读《Java并发编程的艺术》

Posted 2020-09-19 轩宇一页

上篇博客开始，我们接触了一些有关Java多线程的基本概念。这篇博客开始，我们就正式的进入了Java多线程的实战演练了。实战演练不仅仅是贴代码，也会涉及到相关概念和术语的讲解。

线程的状态

程的状态分为：新生，可运行，运行，阻塞，死亡5个状态。如下图：

状态说明：

• 新生(new):线程对象刚创建，但尚未启动。
• 可运行(Runnable):线程创建完毕，并调用了start()方法，虽然调用了start()，但是并不一定意味着线程会立即执行，还需要CPU的时间调度。线程此时的状态就是可运行状态。
• 运行:线程等到了CPU的时间调度，此时线程状态转为运行状态。
• 阻塞(Blocked):线程由于某种原因被阻碍了，但是此时线程还处于可运行状态。调度机制可以简单的跳过它，不给它分配任何CPU时间。

其他状态比较简单，阻塞状态是其中比较有意思的。造成线程阻塞的原因有：

1. 调用sleep(毫秒数)，使线程进入"睡眠"状态。在规定的毫秒数内，线程不会被执行，使用sleep()使线程进入睡眠状态，但是此时并不会放弃所持有的锁，其他线程此时并不能访问被锁住的对象。sleep()可使优先级低的线程得到执行的机会，当然也可以让同优先级和高优先级的线程有执行的机会。
2. 调用suspend()暂停线程的执行，除非收到resume()消息，否则不会返回"可运行"状态。强烈建议不要使用这种方式。
3. 用wait()暂停了线程的执行，除非线程收到notify()或者notifyAll()消息，否则不会变成"可运行"状态。这个方法是Object类中的方法。使用wait()方法，不仅让线程休眠，同时还暂时放弃了其所持有的锁，如果需要使线程暂停休眠，可使用interrupt()方法。虽说wait()放弃了锁，但是在恢复的时候，还得把锁还回来。如何还？
   1. 在wait()中设置参数，比如wait(1000)，以毫秒为单位，就表明只借出去1秒中，一秒钟之后，自动收回。
   2. 让借用的线程通知该线程，用完就还。这时，该线程马上就收锁。比如：我设了1小时之后收回，其他线程只用了半小时就完了，那怎么办呢？当然用完了就收回了，不用管我设的是多长时间。别的线程如何通知？就是上面说的使用notify()或者notifyAll()。
4. 调用yield()方法(Thread类中的方法)自动放弃CPU，让给其他线程。值得注意的是，该方法虽然放弃了CPU，但是还会有机会得到执行，甚至马上。yield()只能使同优先级的线程有执行的机会。
5. 线程正在等候一些IO操作。
6. 线程试图调用另一个对象的"同步"方法，但那个对象处于锁定状态，暂时无法使用。

下面是一个关于使用Object类中wait()和notify()方法的例子：

 1 /**
 2  * @author zhouxuanyu
 3  * @date 2017/05/17
 4  */
 5 public class ThreadStatus {
 6     
 7     private String flag[] = { "true" };
 8     
 9     public static void main(String[] args) {
10         System.out.println("main thread start...");
11         ThreadStatus threadStatus = new ThreadStatus();
12         WaitThread waitThread = threadStatus.new WaitThread();
13         NotifyThread notifyThread = threadStatus.new NotifyThread();
14         waitThread.start();
15         notifyThread.start();
16     }
17     
18     class NotifyThread extends Thread {
19         
20         @Override
21         public void run() {
22             synchronized (flag) {
23                 for (int i = 0; i < 5; i++) {
24                     try {
25                         sleep(1000);
26                     } catch (InterruptedException e) {
27                         e.printStackTrace();
28                     }
29                     System.out.println("NotifyThread.run()---" + i);
30                 }
31                 flag[0] = "false";
32                 flag.notify();
33             }
34         }
35     }
36     
37     class WaitThread extends Thread {
38         
39         @Override
40         public void run() {
41             //使用flag使得线程获得锁
42             synchronized (flag) {
43                 while (flag[0] != "false") {
44                     System.out.println("WaitThread.run.....");
45                     try {
46                         flag.wait();
47                     } catch (InterruptedException e) {
48                         e.printStackTrace();
49                     }
50                 }
51                 System.out.println("wait() end...");
52             }
53         }
54     }
55 }

