多线程小结

Posted 2020-08-28

一、基础

1、多任务在单个cpu不能并行，只能是并发，任务来回切。

2、临界区：对资源的访问顺序敏感则存在竞态条件。竞态条件发生区叫临界区，写操作产生竞态条件，需要同步。

阻塞：仅单线程使用；非阻塞：允许多线程同时进入临界区。

3、死锁：由于竞争资源或彼此通信导致阻塞，若无外力则无法推进，永远在互相等待。属于静态的问题，死锁发生进程被卡死，不会占用cpu，它会被调出去，比较好发现和分析。

嵌套管程死锁：线程1持有锁A，同时等待从线程2发来的信号，但是线程2需要获取锁A才能给线程1发信号。

4、活锁：两线程一直谦让，都无法使用资源，会比死锁更难发现，因为活锁是一个动态的过程。

5、饥饿：线程无法获得所需要的资源，导致一直无法执行。

阻塞：

1、无障碍：最弱的非阻塞，自由出入临界区，无竞争时限定步骤内完成操作，有竞争则回滚数据，所有线程相当于拿到系统快照，直至拿到快照有效为止。不断尝试导致线程相互干扰，卡死在临区，不保证线程一定能完成。

2、无锁：保证临区有进有出，每次竞争有一个线程可以胜出，解决了无障碍的问题，保证了所有线程都顺利执行下去，但是可能导致低优先级线程饥饿。

3、无等待：前提是无锁，它保证所有的线程都必须在有限步内完成，消除饥饿的。

案例：

        1：如果只有读线程，没有写线程，那么这个则必然是无等待的；

        2：如果既有读线程又有写线程，而每个写线程之前，都把数据拷贝一份副本，然后修改这个副本，而不是修改原始数据，因为修改副本，则没有冲突，那么这个修改的过程也是无等待的。最后需要做同步的只是将写完的数据覆盖原始数据。

总结：无障碍->竞争回滚；无锁->竞争一个线程胜出；无等待->限步，无饥饿。无锁使用得更加广泛一些。

二、Java的多线程

1、执行线程start方法后就会立即返回，不会等待到run方法执行完毕才返回。就好像run方法是在另外一个CPU上执行一样。

2、Thread的子类可以执行多个实现了Runnable接口的线程，典型的应用就是线程池。

3、synchronized：在同步构造器（synchronized）中用括号括起来的对象叫做监视器对象

类的synchronized：static synchronized method(){...}和static method(){synchronized(MyClass.class)}效果等同。

对象的synchronized：实例方法和方法内synchronized(this)效果相同，使用了“this”，即为调用同步方法的实例本身。

synchronized关键字并不是方法签名的一部分。子类覆写父类、接口的synchronized方法的时候，synchronized修饰符不会被自动继承的。实例方法的同步在子类、父类中使用同样的锁。内部类方法的同步独立于其外部类。非静态的内部类方法可以锁住其外部类。

4、线程已经启动但是未终止，即使处于阻塞(Blocked)，isAlive总是返回true。线程在开始运行前、结束运行后、被取消（cancelled）isAlive都会返回false，所以无法得知处于false的线程具体的状态，即无法得知一个处于非活动状态的线程是否已经被启动过了。

5、线程无法得知自己是由哪个线程调用启动的。

6、线程优先级：具有继承性，比如A线程启动B线程，则B线程的优先级与A是一样的。

7、stop方法会清除栈内信息，结束该线程，丢弃所有的锁，导致原子逻辑受损。

8、线程由native方法start0启动，申请栈内存、运行run方法、修改线程状态等职责，线程管理和栈内存管理都是由JVM负责的，如果覆盖了start方法，也就是撤消了线程管理和栈内存管理的能力，所以不能复写start()。

三、线程状态分析：

每对象都只有一个 monitor，只能被一个线程拥有，该线程就是 “Active Thread”。而其它线程都是 “Waiting Thread”，分别在两个队列 “ Entry Set”和 “Wait Set”里面等候。

“Entry Set”等待中的线程状态： “Waiting for monitor entry”，

“Wait Set” 等待中的线程状态： “in Object.wait()”。

当线程申请进入临界区时，进入了 “Entry Set”队列等待获取monitor。

这时执行有以下可能性：

1、JVM检查Entry Set里面也没有其它等待线程，说明锁未被占用，获取monitor成功，执行临界区的代码，线程将处于 “Runnable”的状态。

        只有一个- locked <0x00000007828050a0> (a java.io.BufferedInputStream)

