java线程简介

  • Java编写的程序都运行在在Java虚拟机（JVM）中
  • 每用java命令启动一个java应用程序，就会启动一个JVM进程。在同一个JVM进程中，有且只有一个进程，就是它自己。
  • 在这个JVM环境中，所有程序代码的运行都是以线程来运行的。
  • JVM找到程序程序的入口点main()，然后运行main()方法，这样就产生了一个线程，这个线程称之为主线程。当main方法结束后，主线程运行完成。JVM进程也随即退出。
  • 所以一个应用程序只对应着一个进程，但是可以包含多个线程，所以Java应用程序不存在多进程

java内存模型

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线程通信

  • 线程 A 把本地内存 A 中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
  • 线程 B 到主内存中去读取线程 A 之前已更新过的共享变量。

执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序

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  • 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
  • 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
  • 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读 / 写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行

JMM(java内存模型)本质上可以理解为，Java 内存模型规范了 JVM 如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。具体来说，这些方法包括：

  • volatile、synchronized 和 final 三个关键字
  • Happens-Before 规则

线程基础

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新建(New)：创建后尚未启动。

可运行(Runnable)：可能正在运行，也可能正在等待 CPU 时间片。包含了操作系统线程状态中的 Running 和 Ready。

阻塞(Blocking)：等待获取一个排它锁，如果其线程释放了锁就会结束此状态。

无限期等待(Waiting)：等待其它线程显式地唤醒，否则不会被分配 CPU 时间片。

限期等待(Timed Waiting)：

无需等待其它线程显式地唤醒，在一定时间之后会被系统自动唤醒。

调用 Thread.sleep() 方法使线程进入限期等待状态时，常常用“使一个线程睡眠”进行描述。调用 Object.wait() 方法使线程进入限期等待或者无限期等待时，常常用“挂起一个线程”进行描述。睡眠和挂起是用来描述行为，而阻塞和等待用来描述状态。阻塞和等待的区别在于，阻塞是被动的，它是在等待获取一个排它锁。而等待是主动的，通过调用 Thread.sleep() 和 Object.wait() 等方法进入。

进入方法退出方法是否为无限期等待
没有设置 Timeout 参数的 Object.wait() 方法时间结束 / Object.notify() / Object.notifyAll()是/可控制
没有设置 Timeout 参数的 Thread.join() 方法时间结束 / 被调用的线程执行完毕是/可控制
LockSupport.park() 方法是
Thread.sleep() 方法时间结束可控制
LockSupport.parkNanos() 方法
LockSupport.parkUntil() 方法

死亡(Terminated)：可以是线程结束任务之后自己结束，或者产生了异常而结束

线程使用方式

实现

有三种使用线程的方法:

  • 实现 Runnable 接口；需要实现 run() 方法；通过 Thread 调用 start() 方法来启动线程。
  • 实现 Callable 接口；与 Runnable 相比，Callable 可以有返回值，返回值通过 FutureTask 进行封装。
  • 继承 Thread 类；同样也是需要实现 run() 方法，因为 Thread 类也实现了 Runable 接口。

实现 Runnable 和 Callable 接口的类只能当做一个可以在线程中运行的任务，不是真正意义上的线程，因此最后还需要通过 Thread 来调用。可以说任务是通过线程驱动从而执行的。

实现接口会更好一些，因为:

Java 不支持多重继承，因此继承了 Thread 类就无法继承其它类，但是可以实现多个接口

类可能只要求可执行就行，继承整个 Thread 类开销过大。

基础线程机制

Executor

Executor 管理多个异步任务的执行，而无需程序员显式地管理线程的生命周期。这里的异步是指多个任务的执行互不干扰，不需要进行同步操作

主要有三种 Executor:

  • CachedThreadPool: 一个任务创建一个线程；
  • FixedThreadPool: 所有任务只能使用固定大小的线程；
  • SingleThreadExecutor: 相当于大小为 1 的 FixedThreadPool。

