高效并发

来源：Cyc2018-Java 并发

何谓阿姆达尔定律

可提升性能倍数 = 1/(串行执行时间比 + 并行执行时间比/cpu数)

通过优化1)串行执行时间比 2)增加cpu数提升性能。

一、线程状态转换

新建（New）

创建后尚未启动。

运行（Runnable）

可能正在运行，也可能正在等待 CPU 时间片。

包含了操作系统线程状态中的 Running 和 Ready。

阻塞（Blocked）

等待获取一个排它锁，在程序等待进入同步区的时候，线程将进入这种转态。

无限期等待（Waiting）

不会被分配 CPU 时间片，必须等待其它线程显式地唤醒。

以下方法会让线程陷入无限期的等待转态

没有设置 Timeout 参数的 Object.wait() 方法 Object.notify() / Object.notifyAll()

没有设置 Timeout 参数的 Thread.join() 方法被调用的线程执行完毕

LockSupport.park() 方法 LockSupport.unpark(Thread)

限期等待（Timed Waiting）

不会被分配 CPU 时间片，但无需等待其它线程显式地唤醒，在一定时间之后会被系统自动唤醒。

调用 Thread.sleep() 方法使线程进入限期等待状态时，常常用“使一个线程睡眠”进行描述。

调用 Object.wait() 方法使线程进入限期等待或者无限期等待时，常常用“挂起一个线程”进行描述。

睡眠和挂起是用来描述行为，而阻塞和等待用来描述状态。

阻塞和等待的区别在于，阻塞在等着获取一个排它锁。而等待等着唤醒动作的发生，通过调用 Thread.sleep() 和

Object.wait() 等方法进入。

以下方法会让线程陷入限期的等待转态

Thread.sleep() 方法时间结束

设置了 Timeout 参数的 Object.wait() 方法时间结束 / Object.notify() / Object.notifyAll()

设置了 Timeout 参数的 Thread.join() 方法时间结束 / 被调用的线程执行完毕

LockSupport.parkNanos() 方法 LockSupport.unpark(Thread)

LockSupport.parkUntil() 方法 LockSupport.unpark(Thread)

结束（Terminated）

已终止线程的线程转态，线程已经结束执行。

二、使用线程

有三种使用线程的方法：

实现 Runnable 接口；

实现 Callable 接口；

继承 Thread 类。

区别：

实现 Runnable 和 Callable 接口的类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，因此最后还

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

实现 Runnable 接口

需要实现 run() 方法。

以Runnable子类对象为参数创建Thread对象，通过 Thread 对象调用 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 接口

与 Runnable 相比，Callable 可以有返回值，返回值通过 FutureTask 进行封装。

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());
}

继承 Thread 类

同样也是需要重写 run() 方法，因为 Thread 类也实现了 Runable 接口。

当调用 start() 方法启动一个线程时，虚拟机会将该线程放入就绪队列中等待被调度，当一个线程被调度时会执行该

线程的 run() 方法。

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

三、基础线程机制

Executor

Executor 管理多个异步任务的执行，而无需程序员显式地管理线程的生命周期。这里的异步是指多个任务的执行互

不干扰，不需要进行同步操作。

主要有三种 Executor：

CachedThreadPool：一个任务创建一个线程；没有核心线程，最大线程数为 Integer.MAX_VALUE,

FixedThreadPool：所有任务只能使用固定大小的线程；最大线程数等于核心线程数，阻塞队列的大小为Integer.MAX_VALUE

SingleThreadExecutor：相当于大小为 1 的 FixedThreadPool。最大线程数和核心线程数都等于1，阻塞队列的大小为Integer.MAX_VALUE

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        executorService.execute(new MyRunnable());
    }
    executorService.shutdown();
}

Daemon

守护线程是程序运行时在后台提供服务的线程，不属于程序中不可或缺的部分。

当所有非守护线程结束时，程序也就终止，同时会杀死所有守护线程。

main() 属于非守护线程。

使用 setDaemon() 方法将一个线程设置为守护线程。

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

sleep()

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

sleep() 可能会抛出 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。

线程睡眠不释放锁，抱着锁睡

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

yield() 礼让

对静态方法 Thread.yield() 的调用声明了当前线程已经完成了生命周期中最重要的部分，可以切换给其它线程来执

行。该方法只是对线程调度器的一个建议，而且也只是建议具有相同优先级的其它线程可以运行。

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

四、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。

InterruptedException

通过调用一个线程的 interrupt() 来中断该线程，如果该线程处于阻塞、限期等待或者无限期等待状态，那么就会抛

出 InterruptedException，从而提前结束该线程。但是不能中断 I/O 阻塞和 synchronized 锁阻塞。

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 {
        @Override
        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");
}

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()

如果一个线程的 run() 方法执行一个无限循环，并且没有执行 sleep() 等会抛出 InterruptedException 的操作，那么

调用线程的 interrupt() 方法就无法使线程提前结束。

但是调用 interrupt() 方法会设置线程的中断标记，此时调用 interrupted() 方法会返回 true。因此可以在循环体中使

用 interrupted() 方法来判断线程是否处于中断状态，从而提前结束线程。

public class InterruptExample {
    private static class MyThread2 extends Thread {
    @Override
        public void run() {
            while (!interrupted()) {
            // ..
            }
            System.out.println("Thread end");
        }
    }
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread thread2 = new MyThread2();
    thread2.start();
    thread2.interrupt();
}
Thread end