2、获取monitor失败，进入Entry Set队列中等待，DUMP中表现为：“waiting for monitor entry” ，线程是阻塞状态。

"Thread-1" prio=6 tid=0x000000000c1a0800 nid=0x2c78 waiting for monitor entry [0x000000000c9cf000]

 java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)

          at java.lang.Object.wait(Native Method)
          - waiting on <0x0000000782804ce0> (a java.lang.Object)
          at thread.ThreadStatus$2.run(ThreadStatus.java:40)
          - locked <0x0000000782804ce0> (a java.lang.Object)
3、获取monitor成功，但又调用了对象的 wait、join 方法，放弃了 monitor ，进入 “Wait Set”队列。 DUMP中表现为： in Object.wait()。join()方法实现是通过wait，当线程A调用线程B的Thread的join(N)方法时，首先得获取到对象B的锁，然后执行B的Object的wait(N)方法，直到B唤醒A，可以理解为线程合并。核心逻辑 ：while (isAlive()) {wait(N)}。

"Thread-1" prio=10 tid=0x08223250 nid=0xa in Object.wait() [0xef47a000..0xef47aa38]

java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (on object monitor)    对应wait(N)、join(N)

或者：java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)    对应wait()、join()

at java.lang.Object.wait(Native Method)

- waiting on <0xef63beb8> (a java.util.ArrayList)

at java.lang.Object.wait(Object.java:474)

- locked <0xef63beb8> (a java.util.ArrayList)

at java.lang.Thread.run(Thread.java:595)

4、如果线程调用sleep(N)，或者等待资源，状态为Wait on condition。

Wait on condition此时线程状态大致为以下几种：

java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (sleeping)定时的；

java.lang.Thread.State: WAITING (parking)：一直等那个条件发生；

java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (parking或sleeping)：定时的，那个条件不到来，也将定时唤醒自己。

dump对应的 parking to wait for <0x00000000acd84de8>

(at java.util.concurrent.SynchronousQueue$TransferStack)” 

首先，本线程肯定是在等待某个条件的发生，来把自己唤醒。其次，SynchronousQueue 并不是一个队列，只是线程之间移交信息的机制，当我们把一个元素放入到 SynchronousQueue 中时必须有另一个线程正在等待接受移交的任务，其调度队列用的是LinkedBlockingQueue, 执行take的时候会block住, 等待下一个任务进入队列中, 然后进入执行，因此这就是本线程在等待的条件。

来源： http://www.cnblogs.com/zhengyun_ustc/archive/2013/03/18/tda.html

在 JDK 5.0中，引入了 Lock机制，从而使开发者能更灵活的开发高性能的并发多线程程序，可以替代以往 JDK中的 synchronized和 Monitor的 机制。但是，要注意的是，因为 Lock类只是一个普通类， JVM无从得知 Lock对象的占用情况，所以在线程 DUMP中，也不会包含关于 Lock的信息， 关于死锁等问题，就不如用 synchronized的编程方式容易识别。

四、认识java线程安全，了解两点：内存模型、线程同步机制。

 

并发问题最终反映到java的内存模型上，要解决两个主要的问题：可见性和有序性。
1、可见性： 多线程之间的通信只能通过共享变量来进行，不能互相传递数据。
每个线程在自己的工作内存存储了主存对象的副本，当线程操作某个对象时，执行顺序如下：
 (1) 从主存复制变量到当前工作内存 (read and load)
 (2) 执行代码，改变共享变量值 (use and assign)
 (3) 用工作内存数据刷新主存相关内容 (store and write)
JVM规范定义了线程对主存的操作指令：read，load，use，assign，store，write。
工作内存副本回写主内存，其它线程可见，这就是多线程的可见性问题。
2、有序性：先read-load,完成后线程会引用该副本。当同一线程再度引用该字段时,有可能重新从主存中获取变量副本(read-load-use),也有可能直接引用原来的副本(use),也就是说 read,load,use顺序可以由JVM实现系统决定。线程不能直接为主存中中字段赋值，它会将值指定给工作内存中的变量副本(assign),完成后这个变量副本会同步到主存储区(store-write)，至于何时同步过去，根据JVM实现系统决定。

