并发编程之线程共享和协作

Posted 2020-11-30

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本篇文章将从以下几个内容来阐述线程共享和协作:

[基础概念之CPU核心数、线程数，时间片轮转机制解读]
[线程之间的共享]
[线程间的协作]

一、基础概念

CPU核心数、线程数
两者的关系：cpu的核心数与线程数是1:1的关系，例如一个8核的cpu，支持8个线程同时运行。但在intel引入超线程技术以后，cpu与线程数的关系就变成了1:2。此外在开发过程中并没感觉到线程的限制，那是因为cpu时间片轮转机制（RR调度）的算法的作用。什么是cpu时间片轮转机制看下面1.2.

CPU时间片轮转机制
含义就是：cpu给每个进程分配一个“时间段”，这个时间段就叫做这个进程的“时间片”，这个时间片就是这个进程允许运行的时间，如果当这个进程的时间片段结束，操作系统就会把分配给这个进程的cpu剥夺，分配给另外一个进程。如果进程在时间片还没结束的情况下阻塞了，或者说进程跑完了，cpu就会进行切换。cpu在两个进程之间的切换称为“上下文切换”，上下文切换是需要时间的，大约需要花费5000~20000（5毫秒到20毫秒，这个花费的时间是由操作系统决定）个时钟周期，尽管我们平时感觉不到。所以在开发过程中要注意上下文切换（两个进程之间的切换）对我们程序性能的影响。

二、 线程之间的共享

synchronized内置锁
线程开始运行，拥有自己的栈空间，就如同一个脚本一样，按照既定的代码一步一步地执行，直到终止。但是，每个运行中的线程，如果仅仅是孤立地运行，那么没有一点儿价值，或者说价值很少，如果多个线程能够相互配合完成工作，包括数据之间的共享，协同处理事情。这将会带来巨大的价值。

Java支持多个线程同时访问一个对象或者对象的成员变量，关键字synchronized可以修饰方法或者以同步块的形式来进行使用，它主要确保多个线程在同一个时刻，只能有一个线程处于方法或者同步块中，它保证了线程对变量访问的可见性和排他性，又称为内置锁机制。
volatile 关键字
volatile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。

private volatile static boolean ready;
private static int number;
不加volatile时，子线程无法感知主线程修改了ready的值，从而不会退出循环，而加了volatile后，子线程可以感知主线程修改了ready的值，迅速退出循环。但是volatile不能保证数据在多个线程下同时写时的线程安全，参见代码：
thread-platformsrccomchj hreadcapt01volatilesNotSafe.java
volatile最适用的场景：一个线程写，多个线程读。
线程私有变量 ThreadLocal

+ get() 获取每个线程自己的threadLocals中的本地变量副本。
+ set() 设置每个线程自己的threadLocals中的线程本地变量副本。
ThreadLocal有一个内部类ThreadLocalMap:

                    public T get() {
                    Thread t = Thread.currentThread();
                    //根据当前的线程返回一个ThreadLocalMap.点进去getMap
                    ThreadLocalMap map = getMap(t);
                    if (map != null) {
                        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
                        if (e != null) {
                            @SuppressWarnings("unchecked")
                            T result = (T)e.value;
                            return result;
                        }
                    }
                    return setInitialValue();
                }

                 //点击去getMap(t)方法发现其实返回的是当前线程t的一个内部变量ThreadLocal.ThreadLocalMap
                    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
                    return t.threadLocals;
                }
                //由此可以知道，当调用ThreadLocal的get方法是，其实返回的是当前线程的threadLocals(类型是ThreadLocal.ThreadLocalMap)中的变量。调用set方法也类似。

                //举例一个使用场景
                /**
             * ThreadLocal使用场景：把数据库连接对象存放在ThreadLocal当中.
             * 优点：减少了每次获取Connection需要创建Connection
             * 缺点：因为每个线程本地会存放一份变量，需要考虑内存的消耗问题。
             * @author luke Lin
             *
             */
            public class ConnectionThreadLocal {
                private final static String DB_URL = "jdbc:mysql://localhost:3306:test";
                private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder  = new ThreadLocal<Connection>(){
                    protected Connection initialValue() {
                        try {
                            return DriverManager.getConnection(DB_URL);
                        } catch (SQLException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        return null;
                    };
                };

