[Java基础] Java线程复习笔记

先说说线程和进程，现代操作系统几乎无一例外地采用进程的概念，进程之间基本上可以认为是相互独立的，共享的资源非常少。线程可以认为是轻量级的进 程，充分地利用线程可以使得同一个进程中执行多种任务。Java是第一个在语言层面就支持线程操作的主流编程语言。和进程类似，线程也是各自独立的，有自 己的栈，自己的局部变量，自己的程序执行并行路径，但线程的独立性又没有进程那么强，它们共享内存，文件资源，以及其他进程层面的状态等。同一个进程内的 多个线程共享同样的内存空间，这也就意味着这些线程可以访问同样的变量和对象，从同一个堆上分配对象。显然，好处是多线程之间可以有效共享很多资源，坏处 是要确保不同线程之间不会产生冲突。

每个Java程序都至少有一个线程——main线程。当Java程序开始运行时，JVM就会创建一个main线程，然后在这个main线程里面调用 程序的main()方法。JVM同时也会创建一些我们看不到的线程，比如用来做垃圾收集和对象终结的（garbage collection and object finalization，JVM最重要的两种资源回收），或者JVM层面的其他整理工作。

为什么要使用线程？

1、可以使UI（用户界面）更有效（利用多线程技术，可以把时间较长的UI工作交给专门的线程，这样UI的主线程就不会被长期占用，界面就会流畅而不停滞）

2、有效利用多进程系统（单线程+多进程，太浪费系统资源了）

3、简化建模

4、执行异步处理或者后台处理（不同的线程做不同的工作）

线程的生命周期：

通常有两种方法创建一个线程，1、implement Runnable接口，2、继承Thread类

创建完成后，这个线程就进入了New State，直到它的start()方法被调用，它就进入了Runnable状态。

一个线程从Running State进入Terminated / Dead State标志着线程的终结，正常情况下有这么几种可能性：

1、线程的run()执行结束

2、线程抛出没有捕捉到的异常或者错误

当一个Java程序所有的非守护进程（Daemon Thread，即守护进程，负责一些包括资源回收在内的任务，我们无法结束这些进程）结束时，程序宣告执行结束。

 

Java Thread的重要方法必须熟悉。

join()：目标线程结束之前调用线程将会被Block，例如在main线程中创建了一个thread1线程，调用 thread1.join()，这就意味着thread1将优先执行，在thread1结束后main thread才会继续。一个join()方法的使用案例：将一个任务（比如从1万个元素的数组中选出最大值）分拆成10个小任务（每个小任务负责1000 个）分配给10个线程，调用它们的start()，然后分别调用join()，以确保10个任务都完成（分别选出了各自负责的1000个元素中的最大值） 后，主任务再进行下去（从10个结果中挑出最大值）。

sleep()：使当前线程进入Waiting State，直到指定的时间到了，或者被其他线程打断，从而回到Runnable State。

wait()：使调用线程进入Waiting State，直到被打断，或者时间到，或者被其他线程使用notify()，notifyAll()叫醒。

wait和sleep有一个非常重要的区别是，一个线程sleep的时候不会释放任何lock，而wait的时候会释放该对象上的lock。

notify()：这个方法被一个对象调用时，如果有多个线程在等待这个对象，这些处于Waiting State的线程中的一个会被叫醒。

notifyAll()：这个方法被一个对象调用时，如果有多个线程在等待这个对象，这些处于Waiting State的线程都会被叫醒。

多线程共享资源是讨论最多的话题，也是最容易出问题的地方之一，Java定义了两个关键字，synchronized和volatile，用来帮助共享的变量在多线程情况下能够正常工作。

synchronized一方面确保同一时间内只有一个线程能够执行一段受保护的代码，并且这个线程对数据（变量）进行的改动对于其他线程是可见 的。这里包含两层意思：前者依靠lock（锁）来实现，当一个线程处理一段受保护代码时，该线程就拥有lock，只有它释放了这个lock，其他线程才有 可能获得并访问这段代码；后者由JVM机制实现，对于受synchronized保护的变量，需要读取时（包括获取lock）会首先废弃缓存 （invalidate cache），进而直接读取main memory上的变量，完成改动时（包括释放lock）会flush缓存中的write operation，强行把所有改动更新到main memory。

为了提高performance，处理器都是会利用缓存来保存一些变量储存在内存中的地址，这样就存在一种可能性，在一个多进程架构中，一个内存地 址在一个进程的缓存中被修改了，其他进程并不会自动获得更新，于是不同进程上的2个线程就会看到同一个内存变量的两个不同值（因为两个缓存中的保存的内存 地址不同，一个被修改过）。Volatile关键字可以有效地控制原始类型变量（primitive variable，比如integer，boolean）的单一实例：当一个变量被定义为volatile的时候，无论读写，都会绕过缓存而直接对 main memory进行操作。

关于Java的锁（Locking）有一个问题需要注意：一段被lock保护的代码并不意味着就一定不能被多线程同时访问，而只意味着不能被等待同一个lock的多线程同时访问。

