JAVA核心技术笔记总结--第14章线程总结

转载自https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/Java%20%E5%B9%B6%E5%8F%91.md

0、进程和线程的区别：

进程：每个进程都有独立的代码和数据空间（进程上下文），进程间的切换会有较大的开销，上下文切换大约需要上千条指令，一个进程包含1--n个线程。（进程是资源分配的最小单位）

线程：同一类线程共享代码和数据空间，每个线程有独立的运行栈和程序计数器(PC)，线程切换开销小，大约需要100条指令。（线程是cpu调度的最小单位）

多线程程序是乱序执行。因此，只有乱序执行的代码才有必要设计为多线程。实际上所有的多线程代码执行顺序都是不确定的，每次执行的结果都是随机的。线程安全指的是：无论各线程的相对执行次序如何，所有线程执行完的最终结果是确定的。

一、线程状态转换

新建（New）

线程创建后尚未启动。

可运行（Runnable）

线程可能正在运行，也可能等待获取 CPU。包含了操作系统线程状态中的 Running 和 Ready。

阻塞（Blocking）

当线程试图获取一个对象锁(Synchronized 锁，而不是 JUC 中的 Lock)未成功时，该线程进入阻塞状态。当其他线程释放该锁，并且线程调度器允许本线程持有它的时候，该线程将变成非阻塞态。

无限期等待（Waiting）

当线程等待其他线程通知调度器满足条件时，它自己进入等待状态。如

进入方法	退出方法
JUC 中的 Lock()	其他线程执行了 unlock()
FutureTask.get()	线程执行结束
没有设置 Timeout 参数的 Thread.join() 方法	被调用的线程执行完毕
没有设置 Timeout 参数的 Object.wait() 方法	Object.notify() / Object.notifyAll()
Condition的 await()	其他线程在本条件对象上执行了 signal()/signalAll()

限期等待（Timed Waiting）

有几个方法有超时参数。调用它们导致线程进入限期等待状态。这一状态将一直保持到超时期满或者接收到适当的通知。带有超时参数的方法有：

进入方法	退出方法
Thread.sleep() 方法	超时
Lock.tryLock() 方法	超时 / 获得锁
FutureTask.get()	超时 / 线程执行结束
设置了 Timeout 参数的 Thread.join() 方法	超时 / 被调用的线程执行完毕
设置了 Timeout 参数的 Object.wait() 方法	超时 / Object.notify() / Object.notifyAll()
Condition.await()	超时 / Condition.signal() / Condition.signalAll()

线程终止

线程会以如下方式结束，结束后就处于死亡状态。

run() 或 call() 方法执行完成，线程正常结束。
线程抛出一个未捕获的 Exception 或 Error。

当主线程创建并启动子线程后，子线程就拥有和主线程同样的地位，不会受主线程运行状态的影响。

可以调用线程对象的 isAlive() 方法测试线程是否已经死亡，当线程处于就绪、运行、阻塞三种状态时，该方法将返回 true；当线程处于新建、死亡两种状态时，该方法将返回 false。

二、创建线程

创建线程的方法有四种：

继承 Thread 类
实现 Runnable 接口
实现 Callable 接口
提交任务到线程池

实现 Runnable 和 Callable 接口的对象只能当做一个可以在线程中运行的任务，不是真正意义上的线程，最后还需要通过 Thread 来调用。可以说任务是通过线程驱动从而执行的。

继承 Thread 类

步骤如下：

定义 Thread 类的子类，在子类中覆盖 run() 方法。
创建 Thread 子类对象。
调用子类对象的 start() 方法启动线程，

启动线程后，虚拟机会将该线程放入就绪队列中等待调度，当一个线程被调度时会执行该线程的 run() 方法。

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // ...
    }
}
public static void main(String[] args) {
    MyThread mt = new MyThread();
    mt.start();
}

实现 Runnable 接口

步骤如下：

需要创建一个 Runnable 接口的实现类对象(通常通过 Lambda 表达式创建)。
将 Runnable 接口对象作为参数，创建 Thread 对象。
调用 Thread 对象的 start() 方法来启动线程。

public class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        // ...
    }
}
public static void main(String[] args) {
    MyRunnable instance = new MyRunnable();
    Thread thread = new Thread(instance);
    thread.start();
}

实现 Callable<E> 接口

步骤如下：

需要创建一个 Callable 接口的实现类对象(通常通过 Lambda 表达式创建)。
将 Callable 接口对象作为参数，创建 FutureTask<E> 对象。
将 FutureTask 对象作为参数，创建 Thread 对象。
调用 Thread 对象的 start() 方法来启动线程。
可以通过 FutureTask 的 get() 方法获取线程运行结果。

