JAVA JUC学习笔记
基础知识
1、进程和线程的对比
- 进程基本上相互独立的，而线程存在于进程内，是进程的一个子集
- 进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享
- 进程间通信较为复杂
- 同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）
- 不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP
- 线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量
- 线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低
2、并行与并发
- 并发（concurrent）是同一时间应对多件事情的能力
- 并行（parallel）是同一时间动手做多件事情的能力
3、异步与同步
- 需要等待结果返回，才能继续运行就是同步
- 不需要等待结果返回，就能继续运行就是异
Java线程
1、创建线程
方法一：使用 T h r e a d \color{red}{Thread} Thread
// 创建线程对象
Thread t = new Thread() {
public void run() {
// 要执行的任务
}
};
// 启动线程
t.start();
方法一：使用 R u n n a b l e \color{red}{Runnable} Runnable配合Thread
把【线程】和【任务】（要执行的代码）分开
- Thread 代表线程
- Runnable 可运行的任务（线程要执行的代码）
Runnable runnable = new Runnable() {
public void run(){
// 要执行的任务
}
};
// 创建线程对象
Thread t = new Thread( runnable );
// 启动线程
t.start();
原理之 Thread 与 Runnable 的关系：
- 方法1 是把线程和任务合并在了一起，方法2 是把线程和任务分开了
- 用 Runnable 更容易与线程池等高级 API 配合
- 用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活
方法三： F u t u r e T a s k \color{red}{FutureTask} FutureTask配合 Threa
FutureTask 能够接收 Callable 类型的参数，用来处理有返回结果的情况
// 创建任务对象
FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
@Override
public Integer call() throws Exception {
return null;
}
});
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
Thread t = new Thread(task);
t.start();
// 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
Integer result = task3.get();
log.debug("结果是:{}", result);
2、线程运行原理
每个线程启动后，虚拟机就会为其分配一块栈内存。
- 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
- 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法
3、线程上下文切换
因为以下一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码
- 线程的 cpu 时间片用完
- 垃圾回收
- 有更高优先级的线程需要运行
- 线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法
当 Context Switch 发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应的概念就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条 jvm 指令的执行地址，是线程私有的
- 状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等
- Context Switch 频繁发生会影响性能
4、常见方法
5、run和start
- 直接调用 run 是在主线程中执行了 run，没有启动新的线程
- 使用 start 是启动新的线程，通过新的线程间接执行 run 中的代码
6、sleep与yield
- Sleep
- 调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
- 其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛InterruptedException
- 睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行
- 建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性
- yield
- 调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态，然后调度执行其它线程
- 具体的实现依赖于操作系统的任务调度器(CPU闲，让也让不出去)
区别：
- Runnable还是有机会被调用的，但任务调度器不会把时间片分配给Timed Waiting
7、程优先级
- 线程优先级会提示（hint）调度器优先调度该线程，但它仅仅是一个提示，调度器可以忽略它
- 如果 cpu 比较忙，那么优先级高的线程会获得更多的时间片，但 cpu 闲时，优先级几乎没作用
Runnable task1 = () -> {
int count = 0;
for (;;) {
System.out.println("---->1 " + count++);
}
};
Runnable task2 = () -> {
int count = 0;
for (;;) {
// Thread.yield();
System.out.println(" ---->2 " + count++);
}
};
Thread t1 = new Thread(task1, "t1");
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
// t1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
