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Java多线程

2021-04-07 10:05:01   117  举报

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大纲/内容

Java多线程

Java内存模型

主内存

工作内存

线程开始运行时会将所需的变量从主内存中拷贝一份到工作内存中，在线程运行结束后再写入主内存

主内存和工作内存的交互

三大特征

可见性

一条线程修改完一个共享变量后，另一个线程若访问这个变量将会访问到修改后的值

有序性

Happens-Before规则

如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作必须要存在一个happen-before的关系

重排序

为了减少内存操作速度远慢于CPU运行速度所带来的CPU空置的影响，虚拟机会按照自己的一些规则对代码的执行顺序进行调整，从而提高执行效率。

程序代码执行的结果不受JVM指令重排序的影响

原子性

一组操作必须一起完成，中途不能被中断。

线程分类

用户线程

一般是程序中创建的线程

守护线程

为用户服务的线程，当所有用户线程停止时才会被终止，如JVM的垃圾回收

通过Thread.setDaemon(true)方法设置守护线程

线程

线程中断

public static boolean interrupted()

测试当前线程是否已经中断，并将线程状态设置为false

public boolean isInterrupted()

测试线程是否已经中断。线程的中断状态不受该方法的影响

public void interrupt()

InterruptedException

对线程调用interrupt()时，如果该线程处于阻塞或者等待状态，那么就会抛出 InterruptedException

线程状态

新建

继承Thread类创建线程

实现Runnable接口创建线程

使用Callable和Future创建线程

使用线程池例如用Executor框架

运行

阻塞

同步阻塞

竞争锁失败

等待阻塞

其他阻塞

就绪

调用thread.start()

结束

线程运行完毕

线程间通信

wait/notify/notifyAll

wait

线程从运行态转换为阻塞态，同时还会释放线程的同步锁

notify

notifyAll

synchronized/lock

thread方法

thread.join()

线程强制运行，线程强制运行期间，其他线程无法运行

thread.yiled()

当前线程从运行状态回到就绪状态

管道通信

管道流pipeStream

是一种特殊的流，用于在不同线程间直接传送数据。一个线程发送数据到输出管道，另一个线程从输入管道中读数据。

同步工具类

CountDownLatch

CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作

countDown()

count数减1

await()

线程阻塞直到count等于0

应用场景

开启多个线程分块下载一个大文件，每个线程只下载固定的一截，最后由另外一个线程来拼接所有的分段。

应用程序的主线程希望在负责启动框架服务的线程已经启动所有的框架服务之后再执行。

确保一个计算不会执行，直到所需要的资源被初始化。

CyclicBarrier

CyclicBarrier（int ），参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用await方法告诉CyclicBarrier我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。

当cyclicBarrier的count数等于0的时候，阻塞的线程都继续执行

多线程计算

Semphore

可以控制同时访问的线程个数，它维护了一组\"许可证\"。

acquire()

消费一个许可证。如果没有许可证了，会阻塞起来

release()

添加一个许可证

可以用于做流量控制，特别是公用资源有限的应用场景，比如数据库连接

CountDownLatch和CyclicBarrier的区别

CountDownLatch的计数器只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器可以使用reset()方法重置

CountDownLatch.await一般阻塞主线程，而CyclicBarrierton一般阻塞工作线程

CountDownLatch主要用于描述一个或者多个线程等待其他线程执行完毕

CyclicBarrier主要用于描述多个线程之间相互等待

Exchanger

Exchanger用于进行线程间的数据交换。它提供一个同步点，在这个同步点，两个线程可以交换彼此的数据。这两个线程通过exchange方法交换数据，如果第一个线程先执行exchange()方法，它会一直等待第二个线程也执行exchange方法，当两个线程都到达同步点时，这两个线程就可以交换数据，将本线程生产出来的数据传递给对方。

线程安全

所谓的线程安全问题，本质在于线程对共享变量的操作的原子性，可见性，有序性不能同时满足，因此解决线程安全问题的关键在于使其同时满足以上三个特征

synchronized

一个重量级的可重入锁

监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，这也是为什么早期的synchronized效率低的原因