与 Runnable 相比，Callable 可以有返回值，类型参数表示返回值类型。返回值通过 FutureTask 进行封装。此外，call() 方法可以声明抛出异常。

public class MyCallable implements Callable<Integer> {
    public Integer call() {
        return 123;
    }
}
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    MyCallable mc = new MyCallable();
    FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(mc);
    Thread thread = new Thread(ft);
    thread.start();
    System.out.println(ft.get());
}

实现接口 VS 继承 Thread

实现接口会更好一些，因为：

Java 不支持多重继承，因此继承了 Thread 类就无法继承其它类，但是可以实现多个接口；
类可能只要求可执行就行，继承整个 Thread 类开销过大。
接口很容易的实现资源共享

三、Future<E> 接口

在介绍 Callable 时我们知道它可以有返回值，返回值通过 Future 进行封装。FutureTask 实现了 RunnableFuture 接口，该接口继承自 Runnable 和 Future 接口，这使得 FutureTask 既可以当做一个任务执行，也可以有返回值。

FutureTask 可用于异步获取执行结果或取消执行任务的场景。当一个计算任务需要执行很长时间，那么就可以用 FutureTask 来封装这个任务，主线程在完成自己的任务之后再去获取结果。

在 Future 接口里定义了如下几个方法来控制它关联的 Callable 任务以及获取任务执行结果：

boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：将 Future 里关联的 Callable 任务的中断标志置位。如果任务已经开始，且 mayInterruptIfRunning 为 true，它就会被中断。如果取消成功，则返回 true。
V get() ：获取 Callable 任务里的 call() 方法的返回值，若 call 方法未执行结束，调用该方法将导致程序阻塞，等到子线程结束后才会得到返回值。
V get(long timeout, TimeUnit unit) ：获取 Callable 任务里的 call() 方法的返回值。该方法让程序最多阻塞 timeout 和 unit 指定的时间，如果经过指定时间后 Callable 任务依然没有返回值，将会抛出 TimeoutException 异常。
boolean isCancelled() ：如果在 Callable 任务正常完成前被取消，则返回 true ；
boolean isDone() ：如果任务已结束，无论是正常结束、中途取消或发生异常，都返回 true 。

四、基础线程机制

Daemon

守护线程(后台线程 Daemon Thread)是程序运行时在后台提供服务的线程。

调用 Thread 对象的 setDaemon(true) 方法可以将指定线程设为后台线程。但必须在线程启动之前设定。

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
    thread.setDaemon(true);
    thread.start();
}

isDaemon() 方法，用于判断指定线程是否为后台线程。

当前台线程未全部结束时，前台线程和后台线程交替运行，但是当所有前台线程都运行结束时，所有后台线程也结束。

main() 线程默认是前台线程，但并不是所有的线程都默认是前台线程——前台线程创建的子线程默认都是前台线程，后台线程创建的子线程默认是后台线程。后台线程应该永远不去访问固有的资源，如文件、数据库，因为它会在任何时候结束。

sleep()

Thread.sleep(millisec) 方法会休眠当前正在执行的线程，millisec 单位为毫秒。

当线程调用 sleep() 后，如果被其他线程中断，会抛出 InterruptedException，因为异常不能跨线程传播回 main() 中，因此必须在本地进行处理。线程中抛出的其它异常也同样需要在本地进行处理。

public void run() {
    try {
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

yield()

是 Thread 类提供的一个静态方法，它可以让当前正在执行的线程进入就绪态，重新竞争CPU，不会阻塞该线程。重新竞争 CPU 时，优先级高的线程只是获得 CPU 的机会大，但并不一定会获得 CPU。

public void run() {
    Thread.yield();
}

线程优先级

线程都具有一定的优先级，优先级高的线程获得较多的执行机会。每个线程默认的优先级都与创建它的父线程的优先级相同，在默认情况下，main 线程具有普通优先级（NORM_PRIORITY）。

Thread 类提供了 setPriority(int newPriority)、getPriority() 方法来设置和返回指定线程的优先级，其中 setPriority() 方法的参数为1～10之间的整数，也可以使用 Thread 类的如下三个静态常量。

MAX_PRIORITY：其值是10。
MIN_PRIORITY：其值是1。
NORM_PRIORITY：其值是5。

虽然 java 提供了10个优先级级别，但是不同操作系统的优先级不能很好地和 java 的10个优先级对应，因此应该尽量避免直接用数字为线程指定优先级，而应该使用 java 提供的优先级常量。