Daemon

守护线程是程序运行时在后台提供服务的线程，不属于程序中不可或缺的部分。

当所有非守护线程结束时，程序也就终止，同时会杀死所有守护线程。

main() 属于非守护线程。

使用 setDaemon() 方法将一个线程设置为守护线程。

sleep()

Thread.sleep(millisec) 方法会休眠当前正在执行的线程，millisec 单位为毫秒。

sleep() 可能会抛出 InterruptedException，因为异常不能跨线程传播回 main() 中，因此必须在本地进行处理。线程中抛出的其它异常也同样需要在本地进行处理。

yield()

对静态方法 Thread.yield() 的调用声明了当前线程已经完成了生命周期中最重要的部分，可以切换给其它线程来执行。该方法只是对线程调度器的一个建议，而且也只是建议具有相同优先级的其它线程可以运行。

线程异常和中断

InterruptedException

通过调用一个线程的 interrupt() 来中断该线程，如果该线程处于阻塞、限期等待或者无限期等待状态，那么就会抛出 InterruptedException，从而提前结束该线程。但是不能中断 I/O 阻塞和 synchronized 锁阻塞。

对于以下代码，在 main() 中启动一个线程之后再中断它，由于线程中调用了 Thread.sleep() 方法，因此会抛出一个 InterruptedException，从而提前结束线程，不执行之后的语句。

interrupted()

如果一个线程的 run() 方法执行一个无限循环，并且没有执行 sleep() 等会抛出 InterruptedException 的操作，那么调用线程的 interrupt() 方法就无法使线程提前结束。

但是调用 interrupt() 方法会设置线程的中断标记，此时调用 interrupted() 方法会返回 true。因此可以在循环体中使用 interrupted() 方法来判断线程是否处于中断状态，从而提前结束线程。

Executor 的中断操作

调用 Executor 的 shutdown() 方法会等待线程都执行完毕之后再关闭，但是如果调用的是 shutdownNow() 方法，则相当于调用每个线程的 interrupt() 方法。

以下使用 Lambda 创建线程，相当于创建了一个匿名内部线程。

如果只想中断 Executor 中的一个线程，可以通过使用 submit() 方法来提交一个线程，它会返回一个 Future<?> 对象，通过调用该对象的 cancel(true) 方法就可以中断线程。

Future<?> future = executorService.submit(() -> {
    // ..
});
future.cancel(true);

线程互斥同步

Java 提供了两种锁机制来控制多个线程对共享资源的互斥访问，第一个是 JVM 实现的 synchronized，而另一个是 JDK 实现的 ReentrantLock。

synchronized

它只作用于同一个对象，如果调用两个对象上的同步代码块，就不会进行同步。

对于以下代码，使用 ExecutorService 执行了两个线程，由于调用的是同一个对象的同步代码块，因此这两个线程会进行同步，当一个线程进入同步语句块时，另一个线程就必须等待。

ReentrantLock

ReentrantLock 类是 java.util.concurrent(J.U.C)包中的锁。

Lock lock =new ReentrantLock();//创建锁

lock.lock();//上锁

总结

1. 锁的实现

synchronized 是 JVM 实现的，而 ReentrantLock 是 JDK 实现的。

2. 性能

新版本 Java 对 synchronized 进行了很多优化，例如自旋锁等，synchronized 与 ReentrantLock 大致相同。

3. 等待可中断

当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情。

ReentrantLock 可中断，而 synchronized 不行。

4. 公平锁

公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁。

synchronized 中的锁是非公平的，ReentrantLock 默认情况下也是非公平的，但是也可以是公平的。

5. 锁绑定多个条件

一个 ReentrantLock 可以同时绑定多个 Condition 对象。

除非需要使用 ReentrantLock 的高级功能，否则优先使用 synchronized。这是因为 synchronized 是 JVM 实现的一种锁机制，JVM 原生地支持它，而 ReentrantLock 不是所有的 JDK 版本都支持。并且使用 synchronized 不用担心没有释放锁而导致死锁问题，因为 JVM 会确保锁的释放。

线程之间的协作

当多个线程可以一起工作去解决某个问题时，如果某些部分必须在其它部分之前完成，那么就需要对线程进行协调

join()

