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Java多线程

2019-04-28  本文已影响20人  与搬砖有关的日子

1、线程的实现

2、线程的状态 image.png 

public class LeftRightDeadlock {
    private final Object left = new Object();
    private final Object right = new Object();

    public void leftRight() {
        // 得到left锁
        synchronized (left) {
            // 得到right锁
            synchronized (right) {
                doSomething();
            }
        }
    }

    public void rightLeft() {
        // 得到right锁
        synchronized (right) {
            // 得到left锁
            synchronized (left) {
                doSomethingElse();
            }
        }
    }
}

线程A调用leftRight()方法，得到left锁，同时线程B调用rightLeft()方法，得到right锁，线程A和线程B都继续执行，此时线程A需要right锁才能继续往下执行。此时线程B需要left锁才能继续往下执行。但是：线程A的left锁并没有释放，线程B的right锁也没有释放。所以他们都只能等待，而这种等待是无期限的-->永久等待-->死锁。

3、线程常用方法比较 image.png

4、Synchronized image.png

4.1 Synchronized核心组件

4.2 Synchronized实现 image.png

1). JVM每次从队列的尾部取出一个数据用于锁竞争候选者（OnDeck），但是并发情况下，ContentionList会被大量的并发线程进行CAS访问，为了降低对尾部元素的竞争，JVM会将一部分线程移动到EntryList中作为候选竞争线程。
2). Owner线程会在unlock时，将ContentionList中的部分线程迁移到EntryList中，并指定EntryList中的某个线程为OnDeck线程（一般是最先进去的那个线程）。
3). Owner线程并不直接把锁传递给OnDeck线程，而是把锁竞争的权利交给OnDeck，OnDeck需要重新竞争锁。这样虽然牺牲了一些公平性，但是能极大的提升系统的吞吐量，在JVM中，也把这种选择行为称之为“竞争切换”。
4). OnDeck线程获取到锁资源后会变为Owner线程，而没有得到锁资源的仍然停留在EntryList中。如果Owner线程被wait方法阻塞，则转移到WaitSet队列中，直到某个时刻通过notify或者notifyAll唤醒，会重新进去EntryList中。
5). 处于ContentionList、EntryList、WaitSet中的线程都处于阻塞状态，该阻塞是由操作系统来完成的（Linux内核下采用pthread_mutex_lock内核函数实现的）。
6). Synchronized是非公平锁。 Synchronized在线程进入ContentionList时，等待的线程会先尝试自旋获取锁，如果获取不到就进入ContentionList，这明显对于已经进入队列的线程是不公平的，还有一个不公平的事情就是自旋获取锁的线程还可能直接抢占OnDeck线程的锁资源。 参考
7). 每个对象都有个monitor对象，加锁就是在竞争monitor对象，代码块加锁是在前后分别加上monitorenter和monitorexit指令来实现的，方法加锁是通过一个标记位来判断的
8). synchronized是一个重量级操作，需要调用操作系统相关接口，性能是低效的，有可能给线程加锁消耗的时间比有用操作消耗的时间更多。
9). Java1.6，synchronized进行了很多的优化，有适应自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁及偏向锁等，效率有了本质上的提高。在之后推出的Java1.7与1.8中，均对该关键字的实现机理做了优化。引入了偏向锁和轻量级锁。都是在对象头中有标记位，不需要经过操作系统加锁。
10). 锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级到重量级锁。这种升级过程叫做锁膨胀；
11). JDK 1.6中默认是开启偏向锁和轻量级锁，可以通过-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁。

4.3 原理

具体实现是在编译之后在同步方法调用前加入一个 monitor.enter 指令，在退出方法和异常处插入 monitor.exit 的指令。
其本质就是对一个对象监视器( Monitor )进行获取，而这个获取过程具有排他性从而达到了同一时刻只能一个线程访问的目的。
而对于没有获取到锁的线程将会阻塞到方法入口处，直到获取锁的线程 monitor.exit 之后才能尝试继续获取锁。

5、线程池

线程池做的工作主要是控制运行的线程的数量，处理过程中将任务放入队列，然后在线程创建后启动这些任务，如果线程数量超过了最大数量超出数量的线程排队等候，等其它线程执行完毕，再从队列中取出任务来执行。他的主要特点为：线程复用；控制最大并发数；管理线程。
线程复用：每一个 Thread 的类都有一个 start 方法。 当调用start启动线程时Java虚拟机会调用该类的 run 方法。 那么该类的 run() 方法中就是调用了 Runnable 对象的 run() 方法。 我们可以继承重写 Thread 类，在其 start 方法中添加不断循环调用传递过来的 Runnable 对象。 这就是线程池的实现原理。循环方法中不断获取 Runnable 是用 Queue 实现的，在获取下一个 Runnable 之前可以是阻塞的。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,
 long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
 this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, 
workQueue, Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
 }