上面的代码演示了如何使用wait()和notify()方法，代码释义：主线程执行，打印出main thread start.....语句当在main()中调用waitThread.start()之后，线程启动，执行run方法并获得flag的锁，并开始执行同步代码块中的代码，接下来调用wait()方法后，waitThead阻塞并让出flag锁，此时notifyThread获得flag锁，开始执行，每隔1s打印出对应的语句，循环结束后，将flag中的标志置为false并使用notify()唤醒waitThread线程，使得waitThread线程继续执行，打印出wait() end...此时程序结束。控制台打印结果如下：

线程优先级

每个线程都有一个优先级，在线程大量被阻塞时，程序会优先选择优先级较高的线程执行。但是不代表优先级低的线程不被执行，只是机会相对较小罢。getPriority()获取线程的优先级，setPriority()设置线程的优先级。线程默认的优先级为5。

并发容器和框架

hashmap原理

都知道hashmap是线程不安全的。为什么不安全？先看下hashmap的数据结构:

在JDK1.8之前，hashmap采用数组+链表的数据结构，如上图；而在JDK1.8时，其数据结构变为了数据+链表+红黑树。当链表长度超过8时，会自动转换为红黑树(抽时间复习红黑树，快忘记了！)，提高了查找效率。当向hashmap中添加元素时，hashmap内部实现会根据key值计算其hashcode，如果hashcode值没有重复，则直接添加到下一个节点。如果hashcode重复了，则会在重复的位置，以链表的方式存储该元素。JDK1.8源码分析:

 1     /** 
 2      * Associates the specified value with the specified key in thismap. 
 3      * If the map previously contained a mapping for the key, the old 
 4      * value is replaced. 
 5      * 
 6      */  
 7 public V put(K key, V value) {  
 8         return putVal(hash(key), key, value, false, true);  
 9     }  
10 static final int hash(Object key) {  
11         int h;  
12         //key的值为null时，hash值返回0，对应的table数组中的位置是0  
13         return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);  
14     }  
15   
16 /** 
17      * Implements Map.put and related methods 
18      * 
19      * @param hash hash for key 
20      * @param key the key 
21      * @param value the value to put 
22      * @param onlyIfAbsent if true, don\'t change existing value 
23      * @param evict if false, the table is in creation mode. 
24      * @return previous value, or null if none 
25  */  
26 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,  
27                    boolean evict) {  
28         Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;  
29 //先将table赋给tab，判断table是否为null或大小为0，若为真，就调用resize（）初始化  
30         if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)  
31             n = (tab = resize()).length;  
32 //通过i = (n - 1) & hash得到table中的index值，若为null，则直接添加一个newNode  
33         if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)  
34             tab[i] = newNode(hash, key, value, null);  
35         else {  
36         //执行到这里，说明发生碰撞，即tab[i]不为空，需要组成单链表或红黑树  
37             Node<K,V> e; K k;  
38             if (p.hash == hash &&  
39                 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))  
40 //此时p指的是table[i]中存储的那个Node，如果待插入的节点中hash值和key值在p中已经存在，则将p赋给e  
41                 e = p;  
42 //如果table数组中node类的hash、key的值与将要插入的Node的hash、key不吻合，就需要在这个node节点链表或者树节点中查找。  
43             else if (p instanceof TreeNode)  
44             //当p属于红黑树结构时，则按照红黑树方式插入  
45                 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);  
46             else {  
47     //到这里说明碰撞的节点以单链表形式存储，for循环用来使单链表依次向后查找  
48                 for (int binCount = 0; ; ++binCount) {  
49         //将p的下一个节点赋给e，如果为null，创建一个新节点赋给p的下一个节点  
50                     if ((e = p.next) == null) {  
51                         p.next = newNode(hash, key, value, null);  
52         //如果冲突节点达到8个，调用treeifyBin(tab, hash)，这个treeifyBin首先回去判断当前hash表的长度，如果不足64的话，实际上就只进行resize，扩容table，如果已经达到64，那么才会将冲突项存储结构改为红黑树。  
53   
54                         if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st  
55                             treeifyBin(tab, hash);  
56                         break;  
57                     }  
58 //如果有相同的hash和key，则退出循环  
59                     if (e.hash == hash &&  
60                         ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))  
61                         break;  
62                     p = e;//将p调整为下一个节点  
63                 }  
64             }  
65 //若e不为null，表示已经存在与待插入节点hash、key相同的节点，hashmap后插入的key值对应的value会覆盖以前相同key值对应的value值，就是下面这块代码实现的  
66             if (e != null) { // existing mapping for key  
67                 V oldValue = e.value;  
68         //判断是否修改已插入节点的value  
69                 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)  
70                     e.value = value;  
71                 afterNodeAccess(e);  
72                 return oldValue;  
73             }  
74         }  
75         ++modCount;//插入新节点后，hashmap的结构调整次数+1  
76         if (++size > threshold)  
77             resize();//HashMap中节点数+1，如果大于threshold，那么要进行一次扩容  
78         afterNodeInsertion(evict);  
79         return null;  
80     }  