Executor 的中断操作

调用 Executor 的 shutdown() 方法会等待线程都执行完毕之后再关闭，但是如果调用的是 shutdownNow() 方法，

则相当于调用每个线程的 interrupt() 方法。

以下使用 Lambda 创建线程，相当于创建了一个匿名内部线程。

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> {
        try {
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("Thread run");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    executorService.shutdownNow();
    System.out.println("Main run");
}

Main run
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
at ExecutorInterruptExample.lambda$main$0(ExecutorInterruptExample.java:9)
at ExecutorInterruptExample$$Lambda$1/1160460865.run(Unknown Source)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

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。

Future<?> future = executorService.submit(() -> {
    // ..
});
future.cancel(true);

五、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 ReentrantLock。

synchronized

1. 同步一个代码块（通过monitor-enter和monitor-exit两个标志位标识同步块的起始位置和结束位置）

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

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());
}

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());
}

0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9

2. 同步一个方法 -- 通过设置 ACC_SYNCHRONIZED标志位来实现

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

它和同步代码块一样，作用于同一个对象。

3. 同步一个类（锁定的是类的字节码对象）

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());
}

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

4. 同步一个静态方法（作用于整个类）锁定的是字节码对象）

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

ReentrantLock

ReentrantLock 是 java.util.concurrent（J.U.C）包中的锁。

public class LockExample {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    public void func() {
        lock.lock();
        try {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
               }
        } 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());
}

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

比较

1. 锁的实现

synchronized 是 JVM 实现的，而 ReentrantLock 是 JDK 实现的。

2. 性能

新版本 Java 对 synchronized 进行了很多优化，例如自旋锁等，synchronized 与 ReentrantLock 大致相同。

3. 等待可中断（ReentrantLock的高级功能）

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，而 synchronized 不行。

4. 公平锁（ReentrantLock的高级功能）

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（ReentrantLock的高级功能）

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

6. 可重入

synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入的。外层方法加锁后内层方法如果加的同一把锁则可以不用线程阻塞，直接获取锁。只不过会在锁计数器上加一。

为什么有了synchronized还需要创建一个reetrantlock, 重复造轮子的目的是什么，有了新轮子是否就轮子就可以抛弃？

在解决死锁问题的时候，提出了一个破坏不可抢占条件方案，但是这个方案 synchronized 没有办法解决。原因是 synchronized 申请资源的时候，如果申请不到，线程直接进入阻塞状态了，而线程进入阻塞状态，啥都干不了，也释放不了线程已经占有的资源。但我们希望的是：

对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。

如果我们重新设计一把互斥锁去解决这个问题，那该怎么设计呢？我觉得有三种方案。

能够响应中断。synchronized 的问题是，持有锁 A 后，如果尝试获取锁 B 失败，那么线程就进入阻塞状态，一旦发生死锁，就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。但如果阻塞状态的线程能够响应中断信号，也就是说当我们给阻塞的线程发送中断信号的时候，能够唤醒它，那它就有机会释放曾经持有的锁 A。这样就破坏了不可抢占条件了。
支持超时。如果线程在一段时间之内没有获取到锁，不是进入阻塞状态，而是返回一个错误，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。
非阻塞地获取锁。如果尝试获取锁失败，并不进入阻塞状态，而是直接返回，由程序来进行判断获取锁是否成功，从而执行相应的操作。那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。

这三种方案可以全面弥补 synchronized 的问题。到这里相信你应该也能理解了，这三个方案就是“重复造轮子”的主要原因，体现在 API 上，就是 Lock 接口的三个方法。详情如下：

// 支持中断的 API
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
// 支持超时的 API
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)throws InterruptedException;
// 支持非阻塞获取锁的 API
boolean tryLock();

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。

六、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，直到目标线程结束。

对于以下代码，虽然 b 线程先启动，但是因为在 b 线程中调用了 a 线程的 join() 方法，b 线程会等待 a 线程结束才继续执行，因此最后能够保证 a 线程的输出先于 b 线程的输出。

public class JoinExample {
    private class A extends Thread {
         @Override
        public void run() {
        System.out.println("A");
        }
    }
    private class B extends Thread {
        private A a;
        B(A a) {
        this.a = a;
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                    a.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
            }
            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();
}

A
B

wait() notify() notifyAll()

调用 wait() 使得线程等待某个条件满足，线程在等待时会被挂起，当其他线程的运行使得这个条件满足时，其它线程会调用 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程。

它们都属于 Object 的一部分，而不属于 Thread。

只能用在同步方法或者同步控制块中使用，否则会在运行时抛出 IllegalMonitorStateException。

使用 wait() 挂起期间，线程会释放锁。这是因为，如果没有释放锁，那么其它线程就无法进入对象的同步方法或者同步控制块中，那么就无法执行 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程，造成死锁。

public class WaitNotifyExample {
    public synchronized void before() {
        System.out.println("before");
        notifyAll();
    }
    public synchronized void after() {
        try {
            wait();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("after");
    }
}