五、线程池

创建和销毁线程时间以及系统资源的开销较大。如果程序中需要创建大量生命期短的线程，应该使用线程池。线程池中包含许多可运行的空闲线程。将一个 Runnable 或 Callable 对象提交给线程池，线程池就会启动一个线程来执行 run() 或 call() 方法。执行结束后，线程不会死亡，而是返回线程池中成为空闲状态，等待下一次执行。

注意：由于 Thread 类实现了 Runnable 接口，所以Thread类对象也可以提交给线程池。

此外，线程池可以有效地控制系统中并发线程的数量，当系统中包含大量并发线程时，会导致系统性能剧烈下降，甚至导致虚拟机崩溃，而创建一个固定数量的线程池可以控制系统中并发线程数。

线程池创建

执行器( Executor )类有许多静态方法用来构建线程池。创建出的线程池分为两种：提交任务后立即执行 ( ExecutorService ) 类对象和提交任务后延迟指定时间再执行 ( ScheduledExecutorService ) 类对象。

线程池对象类型	创建线程池的静态方法	方法描述
ExecutorService	newCachedThreadPool()	创建一个具有缓存功能的线程池。如果线程池中有空闲线程，就利用空闲线程创建任务，否则，创建新线程，线程完成后放入线程池。缓存型池子通常用于执行一些生存期很短的异步型任务。空闲线程会被保留60秒。超过60s，线程实例将被终止及移出池。
ExecutorService	newFixedThreadPool(int nThreads)	创建一个可重用的、具有固定线程数的线程池。空闲线程会一直被保留。如果提交的任务数多于空闲线程，那么未服务的任务放入等待队列中。
ExecutorService	newSingleThreadExecutor()	创建只有一个线程的线程池，顺序执行提交的每一个任务
ScheduledExecutorService	newScheduledThreadPool(int corePoolSize)	用于预定执行而构建的固定线程池
ScheduledExecutorService	newSingleThreadScheduledExecutor()	用于预定执行而构建的单线程池

任务提交

ExecutorService 线程池

对于 ExecutorService 类的线程池而言，有如下三个提交任务给 ExecutorService 线程池的方法：

Future<?> submit(Runnable task)：任务没有返回值
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result)：task 任务的返回值为 result
<T> Future<T> submit(Callable<T> task)：可以通过调用返回的 Future 对象的 get() 方法获取任务的返回值。

ExecutorService 类的 submit() 方法返回一个 Future 泛型对象。由于 Runnable 对象没有返回值，所以返回值类型是泛型通配符。此外，可以通过调用 Future 对象的 cancel()、isCancelled()、isDone() 来查询和控制任务的状态。

用完线程池后，应该调用线程池的 shutdown() 方法关闭线程池，调用 shutdown() 方法后，线程池不再接收新任务，但会将以前所有已提交任务执行完成。当线程池中的所有任务都执行完成后，池中的所有线程都会死亡；另外也可以调用线程池的 shutdownNow() 方法来关闭线程池，相当于调用每个线程的 interrupt() 方法。

使用 ExecutorService 线程池来执行线程任务的步骤如下。

调用 Executors 类的静态工厂方法创建一个 ExecutorService 对象，该对象代表一个线程池。
创建 Runnable 或 Callable 对象，作为线程执行任务。
调用 ExecutorService 对象的 submit() 方法来提交 Runnable 或 Callable 对象。通过 submit() 方法返回的 Future 对象获取任务的执行结果。
当不想提交任何任务时，调用 ExecutorService 对象的 shutdown() 方法来关闭线程池。

public class Main implements Serializable {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);
        Callable<Integer> ca = ()->{System.out.println("hello world!");return 1;};
        Future<Integer> future = pool.submit(ca);
        System.out.println(future.get());
        pool.shutdown();
    }
}

ScheduledExecutorService 线程池

对于 ScheduledExecutorService 类的线程池而言，有如下三个提交任务给 ScheduledExecutorService 线程池的方法：

ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,long delay,TimeUnit unit)： Runnable 任务将在 delay 延迟后执行。
ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,long delay,TimeUnit unit)： Callable 任务将在 delay 延迟后执行。
ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)：Runnable 任务将在 delay 延迟后执行，而且周期性的运行此任务。即在 initialDelay 后开始执行，依次在 initialDelay + period、initialDelay + 2*period··· 处重复执行。如果上次的线程还没有执行完成，那么会阻塞下一个线程的执行，即使有空闲线程。因此period可看作是线程重复执行的最小周期。
ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,long initialDelay,long delay,TimeUnit unit)：创建并执行一个在 initialDelay 初始延迟后首次启用的定期操作，随后在每一次执行终止和下一次执行开始之间都暂停 delay 时间。如果任务在任一次执行时遇到异常，就会取消后续执行；否则只能通过程序来显式取消或终止该任务。