作用方式

作用于代码块

作用于实例方法

持有的是当前对象实例的锁

作用于静态方法

持有的是静态对象的锁

底层实现

作用于方法(显式同步)

JVM可以从方法区中的方法表结构中的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志区分一个方法是否同步方法。

作用于代码块(隐式同步)

编译时，在代码块的前后加上monitorenter和monitorexit

为了保证在方法异常完成时 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，这个异常处理器声明可处理所有的异常，它的目的就是用来执行 monitorexit 指令

ObjectMontior

waitSet

EntryList

owner

count

线程中断与synchronized

线程的中断操作对于正在等待获取的锁对象的synchronized方法或者代码块并不起作用

等待唤醒机制与synchronized

在使用notify/notifyAll和wait这3个方法时，必须处于synchronized代码块或者synchronized方法中

notify/notifyAll和wait方法都依赖于monitor

java对象头

Mark Word

对象的hashCode

CG年代

锁信息(偏向锁，轻量级锁，重量级锁)

GC标志

指向monitor的指针

Class Metadata Address

指向对象实例的指针

volatile

当被volatile修饰的变量进行写操作时，这个变量将会被直接写入共享内存，而非线程的专属存储空间。

当读取一个被volatile修饰的变量时，会直接从共享内存中读，而非线程专属的存储空间中读。

volatile在指令间加上了内存屏障，内存屏障指的是重排序的时候不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置。

原子性（不能保证）

原子性指的是一组操作必须一起完成，中途不能被中断。

volatile能确保long、double读写的原子性

java内存模型保证声明为volatile的long和double变量的get和set操作是原子的。

多个变量之间或者某个变量的当前值与修改后值之间没有约束。

状态标志

全局变量

一读多写

线程池(Executor)

线程池基本概念

线程池可以看做是线程的集合，请求到来时线程池给这个请求分配一个空闲的线程，任务完成后回到线程池中等待下次任务(而不是销毁)。这样就实现了线程的重用。

ThreadPoolExecutor

构造函数

阻塞队列策略

同步移交

SynchronousQueue

不存储元素的阻塞队列，因此超出核心线程数的任务会创建新的线程来指执行。

无界队列

常用的为无界的LinkedBlockingQueue

当任务耗时较长时可能会导致大量新任务在队列中堆积最终导致OOM

DelayedWorkQueue

一个按超时时间升序排序的队列

使用了优先级队列的无界阻塞队列，支持延时获取，所谓延时队列就是消费线程将会延时一段时间来消费元素。队列里的元素要实现Delay接口。

有界队列

常见队列

ArrayBlockingQueue

遵循FIFO的队列

LinkedBlockingQueue

有节的LinkedBlockingQueue

PriorityBlockingQueue

优先级队列

可减少内存消耗，降低cpu使用率和上下文切换，但是可能会限制系统吞吐量（因为任务数量少了）

拒绝策略

丢弃当前任务

丢弃最老的任务

直接抛出异常

抛回调用者的线程处理

线程池状态

running

自然是运行状态，指可以接受任务执行队列里的任务

shutdonw

SHUTDOWN 指调用了 shutdown() 方法，不再接受新任务了，但是阻塞队列里的任务得执行完毕。

stop

STOP 指调用了 shutdownNow() 方法，不再接受新任务，同时抛弃阻塞队列里的所有任务并中断所有正在执行任务。

tidying

所有任务都执行完毕，在调用 shutdown()/shutdownNow() 中都会尝试更新为这个状态。

terminated

当线程池处于SHUTDOWN或STOP状态，并且所有工作线程已经销毁，任务缓存队列已经清空或执行结束后，线程池被设置为TERMINATED状态

线程池的配置

IO密集型

尽量使用较小的线程池，一般为CPU核心数+1

Cpu密集型

可以使用稍大的线程池，一般为2*CPU核心数。

混合型

常见的线程池

newFixedThreadPool

固定大小的线程池，有新任务时，根据当前线程池的线程数量确定后续步骤

创建参数

LinkedBlockingQueue(无界)

线程存活时间：永久存活

核心线程数：n(用户指定)

