Java多线程

Posted 2020-08-31 Jansens

同步（Synchrounous）和异步（Asynchrounous）

同步和异步通常用来形容一次方法调用。同步方法调用一旦开始，调用者必须等到方法调用返回后，才能继续后续的行为。异步方法调用更像一个消息传递，一旦开始，方法调用就会立即返回，调用者就可以继续后续的操作。而异步方法通常会在另一个线程中“真实”地执行。整个过程，不会阻碍调用者的工作。对调用者来说，异步调用似乎是一瞬间就完成的。如果异步调用需要返回结果，那么当异步调用真实完成时，则会通知调用者。

并发（Concurrency）和并行（Parallelism）

并发和并行往往被人所混淆。它们都可以表示两个或多个任务一起执行，但是偏重点有些不同。并发偏重于多个任务交替执行，而多个任务有可能还是串行。而并行则是真正意义上的“同时执行”。

严格来说，并行的多个任务是真实的同时执行，而对并发来说，这个过程这是交替的，一会儿运行任务A一会儿执行任务B，系统会不停地在两者间切换。但对于外部观察者来说，即使多个任务之间是串行并发的，也会造成多任务间是并行执行的错觉。

临界区

临界区用来表示一种公共资源或者共享数据，可以被多个线程使用。但是每一次，只有一个线程可以使它，一旦临界区资源被占用，其他线程要想使用资源，就必须等待。

阻塞（Blocking）和非阻塞（Non-Blocking）

阻塞和非阻塞通常用来形容多线程间的互相影响。比如一个线程占用了临界区资源，那么其他所有需要这个资源的线程就必须在这个临界区进行等待。等待会导致线程挂起，这种情况就是阻塞。 此时，如果占用资源的线程一直不愿意释放资源，那么其他所有的阻塞在这个临界区上的线程都不能工作。

死锁（DeadLock）、饥饿（Starvation）和活锁（Livelock）

死锁、饥饿和活锁都属于多线程的活跃性问题，如果发生上述情况，那么相关线程可能就不再活跃，也就是说它可能很难继续往下执行了。

死锁应该是最糟糕的一种情况了，虽然别的情况也没有好到哪儿去。

• 死锁：多个线程互相等待多方释放资源而一直没有执行。

• 饥饿：一个或多个线程因为种种原因无法获取所得的需要资源，导致一直无法执行。导致的原因往往是当前线程优先级不高导致没有资源，或某线程一直占着关键资源不放。

• 活锁：多个线程都释放资源给别的线程使用，导致没有线程拿到资源而正常执行。

JMM特性一览

JMM的关键技术点都是围绕着多线程的原子性、可见性和有序性来建立的。因此我们首先需要来了解这些概念。

原子性（Atomicity）

原子性是指一个操作是不可中断的。即使是在多个线程一起执行的时候，一个人操作一旦开始，就不会被其他的线程干扰。

比如对一个静态全局变量int i，两个线程同时对它赋值，线程A给他赋值1，线程B给它赋值为-1.那么不管这么2个线程以合作方式、何种步调工作，i的值要么是1，要么是-1。线程A和B之间是没有干扰的。这就是原子性的一个特点，不可被中断。

可见性（Visibility）

可见性是指当一个线程修改了某一个共享变量的值，其他线程是否能够立即知道这个修改。显然，对于串行程序来说，可见性问题是不存在的。因为你在任何一个操作步骤中修改了某个变量，那么在后续的步骤中，读取这个变量的值，一定是修改后的新值。

有序性（Ordering）

有序性问题是三个问题中最难理解的。对于一个线程的执行代码而言，我们总是习惯地认为代码的执行是从先往后，依次执行。这么理解也不是说完全错误，因为就一个线程内而言，确实会表现成这样。但是，在并发时，程序的执行可能就会出现乱序。给人直观的感觉就是：写在前面的代码，会在后面执行。然而有序性的问题的原因因为是程序在执行时，可能会进行指令重排，重排后的指令与原指令的顺序未必一致。 那么在这里由于篇幅关系就不在展开介绍，有兴趣的读者可以自行搜索Java指令重排和CPU流水线等资料。

