Java多线程编程基础知识汇总

2021-04-20 21:28

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标签：死锁 ati adl 重入 read 可重入 volatile 网络性能

多线程简介

多任务

??现代操作系统（Windows、Linux、MacOS）都可以执行多任务，多任务就是同时运行多个任务。例如在我们的计算机上，一般都同时跑着多个程序，例如浏览器，视频播放器，音乐播放器，Word办公软件等等，由于CPU执行代码都是一条一条顺序执行的，即时是单核CPU也可以同时执行多个任务，操作系统执行多个任务实际上就是轮流让多个任务交替执行。即使是多核CPU，因为通常任务的数量是远多于CPU的核数，所以任务也是交替执行的。

进程（Process）

??在计算机中，我们把一个任务称为一个进程。浏览器就是一个进程，视频播放器是另外一个进程，音乐播放器也是一个进程，在某些进程内部还需要同时执行多个子任务。例如我们在使用Word时，在打字的同时需要进行拼写检查，还可以在后台进行打印，我们把子任务称为线程。
进程和线程的关系：

一个进程可以包含一个或多个线程（至少包含一个线程）
线程是操作系统调度的最小任务单位
如何调度线程完全由操作系统决定（程序自己不能决定线程何时执行，执行多长时间）

实现多任务的三种方法：

多进程模式（每个进程只有一个线程）
多线程模式（一个进程有多个线程）
多进程+多线程（复杂度最高）

多进程和多线程的对比：

创建进程比创建线程开销大（尤其是在Windows系统上）
进程间通信比线程间通信慢
多进程稳定性比多线程高（因为在多进程的情况下，一个进程的崩溃不会影响其他进程，而在多线程的情况下，任何一个线程的崩溃，会直接导致整个进程崩溃）

??Java语言内置多线程支持，一个Java程序实际上是一个JVM进程，JVM进程用一个主线程来执行main()方法，在main()方法中又可以启动多个线程，此外，JVM还有负责垃圾回收的其他工作线程等。和单线程相比，多线程编程的特点在于：多线程经常需要读写共享数据，并且需要同步。例如，播放电影时，就必须由一个线程播放视频，另一个线程播放音频，两个线程需要协调运行，否则画面和声音就不同步。因此，多线程编程的复杂度高，调试更困难。

Java多线程基础

??创建一个线程对象，并启动一个新的线程。创建线程对象的方法有两种：第一种就是创建MyThread类，去继承Thread类，覆写run()方法，创建MyThread实例，调用start()启动线程。第二种：如果一个类已经从某个类派生，无法从Thread继承，就可以通过实现Runnable接口，重写run()方法，在main()方法中创建Runnable实例，创建Thread实例并传入Runnable，调用start()启动线程。注意：必须调用Thread实例的start()方法才能启动新线程，如果我们查看Thread类的源代码，会看到start()方法内部调用了一个private native void start0()方法，native修饰符表示这个方法是由JVM虚拟机内部的C代码实现的，不是由Java代码实现的。
总结：Java用Thread对象表示一个线程，通过调用start()启动一个新线程，一个线程对象只能调用一次start()方法；线程的执行代码写在run()方法中，一旦run()方法执行完毕，线程就结束了；线程调度由操作系统决定，程序本身无法决定调度顺序。
线程的状态：

New：新创建的线程，尚未执行；
Runnable：运行中的线程，正在执行run()方法的Java代码；
Blocked：运行中的线程，因为某些操作被阻塞而挂起；
Waiting：运行中的线程，因为某些操作在等待中；
Timed Waiting：运行中的线程，因为执行sleep()方法正在计时等待；
Terminated：线程已终止，因为run()方法执行完毕。

线程终止的原因：

run()方法执行到return语句返回（线程正常终止）
run()方法因为未捕获的异常导致线程终止（线程意外终止）
对某个线程的Thread实例调用stop()方法强制终止（强烈不推荐使用）