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    WaitNotifyExample example = new WaitNotifyExample();
    executorService.execute(() -> example.after());
    executorService.execute(() -> example.before());
}

before
after

wait() 和 sleep() 的区别

wait() 是 Object 的方法，而 sleep() 是 Thread 的静态方法；

wait() 会释放锁，sleep() 不会

await() signal() signalAll()

java.util.concurrent 类库中提供了 Condition 类来实现线程之间的协调，可以在 Condition 上调用 await() 方法使线程等待，其它线程调用 signal() 或 signalAll() 方法唤醒等待的线程。

相比于 wait() 这种等待方式，await() 可以指定等待的条件，因此更加灵活。

使用 Lock 来获取一个 Condition 对象。

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

七、J.U.C - AQS

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。

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)

什么是AQS

AbstractQueuedSynchronizer：抽象同步队列，简称AQS。AQS是JDK下提供的一套用于实现基于FIFO等待队列的阻塞锁和相关的同步器的一个同步框架。主要依赖一个 int 成员变量 state 来表示同步状态，以及一个管理等待锁的线程的 CLH 等待队列
AQS的等待队列是一个CLH（Craig, Landin, and Hagersten lock queue）队列：竞争资源同一时间只能被一个线程访问, CLH为管理等待锁的线程的队列

synchronized 能够对一个需要确保线程安全的对象、方法实现多线程并发控制，这是在java语法层次的实现，而AbstractQueuedSynchronizer 则是在应用层次而不是语法层次（更高的层次）提供了实现多线程并发控制组件的基础。

可见 CountDownLatch 是基于AQS框架来实现的一个同步器.类似的同步器在JUC下还有不少。(eg. Semaphore )

AQS 定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，

CountDownLatch

又称为闭锁，是一个同步辅助类，允许一个或者多个线程等待某个事件的发生, 事件没有发生前，所有线程将阻塞等待；而事件发生后，所有线程将开始执行；

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，继续执行后面的代码。

应用场景：

确保某个计算在其需要的所有资源都被初始化之后才继续执行。二元闭锁（包括两个状态）可以用来表示“资源R已经被初始化”，而所有需要R的操作都必须先在这个闭锁上等待。

确保某个服务在其依赖的所有其他服务都已经启动之后才启动。

等待直到某个操作的所有参与者都就绪才继续执行。（例如：多人游戏中需要所有玩家准备才能开始）

下面这个程序主程序刚开被中断，直到countDown将计数器的值减到0, 主程序才开始执行。

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 < 12; 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..run..end
run..

第二个例子：

示例：引用自http://aaron-han.iteye.com/blog/1591755

1. 有五个人，一个裁判。这五个人同时跑，裁判开始计时，五个人都到终点了，裁判喊停，然后统计这五个人从开始跑到最后一个撞线用了多长时间。

    import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
      
    public class Race {  
      
        public static void main(String[] args) {  
            final int num = 5;  
            final CountDownLatch begin = new CountDownLatch(1);  
            final CountDownLatch end = new CountDownLatch(num);  
      
            for (int i = 0; i < num; i++) {  
                new Thread(new AWorker(i, begin, end)).start();  
            }  
      
            // judge prepare...  
            try {  
                Thread.sleep((long) (Math.random() * 5000));  
            } catch (InterruptedException e1) {  
                e1.printStackTrace();  
            }  
      
            System.out.println("judge say : run !");  
            begin.countDown();  
            long startTime = System.currentTimeMillis();  
      
            try {  
                end.await();  
            } catch (InterruptedException e) {  
                e.printStackTrace();  
            } finally {  
                long endTime = System.currentTimeMillis();  
                System.out.println("judge say : all arrived !");  
                System.out.println("spend time: " + (endTime - startTime));  
            }  
      
        }  
      
    }  
      
    class AWorker implements Runnable {  
        final CountDownLatch begin;  
        final CountDownLatch end;  
        final int id;  
      
        public AWorker(final int id, final CountDownLatch begin,  
                final CountDownLatch end) {  
            this.id = id;  
            this.begin = begin;  
            this.end = end;  
        }  
      
        @Override  
        public void run() {  
            try {  
                System.out.println(this.id + " ready !");  
                begin.await();  
                // run...  
                Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));  
            } catch (Throwable e) {  
                e.printStackTrace();  
            } finally {  
                System.out.println(this.id + " arrived !");  
                end.countDown();  
            }  
        }  
      
    }

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 await() 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);
}

下面这段程序设置计数器初始值为10，当达到10个线程相互等待时解放所有的线程，最后只剩下两个线程不足十个，所以他们陷入等待，无法被唤醒。

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 < 12; 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..before..after..before..after..after..after..after..after..after..after..after..after..