                /**
                 * 获取连接
                 * @return
                 */
                public Connection getConnection(){
                    return connectionHolder.get();
                }

                /**
                 * 释放连接
                 */
                public void releaseConnection(){
                    connectionHolder.remove();
                }
            }

                //解决ThreadLocal中弱引用导致内存泄露的问题的建议
                + 声明ThreadLoal时，使用private static修饰
                + 线程中如果本地变量不再使用，即使使用remove()

# 三、 线程间的协作

**wait() notify() notifyAll()**

        //1.3.1通知等候唤醒模式
            //1)等候方
                获取对象的锁
                在循环中判断是否满足条件，如果不满足条件，执行wait，阻塞等待。
                如果满足条件跳出循环，执行自己的业务代码

            //2)通知方
                获取对象的锁
                更改条件
                执行notifyAll通知等等待方
        //1.3.2 
            //wait notify notifyAll都是对象内置的方法
            //wait notify notifyAll 都需要加synchronized内被执行，否则会抱错。
            //执行wait方法是，会让出对象持有的锁，直到以下2个情况发生：1。被notify/notifyAll唤醒。2。wait超时
        //1.3.3 举例使用wait(int millis),notifyAll实现一个简单的线城池超时连接
/*
 * 连接池，支持连接超时。
 * 当连接超过一定时间后，做超时处理。
 */
public class DBPool2 {
    LinkedList<Connection> pools;
    //初始化一个指定大小的新城池
    public DBPool2 (int poolSize) {
        if(poolSize > 0){
            pools =  new LinkedList<Connection>(); 
            for(int i=0;i < poolSize; i++){
                pools.addLast(SqlConnectImpl.fetchConnection());
            }
        }
    }

    /**
     * 获取连接
     * @param remain 等待超时时间
     * @return
     * @throws InterruptedException 
     */
    public Connection fetchConn(long millis) throws InterruptedException {
        // 超时时间必须大于0，否则抛一场
        synchronized (pools) {
            if (millis<0) {
                while(pools.isEmpty()) {
                    pools.wait();
                }
                return pools.removeFirst();
            }else {
                // 超时时间
                long timeout = System.currentTimeMillis() + millis;
                long remain = millis;
                // 如果当前pools的连接为空，则等待timeout，如果timeout时间还没有返回，则返回null。
                while (pools.isEmpty() && remain > 0) {
                    try {
                        pools.wait(remain);
                        remain = timeout - System.currentTimeMillis();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                Connection result = null;
                if (!pools.isEmpty()) {
                    result = pools.removeFirst();
                }
                return result;
            }
        }

    }

    /**
     * 释放连接
     */
    public void releaseConn(Connection con){
        if(null != con){
            synchronized (pools) {
                pools.addLast(con);
                pools.notifyAll();
            }
        }
    }
}

**sleep() yield()**
**join()**
面试点：线程A执行了县城B的join方法，那么线程A必须等到线程B执行以后，线程A才会继续自己的工作。
**wait() notify() yield() sleep()对锁的影响**
面试点:
线程执行yield(),线程让出cpu执行时间，和其他线程同时竞争cup执行机会，但如果持有的锁不释放。
线程执行sleep(),线程让出cpu执行时间，在sleep()醒来前都不竞争cpu执行时间，但如果持有的锁不释放。
notify调用前必须持有锁，调用notify方法本身不会释放锁。
wait()方法调用前必须持有锁，调用了wait方法之后，锁就会被释放。当wait方法返回的时候，线程会重新持有锁。
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参考：https://blog.csdn.net/m0_37661458/article/details/90692419
https://www.cnblogs.com/codetree/p/10188638.html
https://blog.csdn.net/aimashi620/article/details/82017700