// t2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
t1.start();
t2.start();
8、join方法
等待某个进程的运行结果
static int r = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test1();
}
private static void test1() throws InterruptedException {
log.debug("开始");
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("开始");
sleep(1);
log.debug("结束");
r = 10;
});
t1.start();
log.debug("结果为:{}", r);
log.debug("结束");
}
输出：0
分析
- 因为主线程和线程 t1 是并行执行的，t1 线程需要 1 秒之后才能算出
- 而主线程一开始就要打印 r 的结果，所以只能打印出r=0
就想得到10，怎么办？
可以使用join，等待t1的返回结果
static int r = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test1();
}
private static void test1() throws InterruptedException {
log.debug("开始");
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("开始");
sleep(1);
log.debug("结束");
r = 10;
});
t1.start();
t1.join();
log.debug("结果为:{}", r);
log.debug("结束");
}
9、interrupt方法
打断 sleep，wait，join 的线程 ，这几个方法都会让线程进入阻塞状态
打断 sleep 的线程, 会清空打断状态(变成false)，以 sleep 为例
private static void test1() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(()->{
sleep(1);
}, "t1");
t1.start();
}
//main方法中
sleep(0.5);
t1.interrupt();
log.debug(" 打断状态: {}", t1.isInterrupted())
打断标记：
该线程是不是被其他的线程所干扰，打断过。
打断正常线程时，其实并没有打断，只是改变打断标记(不会清空打断状态)，线程还会继续运行，需要我们手动利用打断标记的布尔值去判断进行打断
private static void test2() throws InterruptedException {
Thread t2 = new Thread(()->{
while(true) {
Thread current = Thread.currentThread();
boolean interrupted = current.isInterrupted();
if(interrupted) {
log.debug(" 打断状态: {}", interrupted);
break;
}
}
},
"t2");
t2.start();
sleep(0.5);
t2.interrupt();
}
10、两阶段终止模式
在一个线程 T1 中如何“优雅”终止线程 T2？这里的【优雅】指的是给 T2 一个料理后事的机会。
class TPTInterrupt {
private Thread thread;
public void start(){
thread = new Thread(() -> {
while(true) {
Thread current = Thread.currentThread();
if(current.isInterrupted()) {
log.debug("料理后事");
break;
}
try {
Thread.sleep(1000);
log.debug("将结果保存");
}catch (InterruptedException e) {
current.interrupt();
}
// 执行监控操作
}
},"监控线程");
thread.start();
}
public void stop() {
thread.interrupt();
}
}
调用
TPTInterrupt t = new TPTInterrupt();
t.start();
Thread.sleep(3500);
log.debug("stop");
t.stop()
11、不推荐使用的方法
这些方法已过时，容易破坏同步代码块，造成线程死锁
12、主线程与手护线程
默认情况下，Java 进程需要等待所有线程都运行结束，才会结束。有一种特殊的线程叫做守护线程，只要其它非守护线程运行结束了，即使守护线程的代码没有执行完，也会强制结束。
log.debug("开始运行...");
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("开始运行...");
sleep(2);
log.debug("运行结束...");
}, "daemon");
// 设置该线程为守护线程
t1.setDaemon(true);
t1.start();
sleep(1);
log.debug("运行结束...");
线程的状态
1、从操作系统层面看
- 【初始状态】仅是在语言层面创建了线程对象，还未与操作系统线程关联
- 【可运行状态】（就绪状态）指该线程已经被创建（与操作系统线程关联），可以由 CPU 调度执行
- 【运行状态】指获取了 CPU 时间片运行中的状态
- 当 CPU 时间片用完，会从【运行状态】转换至【可运行状态】，会导致线程的上下文切换
- 【阻塞状态】
- 如果调用了阻塞 API，如 BIO 读写文件，这时该线程实际不会用到 CPU，会导致线程上下文切换，进入【阻塞状态】
- 等 BIO 操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至【可运行状态】
- 与【可运行状态】的区别是，对【阻塞状态】的线程来说只要它们一直不唤醒，调度器就一直不会考虑调度它们
- 【终止状态】表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状
2、从Java API层面来描述
根据 Thread.State 枚举，分为六种状态
- NEW 线程刚被创建，但是还没有调用start() 方法
- RUNNABLE 当调用了start() 方法之后，注意，Java API 层面的 RUNNABLE 状态涵盖了 操作系统 层面的【可运行状态】、【运行状态】和【阻塞状态】（由于 BIO 导致的线程阻塞，在 Java 里无法区分，仍然认为是可运行）