第二个例子：

2. 继续，还是这五个人（这五个人真无聊..），这次没裁判。规定五个人只要都跑到终点了，大家可以喝啤酒。但是，只要有一个人没到终点，就不能喝。这里也没有要求大家要同时起跑(当然也可以，加latch)。

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
 
public class Beer {
 
    public static void main(String[] args) {
        final int count = 5;
        final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(count, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("drink beer!");
            }
        });
 
        // they do not have to start at the same time...
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            new Thread(new Worker(i, barrier)).start();
        }
    }
 
}
 
class Worker implements Runnable {
    final int id;
    final CyclicBarrier barrier;
 
    public Worker(final int id, final CyclicBarrier barrier) {
        this.id = id;
        this.barrier = barrier;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println(this.id + "starts to run !");
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
            System.out.println(this.id + "arrived !");
            this.barrier.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

区别：

闭锁用于所有线程等待一个外部事件的发生，比如只有达到一定数量的线程，才能突破关卡，继续运行；栅栏则是所有线程相互等待，好比是所有线程约定一起出去玩，直到所有线程都到了才可以出发。直到所有线程都到达某一点时才打开栅栏（可以理解为一个内部事件），然后线程可以继续执行

它们的另一个区别是，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。

Semaphore

Semaphore 类似于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。

acquire()获取一个许可， availablePremits()返回此信号量中当前可用的许可数

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 2 2 2 2 2 1 2 2 2

八、J.U.C - 其它组件

FutureTask

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。

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>
public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V>

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

public class FutureTaskExample {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                int result = 0;
                for (int i = 0; i < 100; i++) {
                    Thread.sleep(10);
                    result += i;
                }
                return result;
            }
        });
        Thread computeThread = new Thread(futureTask);
        computeThread.start();
        Thread otherThread = new Thread(() -> {
            System.out.println("other task is running...");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("other tash is over....");
        });
        otherThread.start();
        System.out.println(futureTask.get());
    }
}

other task is running...
other tash is over....
4950

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 {
        @Override
        public void run() {
            try {
                queue.put("product");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.print("produce..");
        }
    }
    private static class Consumer extends Thread {
        @Override
        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..

ForkJoin

主要用于并行计算中，和 MapReduce 原理类似，都是把大的计算任务拆分成多个小任务并行计算。

public class ForkJoinExample extends RecursiveTask<Integer> {
    private final int threshold = 5;
    private int first;
    private int last;

    public ForkJoinExample(int first, int last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        int result = 0;
        if (last - first <= threshold) {
// 任务足够小则直接计算
            for (int i = first; i <= last; i++) {
                result += i;
            }
        } else {
// 拆分成小任务
            int middle = first + (last - first) / 2;
            ForkJoinExample leftTask = new ForkJoinExample(first, middle);
            ForkJoinExample rightTask = new ForkJoinExample(middle + 1, last);
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();
            result = leftTask.join() + rightTask.join();
        }
        return result;
    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        ForkJoinExample example = new ForkJoinExample(1, 10000);
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
        Future result = forkJoinPool.submit(example);
        System.out.println(result.get());
    }
}

ForkJoin 使用 ForkJoinPool 来启动，它是一个特殊的线程池，线程数量取决于 CPU 核数。

public class ForkJoinPool extends AbstractExecutorService

ForkJoinPool 实现了工作窃取算法来提高 CPU 的利用率。每个线程都维护了一个双端队列，用来存储需要执行的任务。工作窃取算法允许空闲的线程从其它线程的双端队列中窃取一个任务来执行。窃取的任务必须是最晚的任务，避免和队列所属线程发生竞争。例如下图中，Thread2 从 Thread1 的队列中拿出最晚的 Task1 任务，Thread1 会拿出Task2 来执行，这样就避免发生竞争。但是如果队列中只有一个任务时还是会发生竞争。

九、线程不安全示例

如果多个线程对同一个共享数据进行访问而不采取同步操作的话，那么操作的结果是不一致的。

以下代码演示了 1000 个线程同时对 cnt 执行自增操作，操作结束之后它的值有可能小于 1000。

public class ThreadUnsafeExample {
    private int cnt = 0;
    public void add() {
        cnt++;
    }
    public int get() {
        return cnt;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int threadSize = 1000;
        ThreadUnsafeExample example = new ThreadUnsafeExample();
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                example.add();
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        System.out.println(example.get());
    }
}

十、Java 内存模型

Java 内存模型试图屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让 Java 程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

主内存与工作内存，速度差异，缓存一致性

处理器上的寄存器的读写的速度比内存快几个数量级，为了解决这种速度矛盾，在它们之间加入了高速缓存。加入高速缓存带来了一个新的问题：缓存一致性。如果多个缓存共享同一块主内存区域，那么多个缓存的数据可能会不一致，需要一些协议来解决这个问题。

所有的变量都存储在主内存中，每个线程还有自己的工作内存，工作内存存储在高速缓存或者寄存器中，保存了该线程使用的变量的主内存副本拷贝。

线程只能直接操作工作内存中的变量，不同线程之间的变量值传递需要通过主内存来完成。

多线程中java的内存模型把堆称作主内存、每个线程各自的栈称为工作内存。

内存间交互操作，八个操作

Java 内存模型定义了 8 个操作来完成主内存和工作内存的交互操作。

read：把一个变量的值从主内存传输到工作内存中
load：在 read 之后执行，把 read 得到的值放入工作内存的变量副本中
use：把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎
assign：把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量

store：把工作内存的一个变量的值传送到主内存中
write：在 store 之后执行，把 store 得到的值放入主内存的变量中
lock：作用于主内存的变量
unlock

内存模型三大特性

1. 原子性

Java 内存模型保证了 read、load、use、assign、store、write、lock 和 unlock 操作具有原子性，基本数据类型执行上面的8个操作的时候具备原子性。特例是Java内存模型允许没有被volatile修饰的long , double 类型的变量的读写分为两次来进行，但是发生错误的概率非常低，所以基本不用考虑这用情况。