在线程中调用另一个线程的 join() 方法，会将当前线程挂起，而不是忙等待，直到目标线程结束。

对于以下代码，虽然 b 线程先启动，但是因为在 b 线程中调用了 a 线程的 join() 方法，b 线程会等待 a 线程结束才继续执行，因此最后能够保证 a 线程的输出先于 b 线程的输出。

wait() notify() notifyAll()

调用 wait() 使得线程等待某个条件满足，线程在等待时会被挂起，当其他线程的运行使得这个条件满足时，其它线程会调用 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程。

它们都属于 Object 的一部分，而不属于 Thread。

只能用在同步方法或者同步控制块中使用，否则会在运行时抛出 IllegalMonitorStateExeception。

使用 wait() 挂起期间，线程会释放锁。这是因为，如果没有释放锁，那么其它线程就无法进入对象的同步方法或者同步控制块中，那么就无法执行 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程，造成死锁。

wait() 和 sleep() 的区别

  • wait() 是 Object 的方法，而 sleep() 是 Thread 的静态方法；
  • wait() 会释放锁，sleep() 不会。

await() signal() signalAll()

java.util.concurrent 类库中提供了 Condition 类来实现线程之间的协调，可以在 Condition 上调用 await() 方法使线程等待，其它线程调用 signal() 或 signalAll() 方法唤醒等待的线程。相比于 wait() 这种等待方式，await() 可以指定等待的条件，因此更加灵活。

使用 Lock 来获取一个 Condition 对象。

Java中所有的锁

乐观锁 VS 悲观锁

乐观锁在Java中是通过使用无锁编程来实现，最常采用的是CAS算法，Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。

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  • 悲观锁适合写操作多的场景 ，先加锁可以保证写操作时数据正确。
  • 乐观锁适合读操作多的场景 ，不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅提升。

自旋锁 VS 适应性自旋锁

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无锁 VS 偏向锁 VS 轻量级锁 VS 重量级锁

偏向锁通过对比Mark Word解决加锁问题，避免执行CAS操作。

轻量级锁是通过用CAS操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能。

重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞

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公平锁 VS 非公平锁

公平锁，多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁。确保了每个线程都可以执行，但是限制了吞吐率

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非公平锁是多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。

非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。

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可重入锁 VS 非可重入锁

可重入锁又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，再进入该线程的内层方法会自动获取锁（前提锁对象得是同一个对象或者class），ReentrantLock和synchronized都是重入锁

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NonReentrantLock非可重入锁，

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ReentrantLock和NonReentrantLock都继承父类AQS，其父类AQS中维护了一个同步状态status来计数重入次数，status初始值为0

ReentrantLock代码

可重入锁先尝试获取并更新status值，如果status == 0表示没有其他线程在执行同步代码，则把status置为1，当前线程开始执行。如果status != 0，则判断当前线程是否是获取到这个锁的线程，如果是的话执行status+1，且当前线程可以再次获取锁

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
}
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
	//获取锁时先判断，如果当前线程就是已经占据锁的线程则status+1，并返回true
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
	throw new Error("Maximum lock count exceeded");
	setState(nextc);
        return true;
}
    return false;
}
//释放锁时也先判断当前线程是否是已经占有锁的线程，判断status为0释放锁
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
    setState(c);
    return free;
}

NonReentrantLock，非可重入锁是直接去获取并尝试更新当前status的值，如果status != 0的话会导致其获取锁失败，当前线程阻塞

protected boolean tryAcquire(int arg) {
            assert arg == 1;//如果state为0，则尝试获取锁
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }
protected boolean tryRelease(int arg) {
            assert arg == 1;//如果state为0，则尝试获取锁
            if (getState() == 0) {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }

独享锁(排他锁) VS 共享锁

独享锁也叫排他锁 ，是指该锁一次只能被一个线程所持有。如果线程T对数据A加上排它锁后，则其他线程不能再对A加任何类型的锁。获得排它锁的线程即能读数据又能修改数据。JDK中的synchronized和JUC中Lock的实现类就是互斥锁。

