
  2. 创建Runnable实现类的实例，并用这个实例作为Thread的target来创建Thread对象，这个Thread对象才是真正的线程对象
  3. 第三步依然是通过调用线程对象的start()方法来启动线程
public class MyThread2 implements Runnable {//实现Runnable接口
　　public void run(){
　　//重写run方法
　　}
}
public class Main {
　　public static void main(String[] args){
　　　　//创建并启动线程
　　　　MyThread2 myThread=new MyThread2();
　　　　Thread thread=new Thread(myThread);
　　　　thread().start();
　　　　//或者    new Thread(new MyThread2()).start();
　　}
}

使用Callable和Future创建线程

  1. 创建Callable接口的实现类，并重写call()方法，然后创建该实现类的实例（从java8开始可以直接使用Lambda表达式创建Callable对象）。
  2. 使用FutureTask类来包装Callable对象（由Callable创建一个FutureTask对象），该FutureTask对象封装了Callable对象的call()方法的返回值
  3. 使用FutureTask对象作为Thread对象的target创建并启动线程（因为FutureTask实现了Runnable接口）
  4. 调用FutureTask对象的get()方法来获得子线程执行结束后的返回值
public class Main {
　　public static void main(String[] args){
　　　MyThread3 th = new MyThread3();  //callable接口实现类实例
　　   //使用FutureTask类来包装Callable对象
　　　FutureTask<Integer> future = new FutureTask<Integer>(th);
　　　Thread oneThread = new Thread(oneTask); //用FutureTask对象实例化thread对象
　　　oneThread.start();

　　  try{
　　　　System.out.println("子线程的返回值："+future.get());//get()方法会阻塞，直到子线程执行结束才返回
 　　 }catch(Exception e){
　　　　ex.printStackTrace();
　　　}
　　}
}

三种方法对比

（1）实现Runnable和实现Callable接口的方式基本相同，可以把这两种方式归为一种，这种实现接口的方式与直接继承Thread类的方法之间的差别如下：

  1. 线程只是实现Runnable或实现Callable接口，还可以继承其他类。这种方式下，多个线程可以共享一个target对象，非常适合多线程处理同一份资源的情形。但是编程稍微复杂，如果需要访问当前线程，必须调用Thread.currentThread()方法。
  2. 继承Thread类的线程类不能再继承其他父类（Java单继承决定）。使用这种方式创建线程类时，每次都会创建一个新的线程类对象，因此多线程之间无法共享线程类的实例变量。

注：一般推荐采用实现接口的方式来创建多线程

（2）Callable与Runnable区别
Callable执行call()方法可以有返回值，并且可以声明抛出异常

boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：视图取消该Future里面关联的Callable任务
V get()：返回Callable里call（）方法的返回值，调用这个方法会导致程序阻塞，必须等到子线程结束后才会得到返回值
V get(long timeout,TimeUnit unit)：返回Callable里call（）方法的返回值，最多阻塞timeout时间，经过指定时间没有返回抛出TimeoutException
boolean isDone()：若Callable任务完成，返回True
boolean isCancelled()：如果在Callable任务正常完成前被取消，返回True

线程的生命周期

Java基础整理：多线程相关
注：

  1. 已经死亡的线程无法调用start()方法使其重新启动。
  2. 只能对新建（new）的线程调用start()进入就绪状态，且直客调用一次。就绪状态不等于立刻运行，何时运行由系统线程调度决定。
  3. 运行态的线程受系统线程调度并发执行。

线程状态控制方法

sleep()

Thread类的静态方法，用于让当前正在执行的线程暂停一段时间，并进入阻塞状态，直到休眠时间结束，才进入就绪态。sleep将给其他线程执行机会，不理会其优先级。

Thread.sleep(1000); //暂停1000ms

注：与Object类方法Wait()的区别：

  1. sleep,wait调用后都会暂停当前线程并让出cpu的执行时间，但不同的是sleep不会释放当前持有的对象的锁资源，到时间后会继续执行，而wait会放弃所有锁并需要notify/notifyAll后重新获取到对象锁资源后才能继续执行。
  2. sleep可以在任何地方使用，而wait只能在同步方法或者同步块中使用。
  3. sleep需要捕获或者抛出异常，而wait/notify/notifyAll不需要。

yield()