更大范围的原子性需要用到lock 和 unlock 来实现，但是虚拟机没有直接提供这两个操作，而是提供了更高层次的monitorenter 和 monitoreixt来隐式的使用这两个操作，这两个字节码指令反映到java代码中就是synchronized关键字。

使用 AtomicInteger 重写之前线程不安全的代码之后得到以下线程安全实现：

public class AtomicExample {
    private AtomicInteger cnt = new AtomicInteger();
    public void add() {
        cnt.incrementAndGet();
    }
    public int get() {
        return cnt.get();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int threadSize = 1000;
        AtomicExample example = new AtomicExample(); // 只修改这条语句
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                example.add();
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        System.out.println(example.get());
    }
}

除了使用原子类之外，也可以使用 synchronized 互斥锁来保证操作的原子性。它对应的内存间交互操作为：lock 和

unlock，在虚拟机实现上对应的字节码指令为 monitorenter 和 monitorexit。

public class AtomicSynchronizedExample {
    private int cnt = 0;
    public synchronized void add() {
        cnt++;
    }
    public synchronized int get() {
        return cnt;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int threadSize = 1000;
        AtomicSynchronizedExample example = new AtomicSynchronizedExample();
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                example.add();
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        System.out.println(example.get());
    }
}

2. 可见性

可见性指当一个线程修改了共享变量的值，其它线程能够立即得知这个修改。Java 内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值来实现可见性的。

主要有三种实现可见性的方式：

volatile
synchronized，对一个变量执行 unlock 操作之前，必须把变量值同步回主内存。
final，被 final 关键字修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且没有发生 this 逃逸（其它线程通过 this 引用访问到初始化了一半的对象），那么其它线程就能看见 final 字段的值。

对前面的线程不安全示例中的 cnt 变量使用 volatile 修饰，不能解决线程不安全问题，因为 volatile 并不能保证操作的原子性。比如多个线程同时从主内存刷新值，获取到同一个值，对同一个值进行加一操作，线程不安全，写回主内存时有些值会被覆盖掉。

3. 有序性

有序性是指：在本线程内观察，所有操作都是有序的。在一个线程观察另一个线程，所有操作都是无序的，无序是因为发生了指令重排序。在 Java 内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

volatile 关键字通过添加内存屏障的方式来禁止指令重排序，即重排序时不能把后面的指令放到内存屏障之前。

也可以通过 synchronized 来保证有序性，它保证每个时刻只有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码。

先行发生原则

上面提到了可以用 volatile 和 synchronized 来保证有序性。除此之外，JVM 还规定了先行发生原则，让一个操作无需控制就能先于另一个操作完成。

时间先后顺序和先行发生原则基本没有因果关系

1. 程序次序原则

Single Thread rule

在一个线程内，在程序前面的操作先行发生于后面的操作。

2. 管程锁定规则

Monitor Lock Rule

一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。

3. volatile 变量规则

Volatile Variable Rule

对一个 volatile 变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。

4. 线程启动规则

Thread Start Rule

Thread 对象的 start() 方法调用先行发生于此线程的每一个动作。

5. 线程终止规则

Thrad Termination Rule

线程的所有操作都现行发生与对这个线程的终止检测

6. 线程中断规则

Thread Interruption Rule

对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过 interrupted() 方法检测到是否有中断发生。

7. 对象终结规则

Finalizer Rule

一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的 finalize() 方法的开始。

8. 传递性

Transitivity

如果操作 A 先行发生于操作 B，操作 B 先行发生于操作 C，那么操作 A 先行发生于操作 C。

十一、线程安全

如果一个对象可以安全地被多个线程使用，那它就是线程安全的。

当多个线程同时访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那就称这个对象是线程安全的。

线程安全程度划分：

不可变

不可变（Immutable）的对象一定是线程安全的，不需要再采取任何的线程安全保障措施。只要一个不可变的对象被正确地构建出来，永远也不会看到它在多个线程之中处于不一致的状态。多线程环境下，应当尽量使对象成为不可变，来满足线程安全。

不可变的类型：

final 关键字修饰的基本数据类型
String
枚举类型
Number 部分子类，如 Long 和 Double 等数值包装类型，BigInteger 和 BigDecimal 等大数据类型。但同为Number 的原子类 AtomicInteger 和 AtomicLong 则是可变的。

对于集合类型，可以使用 Collections.unmodifiableXXX() 方法来获取一个不可变的集合。

public class ImmutableExample {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
        Map<String, Integer> unmodifiableMap = Collections.unmodifiableMap(map);
        unmodifiableMap.put("a", 1);
    }
}
Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException
    at java.util.Collections$UnmodifiableMap.put(Collections.java:1457)
    at ImmutableExample.main(ImmutableExample.java:9)

Collections.unmodifiableXXX() 先对原始的集合进行拷贝，需要对集合进行修改的方法都直接抛出异常。

public V put(K key, V value) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

绝对线程安全

不论运行环境如何，调用者都不需要任何额外的同步措施。

相对线程安全

就是我们通常意义上所讲的线程安全，他需要保证对这个对象单次的操作是线程安全的。如Vector, HashTable都属于这种类型。

线程兼容

线程兼容是指对象本身不是线程安全的，但是可以通过在调用端正确的使用同步手段来保证对象在并发环境中可以安全的使用。我们平常说一个类不是线程安全的，通常就是这种情况。