当同一线程多次重复对字段赋值时,比如：x=x+1

线程有可能只对工作内存中的副本进行赋值,只到最后一次赋值后才同步到主存储区，所以assign,store,weite顺序可以由JVM实现系统决定。线程执行x=x+1。从上面的描述中可以知道x=x+1并不是一个原子操作，它的执行过程如下：
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x加1
3 将x加1后的值写回主

synchronized解决执行有序性和内存可见性

如果调用obj.notify()则会通知阻塞队列的某个线程进入就绪队列。
每个锁对象有就绪、阻塞两个队列，就绪队列存储了将要获得锁（notify通知）的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程，JVM检查锁对象的就绪队列有线程在等待，说明锁被占用。
一个线程执行临界区代码过程如下：
1 获得同步锁
2 清空工作内存
3 从主存拷贝变量副本到工作内存
4 对这些变量计算
5 将变量从工作内存写回到主存
6 释放锁

volatile只保证内存可见，不能保证有序性。防止多线程从下的指令重排序。
volatile和缓存一致性
1、 写volatile 变量，JVM 就会向CPU发送一条 Lock 前缀的指令，将当前CPU缓存行的数据回写到系统内存，此操作导致其他 CPU 里缓存了该内存地址的数据无效。
volatile它所修饰的域的原子操作都不需要经过线程的工作内存，而直接在主内存中进行修改，volatile主要被用于变量只有原子操作的场合，如赋值、移位等。
2、缓存一致性机制：
多CPU下，为了保证各个CPU的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议，每个CPU通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当CPU发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当CPU要对这个数据进行修改操作的时候，会强制重新从系统内存里把数据读到处理器缓存里。
阻止同时修改被多个CPU缓存的内存区域数据，一个CPU的缓存回写到内存会导致其他CPU的缓存无效。
3、不要将数组成员声明为volatile类型的。如果锁住了一个数组并不代表其数组成员都可以被原子的锁定。也没有能在一个原子操作中锁住多个对象的方法。

要使 volatile 变量提供理想的线程安全,必须同时满足下面两个条件:

1)对变量的写操作不依赖于当前值。
2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

线程的sleep()方法和yield()方法有什么区别？ 异常抛出：sleep抛InterruptedException，yield无

优先级考虑：sleep无，yield相同或更高

线程状态：sleep进入阻塞，yield进入就绪，仅建议JVM对其它就绪状态的线程调度执行，而当前线程放弃时间不确定，有可能刚放弃，有马上获得CPU

可移植性：sleep>yield，与CPU调度相关。

一个还没有启动的线程上调用join方法是没有任何意义。

1、wait、join（内部实现wait）、sleep都涉及到了线程的中断，必须捕获InterruptedException，notify和notifyAll不需要捕获异常。

2、wait，notify和notifyAll是Object的实例方法，用于线程间通信，贡献对象，需要在同步机制，可用于不同线程间的调度，并且只能在其他线程调用本实例的notify()或者notifyAll()方法时被唤醒。

3、wait后进入等待锁定池，只有针对此对象发出notify或者notifyAll方法后,获得对象锁进入就绪状态，等到CPU调度

4、Thread.sleep是一个静态方法，如果线程A调用线程B的sleep()的时候，则线程A进入休眠状态，不会暂停线程B。

interrupt：

默认情况下，新建线程和创建它的线程属于同一个线程组，可以获取同一个线程组的其他线程的标识。当创建一个新的线程组，这个线程组成为当前线程组的子组,对不属于同一组的线程调用interrupt是不合法的。

interrupt方法不能终止一个线程状态，它只会改变中断标志位（如果在t1.interrupt（）前后输出t1.isInterrupted（）则会发现分别输出了false和true）。

ThreadGroup类uncaughtException，当线程组中的某个线程因抛出未检测的异常（比如空指针异常NullPointerException）而中断的时候，调用这个方法可以打印出线程的调用栈信息。

一个线程的中断状态是不允许被其他线程清除的。

2、如果Thread实例A、B，A线程调用B的interrupt方法。如果B正在wait/sleep/join（如果在执行普通的代码，不抛出中断异常），则线程B会立刻抛出InterruptedException，在catch() {} 中直接return即可安全地结束线程。

但是InterruptedException是线程自己从内部抛出的，并不是interrupt()方法抛出的。

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