Thread类的静态方法，也可以当前正在执行的线程暂停，但不进入阻塞状态，而是直接转入就绪状态。当某线程调用yield方法暂停之后，只有优先级大于等于该线程并处于就绪状态的线程可以运行。因此，可能出现某线程调用yield方法暂停后，调度器又将其调度出来重新执行的情况。
此外，与sleep不同，yield没有声明抛出异常。

join()

t.join()方法阻塞调用此方法的线程(calling thread)，直到线程t完成，此线程再继续；通常用于在main()主线程内，等待其它线程完成再结束main()主线程。

死锁

死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，（T1占用A，想要B，T2占用B想要A）若无外力作用，它们都将无法推进下去。死锁会让你的程序挂起无法完成任务，死锁的发生必须满足以下四个条件：
• 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
• 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
• 不剥夺条件：进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。
• 循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
避免死锁最简单的方法就是阻止循环等待条件，将系统中所有的资源设置标志位、排序，规定所有的进程申请资源必须以一定的顺序（升序或降序）做操作来避免死锁。

线程同步

Synchronized

特点

  1. java中的一个关键字，是Java的内置特性，在JVM层面实现了对临界资源的同步互斥访问。
  2. 锁的释放由虚拟机来完成，不用人工干预，不过此即使缺点也是优点，优点是不用担心会造成死锁，缺点是由可能获取到锁的线程阻塞（由于要等待IO或者其他原因）之后其他线程会一直等待，性能不高。
    JVM释放锁的条件：
    1）获取锁的线程执行完了该代码块，然后线程释放对锁的占有；
    2）线程执行发生异常，此时JVM会让线程自动释放锁。
  3. 同一时刻不管是读还是写都只能有一个线程对共享资源操作，其他线程只能等待。
  4. 不可中断，尝试获取锁时不能中途取消。
  5. 不公平，可重入

原理

monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因。当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。在Java虚拟机(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor实现的，ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表( 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象)，_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程，当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 _EntryList 集合，当线程获取到对象的monitor 后进入 _Owner 区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程同时monitor中的计数器count加1，若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSe t集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。
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Contention List：所有请求锁的线程将被首先放置到该竞争队列

Entry List：Contention List中那些有资格成为候选人的线程被移到Entry List

Wait Set：那些调用wait方法被阻塞的线程被放置到Wait Set

OnDeck：任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁，该线程称为OnDeck

Owner：获得锁的线程称为Owner

应用方法

synchronized关键字最主要有以下3种应用方式（锁住的总是对象）

  1. 修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁
  2. 修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁
  3. 修饰代码块，指定加锁对象，synchronized(instance)对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁
// 修饰实例方法
public synchronized void method()
{
   // todo
}

// 修饰静态方法
public synchronized static void method() {
   // todo
}

// 修饰代码块
public static void test() {
		//类锁
		synchronized (A.class) {
			System.out.println("haha");
		}
	}
	public void test2() {
		//实例锁
		synchronized (this) {
			System.out.println("haha");
		}
	}

等待唤醒机制

所谓等待唤醒机制主要指的是notify/notifyAll和wait方法，在使用这3个方法时，必须处于synchronized代码块或者synchronized方法中，否则就会抛出IllegalMonitorStateException异常，这是因为调用这几个方法前必须拿到当前对象的监视器monitor对象，也就是说notify/notifyAll和wait方法依赖于monitor对象，在前面的分析中，我们知道monitor 存在于对象头的Mark Word 中(存储monitor引用指针)，而synchronized关键字可以获取 monitor，这也就是为什么notify/notifyAll和wait方法必须在synchronized代码块或者synchronized方法调用的原因。

Lock

特点

  1. Lock是一个类
  2. Lock必须手动释放锁（Finally（）中），不然容易造成线程死锁
  3. 通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。这个是synchronized无法办到的。Lock也可以使得多个线程都只是进行读操作时，线程之间不会发生冲突。
  4. 可公平，可重入

其中，常用的ReentrantLock（可重入锁）特点具体如下：

  1. 等待可中断：当持有锁的线程长期不释放锁时，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情，它对处理执行时间非常上的同步块很有帮助。
  2. 可实现公平锁：多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序排队等待，而非公平锁则不保证这点，在锁释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中的锁时非公平锁，ReentrantLock默认情况下也是非公平锁，但可以通过构造方法ReentrantLock（ture）来要求使用公平锁。
  3. 锁可以绑定多个条件：ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象（名曰：条件变量或条件队列），而在synchronized中，锁对象的wait（）和notify（）或notifyAll（）方法可以实现一个隐含条件，但如果要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无需这么做，只需要多次调用newCondition（）方法即可。而且我们还可以通过绑定Condition对象来判断当前线程通知的是哪些线程（即与Condition对象绑定在一起的其他线程）。