六、中断

一个线程执行完毕之后会自动结束，如果在运行过程中发生异常也会提前结束。中断操作常用于让等待的线程结束运行。

interrupt()

当对一个线程调用 interrupt() 方法时，

对于可运行态的线程而言，只是将线程的中断状态被置为 true 。
当被中断线程处于可中断的等待态时（即此线程调用了 sleep() 、 wait() 、 join() 等而处于无限等待或限期等待状态时）
1. 被中断线程将清除中断标志。
2. 并抛出 InterruptionException 异常。

对于以下代码，在 main() 中启动一个线程之后再中断它，由于线程中调用了 Thread.sleep() 方法，因此会抛出一个 InterruptedException，从而提前结束线程，不执行之后的语句。

public class InterruptExample {
    private static class MyThread1 extends Thread {        
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("Thread run");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread thread1 = new MyThread1();
    thread1.start();
    thread1.interrupt();
    System.out.println("Main run");
}
//输出
Main run
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at InterruptExample.lambda$main$0(InterruptExample.java:5)
    at InterruptExample$$Lambda$1/713338599.run(Unknown Source)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

interrupted()

interrupted() 查询当前线程是否被中断。此方法为 Thread 类的静态方法。interrupted() 方法会清除线程的中断状态。方法声明为：static boolean interrupted();

isInterrupted()

是 Thread 类的实例方法。查询线程的中断状态，此方法不会改变线程的中断状态。方法声明为：boolean isInterrupted()。

java 没有要求被中断的线程应该终止。中断线程仅仅是将中断标志置位，被中断的线程决定如何响应中断。但普遍的情况是，线程简单地将中断作为一个终止信号，此种线程的 run 方法模板如下：

Runnable r = () -> {
    try{
        ...
        while(!Thread.currentThread().isInterrupted() && more work to do ){
           	do more work
        }
    }
    catch(InterruptedException e){
        //thread was interrupted during sleep or wait
    }
    finally{
        //cleanup,if required
    }
}

如果在 do more work 中调用了 sleep() or wait() 方法，那么无须通过检查中断状态来结束线程，而需要捕获InterruptedException，例如：

Runnable r = () -> {
    try{
        ...
		while(more work to do ){
			do more work
            Thread.sleep(delay);
		}
    }
    catch(InterruptedException e){
        //thread was interrupted during sleep or wait
    }
    finally{
        //cleanup,if required
    }
}

线程池中的线程中断

调用线程池的 shutdownNow() 方法，相当于调用每个线程的 interrupt() 方法，可用于中断所有线程。

如果只想中断 Executor 中的一个线程，可以通过使用 submit() 方法来提交一个线程，它会返回一个 Future<?> 对象，通过调用该对象的 cancel(true) 方法就可以中断线程。

七、互斥同步

Java 提供了两种锁机制来控制多个线程对共享资源的互斥访问。第一个是 JVM 实现的 synchronized，而另一个是 JDK 实现的类 Lock。

synchronized

synchronized 可作用于代码块、实例方法、静态方法。

1. 同步普通对象的代码块

同步代码块的语法格式如下：

public void func() {
    synchronized (this) {
        // ...
    }
}

代码含义是：线程开始执行同步代码块之前，必须获得该对象锁。任何时候只有一个线程可以获得对相同对象的锁定。当同步代码块执行完成后，该线程会释放该对象锁。它只作用于同一个对象，如果调用两个对象上的同步代码块，就不会进行同步。

对于以下代码，使用 ExecutorService 执行了两个线程。由于调用的是同一个对象的同步代码块，因此这两个线程会进行同步。当一个线程进入同步语句块时，另一个线程就必须等待。

public class SynchronizedExample {
    public void func1() {
        synchronized (this) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func1());
    executorService.execute(() -> e1.func1());
}
//输出结果
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

对于以下代码，两个线程调用了不同对象的同步代码块，因此这两个线程就不需要同步。从输出结果可以看出，两个线程交叉执行。

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func1());
    executorService.execute(() -> e2.func1());
}
//输出结果
0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9

2. 同步类对象的代码块

public void func() {
    synchronized (SynchronizedExample.class) {
        // ...
    }
}