5.1 线程池参数

5.2 拒绝策略

5.3 任务队列

5.4 线程池类型

5.5 执行过程 image.png

1). 线程池刚创建时，里面没有一个线程。任务队列是作为参数传进来的。不过，就算队列里面有任务，线程池也不会马上执行它们。
2). 当调用 execute() 方法添加一个任务时，线程池会做如下判断：
a) 如果正在运行的线程数量小于 corePoolSize，那么马上创建线程运行这个任务；
b) 如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize，那么将这个任务放入队列；
c) 如果这时候队列满了，而且正在运行的线程数量小于 maximumPoolSize，那么还是要创建非核心线程立刻运行这个任务；
d) 如果队列满了，而且正在运行的线程数量大于或等于 maximumPoolSize，那么线程池会抛出异常RejectExecutionException。
3). 当一个线程完成任务时，它会从队列中取下一个任务来执行。
4). 当一个线程无事可做，超过一定的时间（keepAliveTime）时，线程池会判断，如果当前运行的线程数大于 corePoolSize，那么这个线程就被停掉。所以线程池的所有任务完成后，它最终会收缩到 corePoolSize 的大小。

6、volatile关键字的作用（变量可见性、禁止重排序） image.png

保证变量在线程间可见，对volatile变量所有的写操作都能立即反应到其他线程中；禁止指令的重排序优化。
当对非 volatile 变量进行读写的时候，每个线程先从内存拷贝变量到CPU缓存中。如果计算机有多个CPU，每个线程可能在不同的CPU上被处理，这意味着每个线程可以拷贝到不同的 CPU cache 中。而声明变量是 volatile 的，JVM 保证了每次读变量都从内存中读，跳过 CPU cache 这一步。 适用场景 值得说明的是对volatile变量的单次读/写操作可以保证原子性的，如long和double类型变量，但是并不能保证i++这种操作的原子性，因为本质上i++是读、写两次操作。AtomicInteger修饰，AtomicInteger原理是CAS。在某些场景下可以代替Synchronized。但是,volatile的不能完全取代Synchronized的位置，只有在一些特殊的场景下，才能适用volatile。总的来说，必须同时满足下面两个条件才能保证在并发环境的线程安全： （1）对变量的写操作不依赖于当前值（比如 i++），或者说是单纯的变量赋值（boolean flag = true）。 （2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中，也就是说，不同的volatile变量之间，不能互相依赖。只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用 volatile。

7、线程之间共享数据

Java里面进行多线程通信的主要方式就是共享内存的方式

8、ThreadLocal（线程本地存储）

ThreadLocal的作用是提供线程内的局部变量，这种变量在线程的生命周期内起作用，减少同一个线程内多个函数或者组件之间一些公共变量的传递的复杂度。

9、Java中的锁 image.png

10、CAS

CAS（Compare And Swap/Set）比较并交换，CAS算法的过程是这样：它包含3个参数CAS(V,E,N)。V表示要更新的变量(内存值)，E表示预期值(旧的)，N表示新值。当且仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS返回当前V的真实值。
CAS操作是抱着乐观的态度进行的(乐观锁)，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。
ABA问题
一个线程one从内存位置V中取出A，这时候另一个线程two也从内存中取出A，并且two进行了一些操作变成了B，然后two又将V位置的数据变成A，这时候线程one进行CAS操作发现内存中仍然是A，然后one操作成功。尽管线程one的CAS操作成功，但是不代表这个过程就是没有问题的。 部分乐观锁的实现是通过版本号（version）的方式来解决ABA问题，乐观锁每次在执行数据的修改操作时，都会带上一个版本号，一旦版本号和数据的版本号一致就可以执行修改操作并对版本号执行+1操作，否则就执行失败。因为每次操作的版本号都会随之增加，所以不会出现ABA问题，因为版本号只会增加不会减少。

11、原子包java.util.concurrent.atomic

java.util.concurrent.atomic这个包里面提供了一组原子类。其基本的特性就是在多线程环境下，当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时，具有排他性，即当某个线程进入方法，执行其中的指令时，不会被其他线程打断，而别的线程就像自旋锁一样，一直等到该方法执行完成，才由JVM从等待队列中选择一个另一个线程进入。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable { 
  private volatile int value; 
  public final int get() { 
    return value; 
  } 
  public final int getAndIncrement() {
   for (;;) { //CAS自旋，一直尝试，直达成功
     int current = get();
     int next = current + 1;
     if (compareAndSet(current, next)) 
       return current;
     } 
  }
  public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
  } 
}

12、Lock实现原理

image.png

可以看到在整个实现过程中，lock大量使用CAS+自旋。因此根据CAS特性，lock建议使用在低锁冲突的情况下。目前java1.6以后，官方对synchronized做了大量的锁优化（偏向锁、自旋、轻量级锁）。因此在非必要的情况下，建议使用synchronized做同步操作。

13、 进程和线程

进程：是并发执行的程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位，是一个动态概念，竞争计算机系统资源的基本单位。
线程：是进程的一个执行单元，是进程内科调度实体。比进程更小的独立运行的基本单位。线程也被称为轻量级进程。

进程线程的区别：

优缺点：

何时使用多进程，何时使用多线程？

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