??通过对另一个线程对象调用join()方法可以等待其执行结束，可以指定等待时间，超过等待时间线程仍然没有结束就不再等待；对已经运行结束的线程调用join()方法会立刻返回。

??中断线程：如果线程需要执行一个长时间任务，就可能需要能中断线程。中断线程就是其他线程给该线程发送一个信息，该线程收到信号后，结束执行run()方法。例如我们从网络下载一个100M的文件，如果网速很慢，我们等得不耐烦，就可能在下载过程中点“取消”，这时，程序就需要中断下载线程的执行。中断线程需要通过检测isInterrupted标志，其他线程需要通过调用interrupt()方法中断该线程。如果线程处于等待状态，该线程会捕获InterruptedException。捕获到InterruptedException说明有其他对其线程调用了interrupt()方法，通常情况下该线程应该立刻结束运行。

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        t.interrupt(); // 中断t线程
        t.join(); // 等待t线程结束
        System.out.println("end");
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        Thread hello = new HelloThread();
        hello.start(); // 启动hello线程
        try {
            hello.join(); // 等待hello线程结束
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("interrupted!");
        }
        hello.interrupt();
    }
}

class HelloThread extends Thread {
    public void run() {
        int n = 0;
        while (!isInterrupted()) {
            n++;
            System.out.println(n + " hello!");
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                break;
            }
        }
    }
}

??还可以通过设置running标志位，线程间共享变量需要使用volatile关键字标记，确保线程能读取到更新后的变量值。为什么要对线程间共享的变量用关键字volatile声明？这涉及到Java的内存模型。在Java虚拟机中，变量的值保存在主内存中，但是，当线程访问变量时，它会先获取一个副本，并保存在自己的工作内存中。如果线程修改了变量的值，虚拟机会在某个时刻把修改后的值回写到主内存，但是，这个时间是不确定的！这会导致如果一个线程更新了某个变量，另一个线程读取的值可能还是更新前的。
技术图片
volatile关键字解决的是可见性问题：当一个线程修改了某个共享变量的值，其他线程能够立刻看到修改后的值。因此，volatile关键字的目的是告诉虚拟机：每次访问变量时，总是获取主内存的最新值，每次修改变量后，立刻回写到主内存。

??守护线程：为其他线程服务的线程。在JVM中，所有非守护线程都执行完毕后，无论有没有守护线程，虚拟机都会自动退出。因此，JVM退出时，不必关心守护线程是否已结束。如何创建守护线程呢？方法和普通线程一样，只是在调用start()方法前，调用setDaemon(true)把该线程标记为守护线程。

Thread t = new MyThread();
t.setDaemon(true);
t.start();

需要注意的是：守护线程不能持有任何需要关闭的资源，例如打开文件等，因为虚拟机退出时，守护线程没有任何机会来关闭文件，这会导致数据丢失。

多线程同步

??当多个线程同时运行时，线程的调度由操作系统决定，程序本身无法决定。因此，任何一个线程都有可能在任何指令处被操作系统暂停，然后在某个时间段后继续执行，如果多个线程同时读写共享变量，会出现数据不一致的问题。对共享变量进行写入时，必须保证是原子操作，原子操作是指不能被中断的一个或一系列操作。例如，对于语句：n = n + 1;看上去是一行语句，实际上对应了3条指令，因此为了保证一系列操作为原子操作，必须保证一系列操作在执行过程中不被其他线程执行。ava程序使用synchronized关键字对一个对象进行加锁，synchronized保证了代码块在任意时刻最多只有一个线程能执行。由于synchronized代码块无法并发执行，所以使用synchronized会导致性能下降。如何使用synchronized？首先找出修改共享变量的线程代码块，选择一个实例作为锁，使用synchronized(lockObject) { ... }。在使用synchronized的时候，不必担心抛出异常。因为无论是否有异常，都会在synchronized结束处正确释放锁。