作用于整个类，也就是说两个线程调用同一个类的不同对象上的这种同步语句，也会进行同步。

public class SynchronizedExample {
    public void func2() {
        synchronized (SynchronizedExample.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func2());
    executorService.execute(() -> e2.func2());
}
//输出
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

3.同步实例方法

同步方法在方法定义的返回值类型前添加synchronized 关键字。效果相当于同步代码块中同步监视器为this。

Class Foo{
  public synchronized static void methodA(){
    ///
  }
  public void methodB(){
    synchronized(Foo.class）//两者效果相同
  }
}

synchronized关键字不能继承，基类的方法synchronized f(){}在继承类中并不自动是synchronized，而仍是f(){}

4. 同步一个静态方法

public synchronized static void fun() {
    // ...
}

静态和非静态方法的锁互不干预。即类对象的锁和实例对象的锁互补干预。

Lock

锁提供了对共享资源的独占式访问，每次只能有一个线程对 Lock 对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得 Lock 对象。Lock只作用于使用相同 Lock 对象的各线程。

某些锁可能允许对共享资源并发访问，如 ReadWriteLock(读写锁)。 Lock、ReadWriteLock 是 Java 5 提供的两种根接口，并为 Lock 提供了 ReentrantLock 实现类(可重入锁)。

可重入锁

ReentrantLock 锁具有可重入性，即一个线程可以对已被加锁的 ReentrantLock 对象再次加锁， ReentrantLock 对象会维持一个计数器来追踪 lock() 方法的嵌套调用，线程在每次调用 lock() 加锁后，必须显式调用 unlock() 来释放锁，所以一段被锁保护的代码可以调用另一个被相同锁保护的方法，即在执行对象中所有同步方法不用再次获得锁。

public class LockExample {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    public void func() {
        lock.lock();
        try {
            //do work
        } finally {
            lock.unlock(); // 确保释放锁，从而避免发生死锁。
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    LockExample lockExample = new LockExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> lockExample.func());
    executorService.execute(() -> lockExample.func());
}
//效果如下
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

把 unlock() 放在 fimally 代码块至关重要，目的是：即使代码出现异常，也能保证线程释放锁，不会出现死锁的情况。

读写锁

ReentrantReadWriteLock 允许对共享资源并发访问，即允许多个读者线程同时访问，而每次只允许一个写者线程访问。

下面是使用读写锁的必要步骤：

构造一个 ReentrantReadWriteLock 对象：

private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

抽取读锁和写锁

private lock readLock = rwl.readLock();
private lock writeLock = rwl.writeLock();

对所有的获取方法加读锁：

public double getTotalBalance(){
  readLock.lock();
  try{...}
  finally{readLock.unlock();}
}

对所有的修改方法加写锁

public void transfer(...){
  writeLock.lock();
  try{...}
  finaly{writeLock.unlock();}
}

方法说明：

Lock readLock()

得到一个可以被多个读操作共用的读锁，但会排斥所有写操作。
Lock writeLock()

得到一个写锁，排斥所有其他的读操作和写操作。

tryLock()

tryLock 与 Lock 相比的优点时，当线程成功获得锁时，返回 true，否则，立即返回 false，线程不会阻塞。例如：

if(myLock.tryLock()){
  try{...}
  finally{myLock.unlock();}
}
else
  //do something else

此外，调用 tryLock 时，可以使用超时参数，例如：

if(myLock.tryLock(100,TimeUnit.MILLISECONDS))
  ...

TimeUnit 是一个枚举类型，可以取得值包括：SECONDS、MILLISECONDS、MICROSECONDS、NANOSECONDS。

lock() 方法不能被中断，如果一个线程在等待一个锁时被中断，被中断的线程在获得锁之前一直处于阻塞状态。如果出现死锁，那么 lock() 方法将无法终止。

而调用带有超时参数的 tryLock()，在等待期间被中断，将抛出中断异常，从而允许程序打破死锁。

比较

1. 锁的实现

synchronized 是一种悲观锁，是 JVM 实现的机制，JVM 会将 synchronized 解释为两条语句：monitorenter 和 monitorexit。由于synchronized 代码出现异常时，JVM 也会释放锁，所以有两条 monitorexit 指令。一条用于正常执行结束时释放锁，一条用于出现异常时释放锁。且每个对象内部都有一个对象锁。

而 ReentrantLock 是 JDK 实现的类。本质上属于乐观锁。它底层实现为 CAS 和 volatile。

2. 性能

新版本 Java 对 synchronized 进行了很多优化，例如线程自旋和适应性自旋，锁消除，锁粗化，轻量级锁和偏向所等。使得 synchronized 与 ReentrantLock 性能相差不大。