- BLOCKED ，WAITING ，TIMED_WAITING 都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分
- TERMINATED 当线程代码运行结束
共享模型之管程
1、共享问题
最后可能会出现整数或者负数，原因在于上下文的切换：
-
出现负数：
-
出现整数：
2、临界区
- 一个程序运行多个线程本身是没有问题的
- 问题出在多个线程访问共享资源
- 多个线程读共享资源其实也没有问题
- 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
- 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界
竞态条件 Race Condition
- 多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件
3、synchronized解决方案
使用阻塞式的解决方案：synchronized，来解决上述问题，即俗称的【对象锁】，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换
4、方法上的synchronized
不加 synchronized 的方法
- 不加 synchronzied 的方法就好比不遵守规则的人，不去老实排队（好比翻窗户进去的）
5、变量的线程安全分析
成员变量和静态变量是否线程安全？
- 如果它们没有共享，则线程安全
- 如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况
- 如果只有读操作，则线程安全
- 如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全
局部变量是否线程安全？
- 局部变量是线程安全的
- 但局部变量引用的对象则未必
- 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
- 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全
6、常见线程安全类
- String
- Integer
- StringBuffer
- Random
- Vector
- Hashtable
- java.util.concurrent 包下的类
它们的每个方法是原子的
但注意它们多个方法的组合不是原子的
如：
不可变类线程安全性
- String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的
7、Monitor概念
Monitor，在操作系统领域一般翻译为“管程”，在Java邻域就是“对象锁”。
Java对象头，以32位虚拟机为例
其中Klass word指定该对象的类型，即指向一个class对象。
Mark Word的不同状态对应不同的结构，如下：
其中Normal表示该对象是正常状态，hashcode表示每个对象不同的哈希码，age表示分代的年龄，垃圾回收算法可以根据此将其放入老年区。
每个Java对象都可以关联一个Monitor对象，如果使用synchronized给对象加锁，对应上图的Heavyweight Locked，该对象头的Mark Word中的ptr_to_heavyweight_monitor就会指向Monitor。
以一段代码为例：
synchronized(obj){
//临界资源
}
- 当线程Thread2执行synchronized(obj)，就会将MarkWord中的指针指向Monitor
- 刚开始，Monitor中的Owner为null，Thread会将Monitor的所有者Owner设置为Thread2，Owner只能指向一个线程
- 当别的线程Thread1执行synchronized(obj)，会检查obj有没有关联Monitor，然后检查关联的Monitor有没有主人，即Owner
- 此时，Thread1就会进入EntryList，可以理解成堵塞队列，然后线程Thread1变成BLOCKED状态
- 当Thread2执行完毕，就会让出Owner的位置。然后从Monitor的EntryList中唤醒一个线程，成为该Monitor的下一个主人。
注意：
- synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor 才有上述的效果
- 不加 synchronized 的对象不会关联 monitor ，不遵从以上规则
8、synchronized原理进阶
轻量级锁
使用场景：
如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。
轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是synchronized
举例子：
static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
method2();
}
}
public static void method2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
}
}
-
当method1执行到synchronized，会创建锁记录(Lock Record)对象，每个栈帧都会包含一个锁记录的结构：
- Object reference指向锁对象，并尝试用cas替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录
- Object reference指向锁对象，并尝试用cas替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录
-
如果cas替换成果，对象头中的Mark Word存储了锁记录地址和状态00，表示该线程给对象加锁。此时图示如下：
-
cas失败的两种情况：
- 如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程
- 如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数。(如代码执行到上述method2的synchronized部分)
即要进行cas交换时，发现Mark Word中的状态是00，且锁记录指向的是本线程。此时会添加一条锁记录，且将锁记录中存储Mark Word的部分设置为null
-
当退出synchronized如果有取值为null的锁记录，表示有重入。此时，将重置锁记录，表示重入计数减一
-
当退出synchronized代码块（解锁时）锁记录的值不为null，这时使用cas将Mark Word的值恢复给对象头
- 成功，则解锁成功
- 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程
锁膨胀
如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。