??多线程同时修改变量，会造成逻辑错误，需要通过synchronized同步，同步的本质就是给指定对象加锁，注意加锁对象必须是同一个实例，对于JVM定义的单个原子操作不需要同步。JVM规范定义了几种原子操作：基本类型（long和double除外）赋值，例如：int n = m；引用类型赋值，例如：List list = anotherList。long和double是64位数据，JVM没有明确规定64位赋值操作是不是一个原子操作，不过在x64平台的JVM是把long和double的赋值作为原子操作实现的。

??同步方法：当程序执行synchronized代码块时，首先要获得synchronized指定的锁。在我们添加synchronized块时，我们需要先知道锁住的哪个对象。让线程自己选择锁对象往往会使得代码逻辑混乱，也不利于封装。更好的方法是把synchronized逻辑封装起来。数据封装：把同步逻辑封装到持有数据的实例中。当我们对this进行加锁时，我们可以使用synchronized来修饰方法，这样我们就可以把同步代码块自动变成方法识别。下面的两种写法是等价的。

public synchronized void add(int n) {
      n += 1;
}

public void add(int n) {
      synchronized(this){
          n += 1;
      }
}

而静态方法锁住的是Class实例：如下

public class A {
      private static count;
      
      public static synchronized void add(int n){
            count += n;      
      }    
}

等价于下面这种写法:

public class A {
      private static count;
      
      public static void add(int n){
            synchronized(A.class) {
                  count += n; 
            }      
      }    
}

Java中线程安全的类：

不变类：例如String, Integer, LocalDate，因为这些类被final修饰，一但创建，实例成员变量就不能改变，不能写只能读
没有成员变量的类：例如Math，这些工具只提供了工具方法，自身没有成员变量
正确使用synchronized得类，例如StringBuffer
其它的类都是非线程安全的类，不能在多线程中共享实例并修改，例如ArrayList，但是可以在多线程以只读的方式共享

死锁

??要执行 synchronized代码块，必须首先获得指定对象的锁，Java中的线程锁是可重入锁。什么叫可重入锁？JVM允许同一个线程重复获取同一个锁，这种能被同一个线程反复获取的锁，就叫做可重入锁。Java的线程可以获取多个不同对象的锁。不同的线程在获取多个不同对象的锁的时候，可能会导致死锁。例如两个线程根被执行下面两个方法，就会导致死锁。
技术图片
死锁形成的条件：两个线程各自持有不同的锁，然后各自试图获取对方手里的锁，造成了双方无限等待下去，导致死锁。

死锁发生后，没有任何机制能解除死锁，只能强制结束JVM进程。如何避免死锁？线程获取锁的顺序要一致。

wait/notify

??synchronized解决了多线程竞争的问题，但是synchronized并没有解决多线程协调的问题。
技术图片
wait和notify用于多线程协调运行：在synchronized内部可以调用wait()使线程进入等待状态，必须在已获得的锁对象上调用wait()方法，在synchronized内部可以调用notify()或notifyAll()唤醒其他等待线程，必须在已获得的锁对象上调用notify()或notifyAll()方法，已唤醒的线程还需要重新获得锁后才能继续执行。

JUC包

??从Java 5开始，引入了一个高级的处理并发的java.util.concurrent包，它提供了大量更高级的并发功能，能大大简化多线程程序的编写。线程同步是因为多线程读写竞争资源需要同步，Java语言提供了synchronized/wait/notify来实现多线程的同步，但是编写多线程同步仍然很困难。jdk1.5提供的高级的java.util.concurrent包，提供了更高级的同步功能，可以简化多线程的编写，java.util.concurrent.locks包提供的ReentrantLock用于替代synchronized加锁。因为synchronized是Java语言层面提供的语法，所以我们不需要考虑异常，而ReentrantLock是Java代码实现的锁，我们就必须先获取锁，然后在finally中正确释放锁。
技术图片

ReentrantLock也是可重入锁，一个线程可多次获取同一个锁，lock()方法获取锁，和synchronized不同的是，ReentrantLock可以通过tryLock()方法尝试获取锁并指定超时：

if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
    try {
        ...
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