3. 等待可中断

当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情。

ReentrantLock 可中断，可设置超时，而 synchronized 不可中断，且不能设置超时。

4. 公平锁

公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁。

synchronized 中的锁是非公平的，ReentrantLock 默认情况下也是非公平的，但是也可以是公平的。

5. 锁绑定多个条件

一个 ReentrantLock 可以同时绑定多个 Condition 对象。

使用选择

除非需要使用 ReentrantLock 的高级功能，否则优先使用 synchronized。这是因为 synchronized 是 JVM 实现的一种锁机制，JVM 原生地支持它，而 ReentrantLock 不是所有的 JDK 版本都支持。并且使用 synchronized 不用担心没有释放锁而导致死锁问题，因为 JVM 会确保锁的释放。

八、线程之间的协作

当多个线程可以一起工作去解决某个问题时，如果某些部分必须在其它部分之前完成，那么就需要对线程进行协调。

join()

在线程中调用另一个线程的 join() 方法，会将当前线程挂起，而不是忙等待，直到目标线程执行结束。

public class JoinExample {
    private class A extends Thread {        
        public void run() {
            System.out.println("A");
        }
    }
    private class B extends Thread {
        private A a;
        B(A a) {
            this.a = a;
        }        
        public void run() throws Exception{
            a.join();
            System.out.println("B");
        }
    }
    public void test() {
        A a = new A();
        B b = new B(a);
        b.start();
        a.start();
    }
}
public static void main(String[] args) {
    JoinExample example = new JoinExample();
    example.test();
}
//输出
A
B

wait() notify() notifyAll()

Object 类提供了 wait()、notify() 和 notifyAll() 三个方法，三个方法必须由同步监视器来调用，即类对象或 this。

它们都属于 Object 的实例方法，不属于 Thread 的方法，且只能用在当前同步监视器的同步方法或者同步代码块中，否则会抛出 IllegalMonitorStateExeception。

方法说明：

wait()：导致当前线程阻塞，直到其他线程调用该同步监视器的 notify() 方法或 notifyAll() 方法来唤醒该线程。该 wait() 方法有三种形式
1. 无时间参数的 wait （一直等待，知道其他线程通知）
2. 带毫秒参数的 wait() 。
3. 带毫秒、毫微秒参数的 wait()（这两种方法都是等待指定时间后自动苏醒）。

调用 wait() 方法的当前线程会释放对同步监视器的锁定。调用wait()方法的线程在被唤醒且获得了锁之后，会从下一句继续执行。被唤醒线程应该再次测试条件，因为无法保证等待条件已经满足。

notify()：唤醒在此同步监视器上等待的单个线程。如果有多个线程都在此同步监视器上等待，则会随机唤醒一个线程。只有当前线程放弃对该同步监视器的锁定后，才可以执行被唤醒的线程。
notifyAll()：唤醒在此同步监视器上等待的所有线程。只有当前线程放弃对该同步监视器的锁定后，才可以执行被唤醒的线程。

await() signal() signalAll()

当使用 Lock 进行线程同步时，java 使用 Condition 类进行线程通信。通过调用 Lock 对象的 newCondition() 可以创建该对 Lock 对象的 Condition 实例，一个 Lock 对象可以创建多个 Condition 实例。

Condition类提供了如下三个方法：

await()：类似于同步监视器上的 wait() 方法，导致当前线程等待，直到其他线程调用该 Condition 的 singnal 方法或 signalAll() 方法来唤醒该线程。该 await() 方法有更多变体，如 long awaitNanos(long nanosTimeout)、void awaitUninterruptibly()、awaitUntil(Date deadline) 等。
signal()：唤醒在此 Lock 对象上等待的单个线程。
signalAll()：唤醒在此 Lock 对象上等待的所有线程。

public class AwaitSignalExample {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();
    public void before() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("before");
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void after() {
        lock.lock();
        try {
            condition.await();
            System.out.println("after");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    AwaitSignalExample example = new AwaitSignalExample();
    executorService.execute(() -> example.after());
    executorService.execute(() -> example.before());
}
//
before
after

九、线程局部变量

ThreadLocal 泛型类是线程局部变量的意思，主要功能是，为每一个使用该变量的线程都提供一个变量值的副本，使得每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会与其他线程冲突，从线程角度看，就好象每一个线程都完全拥有该变量一样。