hashmap不安全的原因：上面分析了JDK源码，知道了put方法不是同步的，如果多个线程，在某一时刻同时操作HashMap并执行put操作，而有大于两个key的hash值相同，这个时候需要解决碰撞冲突，而解决冲突的办法采用拉链法解决碰撞冲突，对于链表的结构在这里不再赘述，暂且不讨论是从链表头部插入还是从尾部插入，这个时候两个线程如果恰好都取到了对应位置的头结点e1，而最终的结果可想而知，这两个数据中势必会有一个会丢失。同理，hashmap扩容的方法也如此，当多个线程同时检测到总数量超过门限值的时候就会同时调用resize操作，各自生成新的数组并rehash后赋给该map底层的数组table，结果最终只有最后一个线程生成的新数组被赋给table变量，其他线程的均会丢失。而且当某些线程已经完成赋值而其他线程刚开始的时候，就会用已经被赋值的table作为原始数组，这样也会有问题。

hashtable原理

HashTable容器使用synchronized来保证线程安全，但在线程竞争激烈的情况下HashTable的效率非常低下。因为当一个线程访问HashTable的同步方法，其他线程也访问HashTable的同步方法时，会进入阻塞或轮询状态。如线程1使用put进行元素添加，线程2不但不能使用put方法添加元素，也不能使用get方法来获取元素，所以竞争越激烈效率越低。

ConcurrentHashMap登场

ConcurrentHashMap锁分段技术：HashTable容器在竞争激烈的并发环境下表现出效率低下的原因是所有访问HashTable的线程都必须竞争同一把锁，假如容器里有多把锁，每一把锁用于锁容器其中一部分数据，那么当多线程访问容器里不同数据段的数据时，线程间就不会存在锁竞争，从而可以有效提高并发访问效率，这就是ConcurrentHashMap所使用的锁分段技术。首先将数据分成一段一段地存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问。以下是ConcurrentHashMap的数据结构：

ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成。Segment是一种可重入锁（ReentrantLock），在ConcurrentHashMap里扮演锁的角色；HashEntry则用于存储键值对数据。一个ConcurrentHashMap里包含一个Segment数组。Segment的结构和HashMap类似，是一种数组和链表结构。一个Segment里包含一个HashEntry数组，每个HashEntry是一个链表结构的元素每Segment守护着一个HashEntry数组里的元素，当对HashEntry数组的数据进行修改时，必须首先获得与它对应的Segment锁。

Fork/Join框架

什么是Fork/Join框架？

Fork/Join框架是Java 7提供的一个用于并行执行任务的框架，是**一个把大任务分割成若干个小任务，最终汇总每个小任务结果后得到大任务结果的框架。**Fork就是把一个大任务切分为若干子任务并行的执行，Join就是合并这些子任务的执行结果，最后得到这个大任务的结果。比如计算1+2+…+10000，可以分割成10个子任务，每个子任务分别对1000个数进行求和，最终汇总这10个子任务的结果。如图:

工作窃取算法

工作窃取（work-stealing）算法是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。假如我们需要做一个比较大的任务，可以把这个任务分割为若干互不依赖的子任务，为了减少线程间的竞争，把这些子任务分别放到不同的队列里，并为每个队列创建一个单独的线程来执行队列里的任务，线程和队列一一对应。比如A线程负责处理A队列里的任务。但是，有的线程会先把自己队列里的任务干完，而其他线程对应的队列里还有任务等待处理。干完活的线程与其等着，不如去帮其他线程干活，于是它就去其他线程的队列里窃取一个任务来执行。而在这时它们会访问同一个队列，所以为了减少窃取任务线程和被窃取任务线程之间的竞争，通常会使用双端队列，被窃取任务线程永远从双端队列的头部拿任务执行，而窃取任务的线程永远从双端队列的尾部拿任务执行。如下图：

该篇文章主要记录一些关于线程中锁机制的基础，以及简单分析了一下HashMap，HashTable以及ConcurrentHashMap的相关原理，文章最后简单的涉及了一下Fork-Join框架，由于本周比较忙，所以还未深入学习，下篇博客将会使用Fork-Join框架写一些demo帮助理解。