??但是有些时候，这种保护有点过头。因为我们发现，任何时刻，只允许一个线程修改，但是，对于某些方法只读取数据，不修改数据，它实际上允许多个线程同时调用，实际上我们想要的是：允许多个线程同时读，但只要有一个线程在写，其他线程就必须等待。使用ReadWriteLock可以解决这个问题，它保证只允许一个线程写入（其他线程既不能写入也不能读取），没有写入时，多个线程允许同时读（提高性能）。

public class Counter {
    private final ReadWriteLock rwlock = new ReentrantReadWriteLock();
    private final Lock rlock = rwlock.readLock();
    private final Lock wlock = rwlock.writeLock();
    private int[] counts = new int[10];

    public void inc(int index) {
        wlock.lock(); // 加写锁
        try {
            counts[index] += 1;
        } finally {
            wlock.unlock(); // 释放写锁
        }
    }

    public int[] get() {
        rlock.lock(); // 加读锁
        try {
            return Arrays.copyOf(counts, counts.length);
        } finally {
            rlock.unlock(); // 释放读锁
        }
    }
}

使用ReadWriteLock时，适用条件是同一个数据，有大量线程读取，但仅有少数线程修改。

??使用ReentrantLock比直接使用synchronized更安全，可以替代synchronized进行线程同步。但是，synchronized可以配合wait和notify实现线程在条件不满足时等待，条件满足时唤醒，用ReentrantLock我们怎么编写wait和notify的功能呢？答案是使用Condition对象来实现wait和notify的功能。

class TaskQueue {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    private Queue queue = new LinkedList();

    public void addTask(String s) {
        lock.lock();
        try {
            queue.add(s);
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String getTask() {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.isEmpty()) {
                condition.await();
            }
            return queue.remove();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

可见，使用Condition时，引用的Condition对象必须从Lock实例的newCondition()返回，这样才能获得一个绑定了Lock实例的Condition实例。Condition提供的await()、signal()、signalAll()原理和synchronized锁对象的wait()、notify()、notifyAll()是一致的，并且其行为也是一样的：await()会释放当前锁，进入等待状态；signal()会唤醒某个等待线程；signalAll()会唤醒所有等待线程；唤醒线程从await()返回后需要重新获得锁。此外，和tryLock()类似，await()可以在等待指定时间后，如果还没有被其他线程通过signal()或signalAll()唤醒，可以自己醒来。

??Concurrent集合：java.util.concurrent提供了线程安全的Blocking集合：ArrayBlockingQueue。BlockingQueue的意思就是说，当一个线程调用这个TaskQueue的getTask()方法时，该方法内部可能会让线程变成等待状态，直到队列条件满足不为空，线程被唤醒后，getTask()方法才会返回。

接口	线程不安全的实现类	线程安全的实现类
List	ArrayList	CopyOnWriteArrayList
Map	HashMap	ConcurrentHashMap
Set	HashSet / TreeSet	CopyOnWriteArraySet
Queue	ArrayDeque / LinkedList	ArrayBlockingQueue / LinkedBlockingQueue
Deque	ArrayDeque / LinkedList	LinkedBlockingDeque

??使用java.util.concurrent包提供的线程安全的并发集合可以大大简化多线程编程，多线程同时读写并发集合是安全的，尽量使用Java标准库提供的并发集合，避免自己编写同步代码。

??Atomic：java.util.concurrent.atomic提供了一组原子类型操作，Atomic类是通过无锁（lock-free）的方式实现的线程安全（thread-safe）访问。它的主要原理是利用了CAS：Compare and Set。如果我们自己通过CAS编写incrementAndGet()，大概如下：

public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
    int prev, next;
    do {
        prev = var.get();
        next = prev + 1;
    } while ( ! var.compareAndSet(prev, next));
    return next;
}