线程对立

不管调用端是否采用了同步措施，都无法并发使用代码。

线程安全的实现方法：

悲观锁：

总是认为只要不去做正确的同步措施，那就肯定会出现问题，无论共享的数据是否真的会出现竞争，它都会进行加锁。多写操作时使用。

乐观锁：

不管风险，先进行操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就直接成功了，如果共享数据的确被争用，产生了冲突，那再进行其他的补偿措施。最常见的补偿措施就是不断尝试，直到共享数据没有出现竞争为止。多读操作时使用

互斥同步（阻塞同步）悲观锁

synchronized 和 ReentrantLock。

主要问题是进行线程阻塞和线程唤醒带来的性能开销

非阻塞同步

1. CAS

随着硬件指令集的发展，我们可以使用基于冲突检测的乐观并发策略：先进行操作，如果没有其它线程争用共享数据，那操作就成功了，否则采取补偿措施（不断地重试，直到成功为止）。这种乐观的并发策略的许多实现都不需要将线程阻塞，因此这种同步操作称为非阻塞同步。

乐观锁需要保证操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，这里就不能再使用互斥同步来保证了，只能靠硬件来完成。硬件支持的原子性操作最典型的是：比较并交换（Compare-and-Swap，CAS）。CAS 指令需要有 3 个操作数，分别是内存地址 V、旧的预期值 A 和新值 B。当执行操作时，只有当 V 的值等于 A，才将 V 的值更新为 B。

2. AtomicInteger（本质上也是通过cas操作来实现的）

J.U.C 包里面的整数原子类 AtomicInteger 的方法调用了 Unsafe 类的 CAS 操作。

以下代码使用了 AtomicInteger 执行了自增的操作。

private AtomicInteger cnt = new AtomicInteger();
public void add() {
    cnt.incrementAndGet();
}

以下代码是 incrementAndGet() 的源码，它调用了 Unsafe 的 getAndAddInt() 。

public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

以下代码是 getAndAddInt() 源码，var1 指示对象内存地址，var2 指示该字段相对对象内存地址的偏移，var4 指示操作需要加的数值，这里为 1。通过 getIntVolatile(var1, var2) 得到旧的预期值，通过调用 compareAndSwapInt()来进行 CAS 比较，如果该字段内存地址中的值等于 var5，那么就更新内存地址为 var1+var2 的变量为 var5+var4。可以看到 getAndAddInt() 在一个循环中进行，发生冲突的做法是不断的进行重试。

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
           var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    return var5;
}

3. ABA

如果一个变量初次读取的时候是 A 值，它的值被改成了 B，后来又被改回为 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被改变过。

J.U.C 包提供了一个带有标记的原子引用类 AtomicStampedReference 来解决这个问题，它可以通过控制变量值的版本来保证 CAS 的正确性。大部分情况下 ABA 问题不会影响程序并发的正确性，如果需要解决 ABA 问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

无同步方案

要保证线程安全，并不是一定就要进行同步。如果一个方法本来就不涉及共享数据，那它自然就无须任何同步措施去

保证正确性。

1. 栈封闭

多个线程访问同一个方法的局部变量时，不会出现线程安全问题，因为局部变量存储在虚拟机栈中，属于线程私有的。

public class StackClosedExample {
    public void add100() {
        int cnt = 0;
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
        cnt++;
        }
        System.out.println(cnt);
    }
}

public static void main(String[] args) {
    StackClosedExample example = new StackClosedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> example.add100());
    executorService.execute(() -> example.add100());
    executorService.shutdown();
}

100
100

2. 线程本地存储（Thread Local Storage）（把从通过对象的成员变量来共享数据变成通过线程的局部变量来共享数据

如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行。如果能保证，我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。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。ThreadLocal是一种线程封闭技术。ThreadLocal提供了get和set等访问接口或方法，这些方法为每个使用该变量的线程都存有一份独立的副本，因此get总是返回由当前执行线程在调用set时设置的最新值。

符合这种特点的应用并不少见，大部分使用消费队列的架构模式（如“生产者-消费者”模式）都会将产品的消费过程尽量在一个线程中消费完。其中最重要的一个应用实例就是经典 Web 交互模型中的“一个请求对应一个服务器程”（Thread-per-Request）的处理方式，这种处理方式的广泛应用使得很多 Web 服务端应用都可以使用线程本地存储来解决线程安全问题。

可以使用 java.lang.ThreadLocal 类来实现线程本地存储功能。

对于以下代码，thread1 中设置 threadLocal 为 1，而 thread2 设置 threadLocal 为 2。

过了一段时间之后，thread1 读取 threadLocal 依然是 1，不受 thread2 的影响。

public class ThreadLocalExample {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            threadLocal.set(1);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(threadLocal.get());
            threadLocal.remove();
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            threadLocal.set(2);
            threadLocal.remove();
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

为了理解 ThreadLocal，先看以下代码：

public class ThreadLocalExample1 {
    public static void main(String[] args) {
    ThreadLocal threadLocal1 = new ThreadLocal();
    ThreadLocal threadLocal2 = new ThreadLocal();
    Thread thread1 = new Thread(() -> {
        threadLocal1.set(1);
        threadLocal2.set(1);
    });
    Thread thread2 = new Thread(() -> {
        threadLocal1.set(2);
        threadLocal2.set(2);
    });
    thread1.start();
    thread2.start();
    }
}