应用方法

private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

lock.lock();
try
{
	//需要同步的代码...
}
finally{
	lock.unlock();
}

等待唤醒机制

private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition cond = lock.newCondition();

lock.lock();
...
cond.await();
...
cond.signalAll();
...
lock.unlock();

线程池

作用

如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率，因为频繁创建线程和销毁线程需要时间。JAVA通过线程池使得线程可以复用，就是执行完一个任务，并不被销毁，而是可以继续执行其他的任务。

执行逻辑

  1. 如果当前worker（线程池中的线程被封装成worker）数量小于corePoolSize，则新建一个worker并把当前任务分配给该worker线程，成功则返回。
  2. 如果第一步失败，则尝试把任务放入阻塞队列，如果成功则返回，且该任务会等待空闲线程将其取出去执行。
  3. 如果第二步失败（一般是阻塞队列满了），则判断如果当前worker数量小于maximumPoolSize，则新建一个worker并把当前任务分配给该worker线程，成功则返回。
  4. 如果第三步失败，则调用拒绝策略处理该任务。

当线程池中的线程数量大于 corePoolSize时，如果某线程空闲时间超过keepAliveTime，线程将被终止，直至线程池中的线程数目不大于corePoolSize；如果允许为核心池中的线程设置存活时间，那么核心池中的线程空闲时间超过keepAliveTime，线程也会被终止。

线程的启动和关闭

ThreadPoolExecutor → AbstractExecutorService（抽象类）→ ExecutorService（接口）→ Executor（顶层接口）

默认情况下，创建线程池之后，线程池中是没有线程的，需要提交任务之后才会创建线程。

  1. execute()方法实际上是Executor中声明的方法，在ThreadPoolExecutor进行了具体的实现，，通过这个方法可以向线程池提交一个任务，交由线程池去执行。
  2. submit()方法是在ExecutorService中声明的方法，在AbstractExecutorService就已经有了具体的实现，在ThreadPoolExecutor中并没有对其进行重写，这个方法也是用来向线程池提交任务的，但是它和execute()方法不同，它能够返回任务执行的结果（返回持有计算结果的Future对象）
  3. shutdown()：不会立即终止线程池，而是要等所有任务缓存队列中的任务都执行完后才终止，但再也不会接受新的任务
  4. shutdownNow()：立即终止线程池，并尝试打断正在执行的任务，并且清空任务缓存队列，返回尚未执行的任务

线程池的种类

  1. newCachedThreadPool 方法，它创建了一个可缓存的线程池，如果线程池的长度超过处理需要，它可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。
  2. newScheduledThreadPool 方法，它创建了一个定长线程池，支持定时及周期性的任务执行。
  3. newFixedThreadPool 方法，它创建了一个定长线程池，可以控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
  4. newSingleThreadExecutor 方法，它创建了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，保证所有的任务按照指定的顺序(FIFO, LIFO, 优先级)来执行的。

合理配置线程池大小

  1. 如果是CPU密集型任务，就需要尽量压榨CPU，参考值可以设为 NCPU+1
    因为CPU密集型任务CPU的使用率很高，若开过多的线程，只能增加线程上下文的切换次数，带来额外的开销
  2. 如果是IO密集型任务，参考值可以设置为2*NCPU
    IO密集型CPU使用率不高，可以让CPU等待IO的时候处理别的任务，充分利用cpu时间

线程等待时间所占比例越高，需要越多线程。线程CPU时间所占比例越高，需要越少线程。
比如平均每个线程CPU运行时间为0.5s，而线程等待时间（非CPU运行时间，比如IO）为1.5s，CPU核心数为8，那么根据上面这个公式估算得到：((0.5+1.5)/0.5)8=32。
这个公式进一步转化为：
最佳线程数目 = （线程等待时间与线程CPU时间之比 + 1） CPU数目