CAS是指，在这个操作中，如果AtomicInteger的当前值是prev，那么就更新为next，返回true。如果AtomicInteger的当前值不是prev，就什么也不干，返回false。通过CAS操作并配合do ... while循环，即使其他线程修改了AtomicInteger的值，最终的结果也是正确的。用java.util.concurrent.atomic提供的原子操作可以简化多线程编程，原子操作实现了无锁的线程安全，适用于计数器，累加器等。

ExecutorService

??由于创建线程需要操作系统资源（线程资源、栈空间），频繁创建和销毁线程需要消耗大量时间。如果可以复用一组线程，那么我们就可以把很多小任务让一组线程来执行，而不是一个任务对应一个新线程。这种能接收大量小任务并进行分发处理的就是线程池。所以线程池内部维护了若干个线程，没有任务的时候，这些线程都处于等待状态。如果有新任务，就分配一个空闲线程执行。如果所有线程都处于忙碌状态，新任务要么放入队列等待，要么增加一个新线程进行处理。Java标准库提供了ExecutorService接口表示线程池，常用用法如下：

// 创建固定大小的线程池:
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
// 提交任务:
executor.submit(task1);
executor.submit(task2);
executor.submit(task3);

因为ExecutorService只是接口，Java标准库提供的几个常用实现类有：

FixedThreadPool：线程数固定的线程池；
CachedThreadPool：线程数根据任务动态调整的线程池；
SingleThreadExecutor：仅单线程执行的线程池（只包含一个线程，所有的任务只能以单线程的形式执行）

创建这些线程池的方法都被封装到Executors这个类中。我们以FixedThreadPool为例，看看线程池的执行逻辑：

import java.util.concurrent.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池:
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(4);
        for (int i = 0; i

??还有一种任务，需要定期反复执行，例如，每秒刷新证券价格。这种任务本身固定，需要反复执行的，可以使用ScheduledThreadPool。放入ScheduledThreadPool的任务可以定期反复执行。Java标准库还提供了一个java.util.Timer类，这个类也可以定期执行任务，但是，一个Timer会对应一个Thread，所以，一个Timer只能定期执行一个任务，多个定时任务必须启动多个Timer，而一个ScheduledThreadPool就可以调度多个定时任务，所以，我们完全可以用ScheduledThreadPool取代旧的Timer。
总结：

JDK提供了ExecutorService实现了线程池功能；
线程池内部维护一组线程，可以高效执行大量小任务；
Executors提供了静态方法创建不同类型的ExecutorService；
必须调用shutdown()关闭ExecutorService；
ScheduledThreadPool可以定期调度多个任务。

??Runnable接口有个问题，它的方法没有返回值。如果任务需要一个返回结果，那么只能保存到变量，还要提供额外的方法读取，非常不便。所以，Java标准库还提供了一个Callable接口，和Runnable接口比，它多了一个返回值.

class Task implements Callable {
    public String call() throws Exception {
        return longTimeCalculation(); 
    }
}

并且Callable接口是一个泛型接口，可以返回指定类型的结果。现在的问题是，如何获得异步执行的结果？如果仔细看ExecutorService.submit()方法，可以看到，它返回了一个Future类型，一个Future类型的实例代表一个未来能获取结果的对象.

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4); 
// 定义任务:
Callable task = new Task();
// 提交任务并获得Future:
Future future = executor.submit(task);
// 从Future获取异步执行返回的结果:
String result = future.get(); // 可能阻塞

当我们提交一个Callable任务后，我们会同时获得一个Future对象，然后，我们在主线程某个时刻调用Future对象的get()方法，就可以获得异步执行的结果。在调用get()时，如果异步任务已经完成，我们就直接获得结果。如果异步任务还没有完成，那么get()会阻塞，直到任务完成后才返回结果。
一个Future接口表示一个未来可能会返回的结果，它定义的方法有：

get()：获取结果（可能会等待）
get(long timeout, TimeUnit unit)：获取结果，但只等待指定的时间；
cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：取消当前任务；
isDone()：判断任务是否已完成。