ThreadLocal 类的用法非常简单，它只提供了如下三个 public 方法。

protected T initialValue()：返回当前线程中线程局部变量的初始值。线程第一次调用 get() 方法时将调用此方法。但如果线程之前调用了 set() 方法，则不会对该线程再调用 initialValue() 方法，但如果局部变量有了初始值之后，又调用了 remove() 方法，则下次调用 get() 方法时，可能要再次调用此方法。
T get()：返回此线程局部变量中当前线程副本中的值。如果变量没有赋初始值，则先调用 initialValue() 进行初始化。
void remove()：删除此线程局部变量中当前线程的值。
void set(T value)：设置此线程局部变量中当前线程副本中的值。大部分子类不需要重写此方法，他们只依靠 initialValue() 方法来设置线程局部变量的值。

ThreadLocal 将需要并发访问的资源复制多份，每个线程拥有一份资源，每个线程都拥有自己的资源副本，从而无需对该变量进行同步。示例如下：

public class SafeTask implements Runnable {
    private static ThreadLocal<Date> startDate = new ThreadLocal<Date>(){        
        protected Date initialValue() {
            return new Date();
        }        
    };    
    public void run() {        
        System.out.printf("Thread Finished: %s : %s\n", Thread.currentThread().getId(), startDate.get());
    }
    public static void main(String[] args){
        SafeTask st = new SafeTask();
        for(int i=0;i<10;i++){
          Thread t = new Thread(st);
          t.start();
    	}
    }
}

十、J.U.C - AQS(AbstractQueueSynchronizer)

java.util.concurrent（J.U.C）大大提高了并发性能，AQS 被认为是 J.U.C 的核心。

CountdownLatch

用来同步一个或多个任务，强制它们等待由其他任务执行的一组操作完成。

你可以向 CountdownLatch 对象设置一个初始计数值，任何在该对象上调用 wait() 的方法都阻塞，直到这个技术到达0.其他任务在结束其工作时，可以在该对象上调用 countDown() 来减小这个计数值。CountdownLatch 被设计为只出发依次，计数值不能重置。如果需要能够重置计数值的版本，则可以使用 CyclicBarrier。

调用 countDown() 的任务在产生这个调用时并没有被阻塞，只有对 await() 的调用会被阻塞，直至计数值到达0.

CountdownLatch 的典型用法是将一个程序分为 n 个互相独立的可解决任务，并创建值为0的 CountdownLatch。每当任务完成时，都会在这个锁存器上调用 countDown()。等待问题被解决的任务在这个锁存器上调用 await()，将它们自己拦住，直至锁存器技术结束。即，维护了一个计数器 cnt，每次调用 countDown() 方法会让计数器的值减 1，减到 0 的时候，那些因为调用 await() 方法而在等待的线程就会被唤醒。

public class CountdownLatchExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int totalThread = 10;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(totalThread);
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < totalThread; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                System.out.print("run..");
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        System.out.println("end");
        executorService.shutdown();
    }
}
run..run..run..run..run..run..run..run..run..run..end

CyclicBarrier

用来控制多个线程互相等待，只有当多个线程都到达时，这些线程才会继续执行。

和 CountdownLatch 相似，都是通过维护计数器来实现的。线程执行 await() 方法之后计数器会减 1，并进行等待，直到计数器为 0，所有调用 awati() 方法而在等待的线程才能继续执行。

CyclicBarrier 和 CountdownLatch 的一个区别是，CyclicBarrier 的计数器通过调用 reset() 方法可以循环使用，所以它才叫做循环屏障。

CyclicBarrier 有两个构造函数，其中 parties 指示计数器的初始值，barrierAction 在所有线程都到达屏障的时候会执行一次。

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.parties = parties;
    this.count = parties;
    this.barrierCommand = barrierAction;
}

public CyclicBarrier(int parties) {
    this(parties, null);
}

用法如下：

public class CyclicBarrierExample {
    public static void main(String[] args) {
        final int totalThread = 10;
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(totalThread);
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < totalThread; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                System.out.print("before..");
                try {
                    cyclicBarrier.await();
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.print("after..");
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }
}
before..before..before..before..before..before..before..before..before..before..after..after..after..after..after..after...