ThreadLocal

概念

用于避免多个线程对共享资源（变量）的竞争
当使用ThreadLocal维护变量的时候 为每一个使用该变量的线程提供一个独立的变量副本，即每个线程内部都会有一个该变量，这样同时多个线程访问该变量并不会彼此相互影响，因此他们使用的都是自己从内存中拷贝过来的变量的副本， 这样就不存在线程安全问题，也不会影响程序的执行性能。
但是要注意，虽然ThreadLocal能够解决上面说的问题，但是由于在每个线程中都创建了副本，所以要考虑它对资源的消耗，比如内存的占用会比不使用ThreadLocal要大。

原理

Thread 在内部是通过ThreadLocalMap来维护ThreadLocal变量表， 在Thread类中有一个threadLocals 变量，是ThreadLocalMap类型的，它就是为每一个线程来存储自身的ThreadLocal变量的， ThreadLocalMap是ThreadLocal类的一个内部类，这个Map里面的最小的存储单位是一个Entry， 它使用ThreadLocal对象作为key， 要存储的变量值作为 value，所以在每一个线程里面，可能存在着多个ThreadLocal变量

用途

数据库连接、Session管理

public class ConnectionManager {
    private static ThreadLocal<Connection> connThreadLocal = new ThreadLocal<Connection>();
    public static Connection getConnection() {
        if(connThreadLocal.get() != null)
            return connThreadLocal.get();
        
        //获取一个连接并设置到当前线程变量中
        Connection conn = getConnection();
        connThreadLocal.set(conn);
        return conn;
    }
}

弱引用问题

当线程没有结束，但是ThreadLocal已经被回收，则可能导致线程中存在ThreadLocalMap<null, Object>的键值对，造成内存泄露。（ThreadLocal被回收，ThreadLocal关联的线程共享变量还存在）。
虽然ThreadLocal的get，set方法可以清除ThreadLocalMap中key为null的value，但是get，set方法在内存泄露后并不会必然调用，所以为了防止此类情况的出现，我们有两种手段。
1、使用完线程共享变量后，显示调用ThreadLocalMap.remove方法清除线程共享变量；
2、JDK建议ThreadLocal定义为private static，这样ThreadLocal的弱引用问题则不存在了。

volatile

并发编程中的三个特性

  1. 原子性
    　即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。一个很经典的例子就是银行账户转账问题
  2. 可见性
    　可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
  3. 有序性
    　即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

volatile关键字的两层语义

1） 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
原理：

  1. 使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；
  2. 使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；
  3. 由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。那么在线程2修改stop值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。

2） 禁止进行指令重排序，即：

  1. 当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
  2. 在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。
    底层原理：　加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令，其相当于一个内存屏障（也成内存栅栏）

volatile不保证原子性

i++操作的非原子性：当线程执行这个语句时，1）会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存当中，2）然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，3）最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。

volatile只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。

例：假如某个时刻变量inc的值为10
　　线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；
　　然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。
　　然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。
　　那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1。

fork/join 模型

forkjoinpool支持将一个任务拆分成多个小任务并行计算，再把多个小任务的结果并成总的计算结果
举例来说：对超过1000万个元素的数组进行排序，这种任务本身可以并发执行，但如何拆解成小任务需要在任务执行的过程中动态拆分。这样，大任务可以拆成小任务，小任务还可以继续拆成更小的任务，最后把任务的结果汇总合并，得到最终结果，这种模型就是Fork/Join模型。

class SumTask extends RecursiveTask<Long> {
    static final int THRESHOLD = 100;
    long[] array;
    int start;
    int end;

    SumTask(long[] array, int start, int end) {
    this.array = array;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }
    protected Long compute() {
        if (end - start <= THRESHOLD) {
            // 如果任务足够小,直接计算:
            long sum = 0;
            for (int i = start; i < end; i++) {
                sum += array[i];
            }
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
            }
            return sum;
        }
        // 任务太大,一分为二:
        int middle = (end + start) / 2;
        SumTask subtask1 = new SumTask(this.array, start, middle); //建两个小任务
        SumTask subtask2 = new SumTask(this.array, middle, end);
        invokeAll(subtask1, subtask2); //N-1个任务会使用fork()交给其它线程执行，但是，它还会留一个任务自己执行
        Long subresult1 = subtask1.join(); 
        Long subresult2 = subtask2.join();
        Long result = subresult1 + subresult2;
);
        return result;
    }
}

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