??CompletableFuture：从Java 8开始引入了CompletableFuture，它针对Future做了改进，可以传入回调对象，当异步任务结束时，会自动回调某个对象的方法，异步任务出错时，也会自动回调某个对象的方法，所以当主线程设置好回调后，不再关心异步任务的执行。
CompletableFuture的基本用法：

CompletableFuture cf = CompletableFuture.supplyAsync(异步执行实例)；
cf.thenAccept("获得结果后的操作");
cf.exceptionnally("发生异常时的操作")

创建一个CompletableFuture是通过CompletableFuture.supplyAsync()实现的，它需要一个实现了Supplier接口的对象。可见CompletableFuture的优点是：异步任务结束时，会自动回调某个对象的方法；异步任务出错时，会自动回调某个对象的方法；主线程设置好回调后，不再关心异步任务的执行。如果只是实现了异步回调机制，我们还看不出CompletableFuture相比Future的优势。CompletableFuture更强大的功能是，多个CompletableFuture可以串行执行，例如，定义两个CompletableFuture，第一个CompletableFuture根据证券名称查询证券代码，第二个CompletableFuture根据证券代码查询证券价格，这两个CompletableFuture实现串行操作如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 第一个任务:
        CompletableFuture cfQuery = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return queryCode("中国石油");
        });
        // cfQuery成功后继续执行下一个任务:
        CompletableFuture cfFetch = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
            return fetchPrice(code);
        });
        // cfFetch成功后打印结果:
        cfFetch.thenAccept((result) -> {
            System.out.println("price: " + result);
        });
        // 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
        Thread.sleep(2000);
    }

    static String queryCode(String name) {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return "601857";
    }

    static Double fetchPrice(String code) {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return 5 + Math.random() * 20;
    }
}

总结：CompletableFuture可以指定异步处理流程：

thenAccept()处理正常结果；
exceptional()处理异常结果；
thenApplyAsync()用于串行化另一个CompletableFuture；
anyOf()和allOf()用于并行化多个CompletableFuture。

Fork Join

??Java 7开始引入了一种新的Fork/Join线程池，它可以执行一种特殊的任务：把一个大任务拆成多个小任务并行执行。Fork/Join线程池在Java标准库中就有应用。Java标准库提供的java.util.Arrays.parallelSort(array)可以进行并行排序，它的原理就是内部通过Fork/Join对大数组分拆进行并行排序，在多核CPU上就可以大大提高排序的速度。Fork/Join是一种基于“分治”的算法：通过分解任务，并行执行，最后合并结果得到最终结果。ForkJoinPool线程池可以把一个大任务分拆成小任务并行执行，任务类必须继承自RecursiveTask或RecursiveAction。使用Fork/Join模式可以进行并行计算以提高效率。

ThreadLocal

??多线程是Java实现多任务的基础，Thread对象代表一个线程，我们可以在代码中调用Thread.currentThread()获取当前线程。Java标准库提供了一个特殊的ThreadLocal，它可以在一个线程中传递同一个对象，注意到普通的方法调用一定是同一个线程执行的。ThreadLocal实例通常总是以静态字段初始化如：static ThreadLocal threadLocalUser = new ThreadLocal();实际上，可以把ThreadLocal看成一个全局Map：每个线程获取ThreadLocal变量时，总是使用Thread自身作为key：因此，ThreadLocal相当于给每个线程都开辟了一个独立的存储空间，各个线程的ThreadLocal关联的实例互不干扰。最后，特别注意ThreadLocal一定要在finally中清除：这是因为当前线程执行完相关代码后，很可能会被重新放入线程池中，如果ThreadLocal没有被清除，该线程执行其他代码时，会把上一次的状态带进去。ThreadLocal适合在一个线程的处理流程中保持上下文（避免了同一参数在所有方法中传递）。

【说明】：本文参考了廖雪峰官方网站的Java教程，廖雪峰官方网站的多线程教程链接：https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1255943750561472

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原文地址：https://www.cnblogs.com/reminis/p/13282969.html

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