共享锁是指该锁可被多个线程所持有。如果线程T对数据A加上共享锁后，则其他线程只能对A再加共享锁，不能加排它锁。获得共享锁的线程只读数据，不能修改数据。

通过ReentrantReadWriteLock实现 有两把锁：ReadLock和WriteLock

 public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
	//初始化锁
        readerLock = new ReadLock(this);
        writerLock = new WriteLock(this);
    }
public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; }
public ReentrantReadWriteLock.ReadLock  readLock()  { return readerLock; }

读锁   Sync是AQS的一个子类
class ReadLock
protected ReadLock(ReentrantReadWriteLock lock) {
            sync = lock.sync;
        }
写锁
class WriteLock 
protected WriteLock(ReentrantReadWriteLock lock) {
            sync = lock.sync;
        }

读锁是共享锁，写锁是独享锁。读锁的共享锁可保证并发读非常高效，而读写、写读、写写的过程互斥，因为读锁和写锁是分离的。所以ReentrantReadWriteLock的并发性相比一般的互斥锁有了很大提升。

关键字: volatile、synchronized 和 final

Synchronized

在应用Sychronized关键字时需要把握如下注意点：

  • 一把锁只能同时被一个线程获取，没有获得锁的线程只能等待；
  • 每个实例都对应有自己的一把锁(this),不同实例之间互不影响；例外：锁对象是*.class以及synchronized修饰的是static方法的时候，所有对象公用同一把锁
  • synchronized修饰的方法，无论方法正常执行完毕还是抛出异常，都会释放锁

对象锁

包括方法锁(默认锁对象为this,当前实例对象)和同步代码块锁(自己指定锁对象)

代码块形式：手动指定锁定对象，也可是是this,也可以是自定义的锁

 // 同步代码块形式——锁为this,两个线程使用的锁是一样的,线程1必须要等到线程0释放了该锁后，才能执行
        synchronized (this) {
            System.out.println("我是线程" + Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
        }

方法锁形式：synchronized修饰普通方法，锁对象默认为this

类锁

指synchronize修饰静态的方法或指定锁对象为Class对象

synchronize修饰静态方法

Synchronized原理分析

加锁和释放锁的原理

使用javap反编译查看.class文件的信息

>javap -verbose SynchronizedDemo.class

会看到文件里的 monitorenter和 monitorexit指令，会让对象在执行，使其锁计数器加1或者减1。每一个对象在同一时间只与一个monitor(锁)相关联，而一个monitor在同一时间只能被一个线程获得，在尝试获得与这个对象相关联的Monitor锁的所有权的时候，monitorenter指令会发生如下3中情况之一：

  • monitor计数器为0，意味着目前还没有被获得，那这个线程就会立刻获得然后把锁计数器+1，一旦+1，别的线程再想获取，就需要等待
  • 如果这个monitor已经拿到了这个锁的所有权，又重入了这把锁，那锁计数器就会累加，变成2，并且随着重入的次数，会一直累加
  • 这把锁已经被别的线程获取了，等待锁释放

monitorexit指令：释放对于monitor的所有权，释放过程很简单，就是讲monitor的计数器减1，如果减完以后，计数器不是0，则代表刚才是重入进来的，当前线程还继续持有这把锁的所有权，如果计数器变成0，则代表当前线程不再拥有该monitor的所有权，即释放锁。

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可重入原理：加锁次数计数器

可重入 ：（来源于维基百科）若一个程序或子程序可以“在任意时刻被中断然后操作系统调度执行另外一段代码，这段代码又调用了该子程序不会出错”，则称其为可重入（reentrant或re-entrant）的。即当该子程序正在运行时，执行线程可以再次进入并执行它，仍然获得符合设计时预期的结果。与多线程并发执行的线程安全不同，可重入强调对单个线程执行时重新进入同一个子程序仍然是安全的。

可重入锁：又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，再进入该线程的内层方法会自动获取锁（前提锁对象得是同一个对象或者class），不会因为之前已经获取过还没释放而阻塞。

Last Updated:
Contributors: 任韩