-
当Thread1进行轻量级加锁，Thread0已经加了轻量级锁
-
此时，Thread1加锁失败，进入锁膨胀流程
- 为Object对象申请Monitor锁，让Object指向重量级锁地址
- 然后将自己加入到Monitor的EntryList，进入BLOCKED状态
-
当Thread0退出同步代码块解锁时，使用cas将Mark Word的值恢复给对象头，失败(因为此时存储的是Monitor的地址)。然后进入重量级解锁流程，按照Monitor地址找到Monitor对象，设置Owner为null，唤醒EntryList中的BLOCKED线程
自旋优化
重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞(阻塞会造成上下文切换)。
偏向锁
轻量级锁在没有竞争时，每次重入任需要执行CAS判断。
因此引入偏向锁做进一步优化：
- 只有第一次使用CAS将线程ID设置到对象的Mark Word头，之后发现这个线程ID就是自己就表示没有竞争，不用重新CAS。
- 以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有
回忆对象头格式：
一个对象创建时：
- 如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，markword 值为 0x05 即最后 3 位为 101，这时它的thread、epoch、age 都为 0
- 偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟
- 如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001，这时它的 hashcode、age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值
注意
- 处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中
撤销偏向锁：
- 调用锁对象的hashCode：
偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode 会导致偏向锁被撤销(因为没有位置存储hashCode了)- 轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode
- 重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode
- 其它线程使用对象：
当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁
批量重偏向
若对象被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了现场T1的对象仍有机会重新偏向T2，重偏向会重置对象的Thread ID
例子：
输出
private static void test3() throws InterruptedException {
Vector<Dog> list = new Vector<>();
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 30; i++) {
Dog d = new Dog();
list.add(d);
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}
synchronized (list) {
list.notify();
}
}, "t1");
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (list) {
try {
list.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("===============> ");
for (int i = 0; i < 30; i++) {
Dog d = list.get(i);
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}, "t2");
t2.start();
}
- 第一次cas会启用偏向锁，偏向t1
- 因为没有竞争，因此不会发生撤销偏向锁
- 当进入t2时，标识为撤销锁偏向001，再次申请锁会将偏向锁升级为轻量级锁
- 在后面几次循环中会保持轻量级锁的申请模式
- 当撤销锁偏向达到某个阈值，会将轻量级锁转变成偏向锁偏向t2进程
批量撤销
当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，jvm 会这样觉得，自己确实偏向错了，根本就不该偏向。于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的
9、wait、notify
-
obj.wait() 让进入 object 监视器的线程到 waitSet 等待
- wait() 方法会释放对象的锁，进入 WaitSet 等待区，从而让其他线程就机会获取对象的锁。无限制等待，直到notify 为止
- wait(long n) 有时限的等待, 到 n 毫秒后结束等待继续执行后续代码，或是被 notify
-
obj.notify() 在 object 上正在 waitSet 等待的线程中随机挑一个唤醒
-
obj.notifyAll() 让 object 上正在 waitSet 等待的线程全部唤醒
wait和sleep的区别
- sleep是Thread类的方法，wait是Object的方法
- sleep 不需要强制和 synchronized 配合使用，但 wait 需要和 synchronized 一起用，在获取对象锁之后，才能使用wait
- sleep 在睡眠的同时，不会释放对象锁的，但 wait 在等待的时候会释放对象锁
- 它们状态都是TIMED_WAITING
wait、notify的使用格式
synchronized(lock) {
while(条件不成立) {
lock.wait();
}
// 干活
}
//另一个线程
synchronized(lock) {
lock.notifyAll();
}
wait、notify原理
- Owner线程发现条件不满足，调用wait方法，即可进入WaitSet变为WAITING状态
- BLOCKED和WAITING的线程都处于阻塞状态，不占用CPU时间片
- BLOCKED线程会在Owner线程释放锁时唤醒
- WAITING线程会在Owner线程调用notify或notifyAll时唤醒，但唤醒后并不意味立即获得锁，仍需进入EntryList重新竞争
原文地址：https://blog.csdn.net/GuoShao_/article/details/140013258
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