每个 Thread 都有一个 ThreadLocal.ThreadLocalMap 对象。

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
* by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

当调用一个 ThreadLocal 的 set(T value) 方法时，先得到当前线程的 ThreadLocalMap 对象，然后将 ThreadLocal-

>value 键值对插入到该 Map 中。

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
           map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

get() 方法类似

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();
}

ThreadLocal 从理论上讲并不是用来解决多线程并发问题的，因为根本不存在多线程竞争。

在一些场景 (尤其是使用线程池) 下，由于 ThreadLocal.ThreadLocalMap 的底层数据结构导致 ThreadLocal 有内存泄漏的情况，应该尽可能在每次使用 ThreadLocal 后手动调用 remove()，以避免出现 ThreadLocal 经典的内存泄漏甚至是造成自身业务混乱的风险。

3. 可重入代码（Reentrant Code）

这种代码也叫做纯代码（Pure Code），可以在代码执行的任何时刻中断它，转而去执行另外一段代码（包括递归调用它本身），而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。

可重入代码有一些共同的特征，例如不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源、用到的状态量都由参数中传入、不调用非可重入的方法等。

十二、锁优化

这里的锁优化主要是指 JVM 对 synchronized 的优化。

自旋锁

互斥同步进入阻塞状态的开销都很大，应该尽量避免。在许多应用中，共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间。自旋锁的思想是让一个线程在请求一个共享数据的锁时执行忙循环（自旋）一段时间，如果在这段时间内能获得锁，就可以避免进入阻塞状态。

自旋锁虽然能避免进入阻塞状态从而减少开销，但是它需要进行忙循环操作占用 CPU 时间，它只适用于共享数据的锁定状态很短的场景。

在 JDK 1.6 中引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的次数不再固定了，而是由前一次在同一个锁上的自旋次数及锁的拥有者的状态来决定。

锁消除

锁消除是指对于被检测出不可能存在竞争的共享数据的锁进行消除。

锁消除主要是通过逃逸分析来支持，如果堆上的共享数据不可能逃逸出去被其它线程访问到，那么就可以把它们当成

私有数据对待，也就可以将它们的锁进行消除。

对于一些看起来没有加锁的代码，其实隐式的加了很多锁。例如下面的字符串拼接代码就隐式加了锁：

public static String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    return s1 + s2 + s3;
}

String 是一个不可变的类，编译器会对 String 的拼接自动优化。在 JDK 1.5 之前，会转化为 StringBuffer 对象的连续 append() 操作：

public static String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    sb.append(s3);
    return sb.toString();
}

每个 append() 方法中都有一个同步块。虚拟机观察变量 sb，很快就会发现它的动态作用域被限制在 concatString()方法内部。也就是说，sb 的所有引用永远不会逃逸到 concatString() 方法之外，其他线程无法访问到它，因此可以进行消除。

锁粗化

如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，频繁的加锁操作就会导致性能损耗。

上一节的示例代码中连续的 append() 方法就属于这类情况。如果虚拟机探测到由这样的一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。对于上一节的示例代码就是扩展到第一个append() 操作之前直至最后一个 append() 操作之后，这样只需要加锁一次就可以了。

轻量级锁

JDK 1.6 引入了偏向锁和轻量级锁，从而让锁拥有了四个状态：无锁状态（unlocked）、偏向锁状态（biasble）、轻量级锁状态（lightweight locked）和重量级锁状态（inflated）。

以下是 HotSpot 虚拟机对象头的内存布局，这些数据被称为 Mark Word。其中 tag bits 对应了五个状态，这些状态在右侧的 state 表格中给出。除了 marked for gc 状态，其它四个状态已经在前面介绍过了。

下图左侧是一个线程的虚拟机栈，其中有一部分称为 Lock Record 的区域，这是在轻量级锁运行过程创建的，用于存放锁对象的 Mark Word。而右侧就是一个锁对象，包含了 Mark Word 和其它信息。

轻量级锁是相对于传统的重量级锁而言，它使用 CAS 操作来避免重量级锁使用互斥量的开销。对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的，因此也就不需要都使用互斥量进行同步，可以先采用 CAS 操作进行同步，如果 CAS 失败了再改用互斥量进行同步。

当尝试获取一个锁对象时，如果锁对象标记为 0 01，说明锁对象的锁未锁定（unlocked）状态。此时虚拟机在当前线程的虚拟机栈中创建 Lock Record，然后使用 CAS 操作将对象的 Mark Word 更新为 Lock Record 指针。如果 CAS操作成功了，那么线程就获取了该对象上的锁，并且对象的 Mark Word 的锁标记变为 00，表示该对象处于轻量级锁状态

如果 CAS 操作失败了，虚拟机首先会检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的虚拟机栈，如果是的话说明当前线程已经拥有了这个锁对象，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被其他线程线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁

偏向锁

偏向锁的思想是偏向于让第一个获取锁对象的线程，这个线程在之后获取该锁就不再需要进行同步操作，甚至连 CAS操作也不再需要。

当锁对象第一次被线程获得的时候，进入偏向状态，标记为 1 01。同时使用 CAS 操作将线程 ID 记录到 Mark Word中，如果 CAS 操作成功，这个线程以后每次进入这个锁相关的同步块就不需要再进行任何同步操作。

当有另外一个线程去尝试获取这个锁对象时，偏向状态就宣告结束，此时撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定

状态或者轻量级锁状态。

十三、多线程开发良好的实践

给线程起个有意义的名字，这样可以方便找 Bug。
缩小同步范围，从而减少锁争用。例如对于 synchronized，应该尽量使用同步块而不是同步方法。
多用同步工具少用 wait() 和 notify()。首先，CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore 和 Exchanger 这些
同步类简化了编码操作，而用 wait() 和 notify() 很难实现复杂控制流；其次，这些同步类是由最好的企业编写和维护，在后续的 JDK 中还会不断优化和完善。
使用 BlockingQueue 实现生产者消费者问题。
多用并发集合少用同步集合，例如应该使用 ConcurrentHashMap 而不是 Hashtable。
使用本地变量和不可变类来保证线程安全。
使用线程池而不是直接创建线程，这是因为创建线程代价很高，线程池可以有效地利用有限的线程来启动任

务。

十四、Java 中用到的线程调度

抢占式调度：

抢占式调度指的是每条线程执行的时间、线程的切换都由系统控制，不由线程本身决定，所以一个线程的堵塞不会导致整个进程堵塞。

协同式调度：

线程的执行时间由线程本身控制，线程把自己的工作执行完了之后，主动通知系统切换到另一个线程去。有点是实现简单，缺点是可能导致整个系统崩溃。

JVM 的线程调度实现（抢占式调度）

java 使用的线程调使用抢占式调度，Java 中线程会按优先级分配 CPU 时间片运行，且优先级越高越优先执行，但优先级高并不代表能独自占用执行时间片，可能是优先级高得到越多的执行时间片，反之，优先级低的分到的执行时间少但不会分配不到执行时间。

十五、进程调度算法

优先调度算法

1. 先来先服务调度算法（FCFS）

就绪队列

2. 短作业(进程)优先调度算法

高优先权优先调度算法

1. 非抢占式优先权算法

2. 抢占式优先权调度算法

2．高响应比优先调度算法

(1) 如果作业的等待时间相同，则要求服务的时间愈短，其优先权愈高，因而该算法有利于

短作业。

(2) 当要求服务的时间相同时，作业的优先权决定于其等待时间，等待时间愈长，其优先权

愈高，因而它实现的是先来先服务

基于时间片的轮转调度算法

时间片轮转法

多级反馈队列调度算法

posted @ 2020-12-17 20:38 Lucky小黄人^_^ 阅读(221) 评论(0) 编辑收藏举报

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一个拿着底层薪资操着架构师心的码农

高效并发

一、线程状态转换

新建（New）

运行（Runnable）

阻塞（Blocked）

无限期等待（Waiting）

以下方法会让线程陷入无限期的等待转态

限期等待（Timed Waiting）

阻塞和等待的区别在于，阻塞在等着获取一个排它锁。而等待等着唤醒动作的发生，通过调用 Thread.sleep() 和

以下方法会让线程陷入限期的等待转态

结束（Terminated）

二、使用线程

有三种使用线程的方法：

区别：

实现 Runnable 接口

实现 Callable 接口

继承 Thread 类

实现接口 VS 继承 Thread

三、基础线程机制

Executor

主要有三种 Executor：

Daemon

sleep()

yield() 礼让

四、中断

InterruptedException

interrupted()

Executor 的中断操作

synchronized

1. 同步一个代码块（通过monitor-enter和monitor-exit两个标志位标识同步块的起始位置和结束位置）

2. 同步一个方法 -- 通过设置 ACC_SYNCHRONIZED标志位来实现

3. 同步一个类（锁定的是类的字节码对象）

4. 同步一个静态方法（作用于整个类）锁定的是字节码对象）

ReentrantLock

比较

1. 锁的实现

2. 性能

3. 等待可中断（ReentrantLock的高级功能）

4. 公平锁（ReentrantLock的高级功能）

5. 锁绑定多个条件（ReentrantLock的高级功能）

6. 可重入

为什么有了synchronized还需要创建一个reetrantlock, 重复造轮子的目的是什么，有了新轮子是否就轮子就可以抛弃？

六、线程之间的协作

join()

wait() notify() notifyAll()

wait() 和 sleep() 的区别

await() signal() signalAll()

七、J.U.C - AQS

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)

什么是AQS

CountDownLatch

应用场景：

第二个例子：

CyclicBarrier

第二个例子：

区别：

Semaphore

八、J.U.C - 其它组件

FutureTask

BlockingQueue

使用 BlockingQueue 实现生产者消费者问题

ForkJoin

九、线程不安全示例

十、Java 内存模型

主内存与工作内存，速度差异，缓存一致性

内存间交互操作，八个操作

内存模型三大特性

1. 原子性

2. 可见性

3. 有序性

先行发生原则

1. 程序次序原则

2. 管程锁定规则

3. volatile 变量规则

4. 线程启动规则

5. 线程终止规则

6. 线程中断规则

7. 对象终结规则

8. 传递性