对于绝大多数的synchronized方法，它的lock就是调用方法的实例对象；对于static synchronized方法，它的lock是定义方法的类（因为static方法是每个类只有一份copy，而不是每个实例都有一份copy）。因 此，即使一个方法被synchronized保护了，多线程仍然可以同时调用这个方法，只要它们是调用不同实例上的这个方法。

synchronized代码块稍微复杂一些，一方面它也需要和synchronized方法一样定义lock的类型，另一方面必须考虑如果最小化 被保护的代码块，即能不放到synchronized里面就不放进去，比如局部变量的访问通通不需要保护，因为局部变量本身就只存在于单线程上。

下面两种加锁的方法是等效的，都是以Point类的实例为lock（即多线程可以同时访问不同Point实例的synchronized setXY()方法）：

    public class Point {  
      public synchronized void setXY(int x, int y) {  
    this.x = x;  
    this.y = y; }  
    }  

    public class Point {  
      public void setXY(int x, int y) {  
        synchronized (this) {  
          this.x = x;  
          this.y = y;  
    } }  
    }  

死锁（deadlock）是多线程编程中最怕遇到的情况。什么是死锁？当2个或2个以上的线程因为等待彼此释放lock而处于无限的等待状态就称 为死锁。简单来说就是线程1拥有对象A的lock，等待获取对象B的lock，线程2拥有对象B的lock，等待获取对象A的lock，这样就没完没了 了。

如何检测deadlock？

检查代码，看是否有层叠的synchronized代码块，或者调用彼此的synchronized方法，或者试图获取多个对象上的lock，等等。如果程序员不注意的话，这些情况都容易导致deadlock。

怎么防止deadlock是一个大话题，可以写一本书，简单来说的话就是当线程需要获取多个lock的时候（比如线程1和2都要获取对象A和B的 lock），永远按照一定的次序来。比如如果线程1和2都是先获取对象A的lock，再获取对象B，那就不会出现上面的deadlock了，因为如果1获 得了A lock，2就得等，而不是去获得B lock。

总结一下synchronized关键字的一些注意点：

1、synchronized关键字确保了需要同一个lock的多线程永远无法同时或并行访问同一个共享资源或者synchronized方法

2、synchronized关键字只能修饰方法或者代码块

3、任何时候一个线程想要访问synchronized方法或者代码块时，都要先获取lock，任何时候一个线程结束访问synchronized方法或代码块时，都会释放lock。即使因为错误或异常结束访问，也会释放lock

4、Java线程进入一个实例层synchronized方法时，要先获取对象层面的lock（object level lock）；进入静态synchronized方法时，要先获取类层面的lock（class level lock）

5、一个Java synchronized方法调用另一个synchronized方法，两个方法需要同一个lock的时候，线程不需要重新获取lock

6、在synchronized(myInstance)中，如果myInstance为Null，会抛出NullPointerException

7、synchronized关键字一个主要缺点就是它不支持并行的读取（因此对于一些值不可变的情况不要使用这个关键字，否则会无谓地影响performance）

8、synchronized关键字还有一个限制，它只支持单一JVM内的共享资源访问，对于多JVM共享一些文件资源或者数据库资源的时候，单单使用它就不够了，这时候程序员需要实现全局性的lock

9、synchronized关键字对performance影响很大，因此只有当真正需要的时候才用

10、优先使用synchronized代码块，而不是synchronized方法，确保将synchronized代码减小到最精，能不synchronized就不用synchronized关键字

11、静态和非静态的synchronized方法可能同时或者并行运行，因为它们被认为是使用了不同的lock（一个是object level，一个是class level）

12、从Java 5开始，对于volatile修饰的变量，读和写都被保证是原子的（atomic），即安全的。从performance的角度，操作volatile变量比从synchronized代码中访问变量要高效

13、synchronized代码可能会导致死锁

14、Java不允许在构造函数中使用synchronized关键字。理由很简单，如果构造函数中出现synchronized关键字，那当一个线程在构造实例时，其他线程都不知道，这就违背了同步的原则

15、synchronized关键字不能用于修饰变量，正如volatile关键字不能用于修饰方法

16、Java.util.concurrent.locks包提供了synchronized关键字的扩展功能，可以帮助程序员编写更为复杂的多线程操作

17、synchronized关键字同步内存（线程内存和主内存）

18、Java synchronization的一些关键方法，比如wait()、notify()、notifyAll()，定义在Object类中

19、在synchronized代码块中不要以非final变量（non final field）为锁，因为非final变量的引用常常会改变，一旦锁改变了，那synchronization就失去了意义。比如这个例子，一旦对 String变量进行操作，就在内存中生成新的String对象

    private String lock = new String("lock");  
    synchronized(lock){  
    System.out.println("locking on :"  + lock);  
    }  

20、不推荐使用String对象作为synchronized代码块的锁，即使是final String。因为String存放在内存的String变量池中，可能会有其他代码或者第三方的代码使用了同一个String对象为锁，这样容易导致一 些无法预测的问题。在下面的例子中，与其使用LOCK为锁，还不如创建一个Object实例为锁。

    private static final String LOCK = "lock";   //not recommended  
    private static final Object OBJ_LOCK = new Object(); //better  
      
    public void process() {  
       synchronized(LOCK) {  
          ........  
       }  
    }  

21、在Java库中，很多类默认不是线程安全的，需要程序员特别注意加上安全保护，比如Calendar, SimpleDateFormat等。