哪些指令不能重排——Happen-Before规则

虽然Java虚拟机和执行系统会对指令进行一定的重排，但是指令重排是有规则的，并非所有的指令都可以随便改变位置。原则基本包括以下：

1. 程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性

     a=1;
     b=a+1;
     //第二条语句依赖于第一条执行结果。所以不允许指令重排。

2. volatile规则：volatile变量的写，先发生与读，这保证了volatile变量的可见性。一般用volatile修饰的都是经常修改的对象。

3. 锁规则：解锁（unlock）必然发生在随后的加锁（lock）前

4. 传递性：A先于B，B先于C，那么A必然先于C

5. 线程的start（）方法先于它的每一个动作

6. 线程的所有操作先于线程的终结（Thread.join()）

7. 线程的中断（interrupt()）先于被中断线程的代码

8. 对象的构造函数执行、结束先于finalize()方法

Java多线程

线程所有的状态都在Thread.State枚举类中定义：

public enum State {
    /**
    * 表示刚刚创建的线程，这种线程还没开始执行。
    **/
    NEW,
    /**
    * 调用start()方法后，线程开始执行，处于RUNNABLE状态，
    * 表示线程所需要的一切资源以及准备好。
    **/
    RUNNABLE,
    /**
    * 当线程遇到synchronized同步块，就进入了BLOCKED阻塞状态。
    * 这时线程会暂停执行，直到获得请求的锁。
    **/
    BLOCKED,
    /**
    * WAITING和TIMED_WAITING都表示等待状态，他们是区别是WAITING表示进入一个无时间限制的等待
    * TIMED_WAITING会进入一个有时间限制的等待。
    * WAITING的状态正是在等待特殊的事件，如notify()方法。而通过join()方法等待的线程，则是等待目标线程的终止。
    * 一旦等到期望的时间，线程就会继续执行，进入RUNNABLE状态。
    * 当线程执行完后进入TERMINATED状态，表示线程执行结束。
    **/
    WAITING,
    TIMED_WAITING,
    TERMINATED;
}

线程的基本操作

新建线程

新建线程很简单。只要使用new关键字创建一个线程对象，并且将其start()起来即可。start()方法额就会新建一个线程并让这个线程执行run()方法。

常见就是有人直接对一个线程对象执行run()方法，那么只会在当前的线程中串行执行run()中的代码 。

最后要说的是，默认的Thread.run()就是直接调用内部的Runnable接口。因此，使用Runnable接口告诉线程该做什么，更为合理。

终止线程

Stop()方法是用不得的，会直接终止运行中的线程，并立刻释放锁。比如一个线程写数据到一般被中止，则会写坏。

那么最简单的方法可以考虑给线程做一个死循环，然后对一个类似Flag的变量进行判断，变量变化时退出循环。JDK所提供的线程中断也是类似于此。

线程中断

线程中断是重要的线程协作机制，中断就是让线程停止执行，但这个停止执行非stop()的暴力方式。JDK提供了更安全的支持，就是线程中断。
线程中断并不会使线程立即停止，而是给线程发送一个通知，告诉目标线程有人希望你退出。至于目标线程接到通知后什么时候停止，完全由目标线程自行决定。这点很重要，如果线程接到通知后立即退出，我们就又会遇到类似stop()方法的老问题。
与线程有关的三个方法，

1. 中断线程

2. void Thread.interrupt()

说明：Thread.interrupt() 是一个实例方法，他通知目标线程中断，也就是设置中断标志位。中断标志位表示当前线程已经被中断了。

1. 判断是否被中断

2. boolean Thread.isInterrupted()

说明：Thread.isInterrupted() 也是实例方法，他判断当前线程是否被中断（通过检查中断标志位）

1. 判断是否被中断，并清除当前中断状态

2. static boolean Thread.interrupted()

说明：Thread.interrupted() 是静态方法，判断当前线程的中断状态，但同时会清除当前线程的中断标志位状态。

Thread.sleep()方法会让当前线程休眠若干时间，它会抛出一个interruptedException中断异常。interruptedException是必须被捕获的——当线程在sleep时，如果被中断，这个异常就产生。

public class InterruptExample {

    public static void main(String [] a) throws InterruptedException{

        Thread t1 = new Thread("线程小哥 - 1 "){
            @Override
            public void run() {
                while (true){
                    /**
                     * 必须得判断是否接受到中断通知,如果不写退出方法,也无法将当前线程退出.
                     */
                    if (Thread.currentThread().isInterrupted()){
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Interrupted ... ");
                        break;
                    }

                    try {
                        /**
                         * 处理业务逻辑花费10秒.
                         * 而在这时,主线程发送了中断通知,当线程在sleep的时候如果收到中断
                         * 则会抛出InterruptedException,如果在异常中不处理,则线程不会中断.
                         *
                         */
                        Thread.sleep(10000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.out.println("线程在睡眠中遭到中断....");
                        /**
                         * 在sleep过程中,收到中断通知,抛出异常.可以直接退出线程.
                         * 但如果还需要处理其他业务,则需要重新中断自己.设置中断标记位.
                         * 这样在下次循环的时候 线程发现中断通知,才能正确的退出.
                         */
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }

                    Thread.yield();
                }
            }
        };

        t1.start();
        try {
            /**
             * 处理业务500毫秒
             * 然后发送中断通知,此时t1线程还在sleep中.
             */
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        /**
         * 给目标线程发送中断通知
         * 目标线程中必须有处理中断通知的代码
         * 否则,就算发送了通知,目标线程也无法停止.
         */
        t1.interrupt();
    }
}

等待（wait）和通知（notify）

为了支持多线程之间的协作，JDK提供了两个非常重要的等待方法wait()和nofity()方法。这两个方法并不是Thread类中的，而是Object类，这意味着任何对象都可以调用这两个方法。

这两个方法的签名如下：

public final void wait() throws InterruptedException
public final native void notify()

如果一个线程调用了object.wait()方法，那么这个线程就会停止执行而转为等待状态，进入obj对象的等待队列。这个等待队列可能有多个线程，因为系统运行多个线程同时等待同一个对象。其他线程调用obj.notify()方法时，它就会从等待队列中随机选择一个线程并将其唤醒。注意这个选择是不公平的，是随机的。

object.wait()方法并不是可以随便调用。它必须包含在对应的synchronized语句中。无论是wait还是notify都必须首先获得目标对象的一个监视器 。如下图，显示了wait()和nofity的工作流程细节。其中T1和T2表示两个线程。T1在正确执行wait方法后，首先必须获得object对象的监视器。而wait方法在执行后，会释放这个监视器，这样做的目的使得其他等待object对象上的线程不至于因为T1的休眠而全部无法正常执行。

线程T2在notify()调用前，也必须获得object的监听器。所幸，此时T1已经释放了这个监视器。因此，T2可以顺利获得object的监视器。接着，T2执行了notify()方法尝试唤醒一个等待线程，这里假设唤醒了T1。T1在被唤醒后，要做的第一件事并不是执行后续的代码，而是要尝试重新获得object的监视器。而这个监视器也正是T1在wait()方法执行前所持有的那个。如果暂时无法获得，T1还必须要等待这个监视器。当监视器顺利获得后，T1才可以真正意义上的继续执行。

注意：：Object.wait()和Thread.sleep()方法都可以让线程等待若干的时间。除了wait()可以被唤醒外，另一个最主要的区别就是wait()方法会释放目标对象的锁，而Thread.sleep()方法不会释放任何资源。

挂起（suspend）和继续执行（resume）线程

不推荐使用suspend()去挂起线程 的原因是因为suspend()在导致线程暂停的同时，并不会去释放任何资源。此时，其他任何线程都想访问它暂用的锁时，都会被导致牵连，导致无法正常运行。直到对应的线程上进行了resume()操作，被挂起的线程才能继续，从而其他所有阻塞在相关锁上的线程也可以继续执行。但是，如果resume()操作意外地在suspend()前就执行了，那么被挂起的线程可能就很难有机会被继续执行。并且，更严重的是：它锁占用的锁不会被释放，因此可能会导致整个操作系统工作不正常。而且，对于被挂起的线程，从它的线程上看状态，居然会是Runnable，这是最气的。

等待线程结束（join）和谦让（yield）

join的方法签名：

public final void join () throws InterruptedException //一直阻塞当前线程，直到目标线程执行完毕
public final synchronized void join (long millis) throws InterruptedException//和之前一样，不过增加了最大等待时间

public static native void yield();

这是一个静态方法，一旦执行，它会使当前线程让出CPU。但要注意，让出CPU并不表示当前线程不执行了。当前线程在让出CPU以后，还会进行CPU资源争夺，但是是否能够再次分配到就要看人品了。

如果你觉得一个线程不那么重要，或者优先级非常低，而且又害怕它会占用太多的CPU资源，那么可以在适当的时候调用Thread.yield()，给予其他重要线程更多的工作机会。

线程安全的概念与synchronized

并行程序开发的一大关注重点就是线程安全。一般来说，程序并行化就是为了获得更高的执行效率，但前提是，不能以牺牲正确性为代价。如果程序并行化以后，连基本的执行结果都无法保证，那么并行程序本身也就没有任何意义了。

volatile并不能真正的保障线程安全。它只能确保一个线程修改了数据后，其他线程能够看到这个改动。但当两个线程同时修改某一个数据时，却依然会产生冲突。

关键字synchronized的作用是实现线程间的同步。它的工作是对同步的代码加锁，使得每一次，只能有一个线程进入同步块，从而保证线程间的安全。

关键字synchronized可以有多种用法：

• 指定加锁对象：对给定对象加锁，进入同步代码前要获得给定对象的锁。

• 直接作用于实例方法：相当于对当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁。

• 直接作用于静态方法：相当于对当前类加锁，进入同步代码前要获得当前类的锁。