Semaphore

Semaphore 就是操作系统中的信号量，可以控制对互斥资源的访问线程数。

以下代码模拟了对某个服务的并发请求，每次只能有 3 个客户端同时访问，请求总数为 10。

public class SemaphoreExample {
    public static void main(String[] args) {
        final int clientCount = 3;
        final int totalRequestCount = 10;
        Semaphore semaphore = new Semaphore(clientCount);
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < totalRequestCount; i++) {
            executorService.execute(()->{
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.print(semaphore.availablePermits() + " ");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    semaphore.release();
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }
}
2 1 2 2 2 2 2 1 2 2

BlockingQueue

java.util.concurrent.BlockingQueue 接口有以下阻塞队列的实现：

FIFO 队列 ：LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue（固定长度）
优先级队列 ：PriorityBlockingQueue

提供了阻塞的 take() 和 put() 方法：如果队列为空 take() 将阻塞，直到队列中有内容；如果队列为满 put() 将阻塞，直到队列有空闲位置。

使用 BlockingQueue 实现生产者消费者问题

public class ProducerConsumer {
    private static BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(5);
    private static class Producer extends Thread {        
        public void run() {
            try {
                queue.put("product");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.print("produce..");
        }
    }
    private static class Consumer extends Thread {
        public void run() {
            try {
                String product = queue.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.print("consume..");
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        Producer producer = new Producer();
        producer.start();
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        Consumer consumer = new Consumer();
        consumer.start();
    }
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        Producer producer = new Producer();
        producer.start();
    }
}
produce..produce..consume..consume..produce..consume..produce..consume..produce..consume..

十一、多线程经典题目

建立三个线程，A线程打印10次A，B线程打印10次B,C线程打印10次C，要求线程同时运行，交替打印10次ABC。这个问题用Object的wait()，notify()就可以很方便的解决。代码如下：

/**
 *@functon 多线程学习 yield
 *@author 林炳文
 *@time 2015.3.9
 */
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Object a = new Object(), b = new Object(), c = new Object();
        MyThreadPrinter2 pa = new MyThreadPrinter2("A", c, a);
        MyThreadPrinter2 pb = new MyThreadPrinter2("B", a, b);
        MyThreadPrinter2 pc = new MyThreadPrinter2("C", b, c);
        new Thread(pa).start();
        //确保按顺序A、B、C执行，sleep参数取值，取决于各线程执行时间。参数值过小，可能出现打印顺序混乱或者死锁
        Thread.sleep(100);  
        new Thread(pb).start();
        Thread.sleep(100);
        new Thread(pc).start();
    }
}
class MyThreadPrinter2 implements Runnable {
    private String name;
    private Object prev;
    private Object self;
    MyThreadPrinter2(String name, Object prev, Object self) {
        this.name = name;
        this.prev = prev;
        this.self = self;
    }
    public void run() {
        int count = 10;
        while (count > 0) {
            synchronized (prev) {
                synchronized (self) {
                    System.out.print(name);
                    count--;
                    self.notify();
                }
                try{
                    //保证程序正常结束
                    if(count > 0){
                        prev.wait();
                    }
                }catch (InterruptedException e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

代码分析：

该问题为三线程间的同步唤醒操作，主要的目的就是 ThreadA->ThreadB->ThreadC->ThreadA 循环执行。为了控制线程执行的顺序，每个线程执行结束时，要先唤醒后继线程，然后 wait 前继线程。所以每个线程必须持有两个锁。

为了保证三个线程按照 ThreadA，ThreadB，ThreadC 的顺序启动。必须在线程启动代码之间插入睡眠时间，睡眠时间要保证 ThreadA 获取两把锁之后，ThreadB 才能启动。ThreadB 获取两把锁之后 ThreadC 才能启动。然后三线程就可以轮流输出。

此外，还需要注意，当 Thread 最后一次输出后，无须再等待前继线程，直接结束即可。

posted @ 2018-08-29 19:24 Echie 阅读(133) 评论(0) 编辑收藏举报

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JAVA核心技术笔记总结--第14章 线程总结

转载自https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/Java%20%E5%B9%B6%E5%8F%91.md

0、进程和线程的区别：

一、线程状态转换

二、创建线程

三、Future<E> 接口

四、基础线程机制

Daemon

sleep()

yield()

线程优先级

五、线程池

线程池创建

任务提交

ExecutorService 线程池

ScheduledExecutorService 线程池

六、中断

interrupt()

interrupted()

isInterrupted()

线程池中的线程中断

七、互斥同步

synchronized

1. 同步普通对象的代码块

2. 同步类对象的代码块

3.同步实例方法

4. 同步一个静态方法

Lock

可重入锁

读写锁

tryLock()

比较

使用选择

八、线程之间的协作

join()

wait() notify() notifyAll()

await() signal() signalAll()

九、线程局部变量

十、J.U.C - AQS(AbstractQueueSynchronizer)

CountdownLatch

CyclicBarrier

Semaphore

BlockingQueue

十一、多线程经典题目

JAVA核心技术笔记总结--第14章线程总结