最大线程数：n(用户指定)

newCachedThreadPool

当有新任务时，直接新建线程

线程存活时间：60s

核心线程数：0

最大线程数：Interget.MAX_VALUE

newSingleThreadExecutor

创建单个线程的线程池。

核心线程数：1

最大线程数：1

NewScheduledThreadPool:

创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。

核心线程数：用户指定

最大线程数：Integer.MAX_VALUE

线程池的关闭

Shutdown

线程池状态变为shutdown

ShutdownNow

线程状态变为stop

中断线程池中的某一个线程的方法

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。

常见接口和类

Executor接口

只有一个 void excute(Runnable task)方法，用户执行任务

ExecutorService

AbstractExecutorService

源码

Worker

Worker是线程池中的线程

既是一个可执行的任务，又可以达到锁的效果

初始state=-1

这样构造的原因主要是为了实现对中断的控制

1.worker未运行时

1.shutdown()线程池时，会对每个worker tryLock()上锁，tryAcquire是尝试通过CAS将state由0设置为1，因此会失败

2.worker运行时

runWorker中，会对正在运行中的worker加锁，所以如果调用了shutdown()方法，中断也会失败，但是如果调用shutdownNow()方法，该方法会通过worker.interruptIfStarted来中断任务

addWorker

1.判断线程池状态，如果状态正常，进入下一步

3.在线程池自带的成员变量ReentrantLock的加锁的情况下，向Workers的HashSet中添加新创建的worker实例，添加完成后解锁，并start该worker实例，worker.start()方法底层其实调用的就是runWorker()方法

基本概念：创建新线程并执行

runWorker

1.将state设置为0

2.在mainLock.lock的情况下，进行task.run

3.在finally块中释放锁mainLock.unlock

4.在使用getTask方法去阻塞队列中获取锁

JUC

Lock

Reentrantlock

特点

可实现公平锁

在构造函数中设置

通过fair这个boolean型变量设置

是通过hasQueuedPredecessors()函数实现的

这个函数会判断当前获取锁的线程是否是请求队列的首部线程

绑定多个条件(Condition)

等待可中断

可重入锁

通过setExclusiveOwnerThread()实现

内部类

Reentrantlock默认实现在sync中(sync继承了AQS)

非公平锁NonfairSync（继承sync）

公平锁FairSync(继承sync）

ReentrantReadWriteLock

state的变量高16位是读锁，低16位是写锁。

读锁不能升级为写锁

写锁可以降级为读锁

当访问方式是读取操作时，使用读锁即可，当访问方式是修改操作时，则使用写锁

ReentrantReadWriteLock默认实现在sync中(sync继承了AQS)

NonfairSync

FairSync

WriteLock（实现Lock接口）

ReadLock（实现Lock接口）

synchronized和lock的区别

synchronized是关键字，lock是接口

发生异常时，synchronized会自动释放锁，lock需要手动释放锁

lock能够知道是否成功获取到锁，synchronized则不行

通过tryAcquire()去尝试获取锁，获取成功则设置锁状态并返回true，否则返回false。

在竞争激烈的情况下，lock效率更高

JDK1.5之前Lock效率高很多

JDK1.6之后效率差不多

lock可以实现等待可中断，synchronized不可以

font color=\"#c41230\

lock可以实现公平锁

lock可以实现读写锁

Atomic

对数据进行操作时(使用CAS来保证)可以保证原子性

存在CAS的ABA问题

使用AtomicStampedReference的版本号机制来管理

通过unsafe实现的包装类

Unsafe底层实际上是调用C代码，C代码调用汇编，最后生成出一条CPU指令cmpxchg，完成操作

CompareAndSwap...()

JDK增加了LongAdder等四个类，高并发时效率更高，但是消耗空间更多

AQS

一个抽象的队列式的同步器，定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架（实现锁的框架），许多同步类实现都依赖于它，本质上其实就是对于state的获取和释放

ReentrantLock/ReentrantReadWriteLock /Semaphore/ CountDownLatch的实现都依赖于它

数据结构

共享资源 volatile int state

线程模式

独享模式

tryAcquire(int)/tryAcquireShared(int )

共享模式

tryRelease/tryReleaseShared(int)

既可独占，也可共享（ReentrantReadWriteLock）

线程池相关

callable

一般和ExecutorService配合来使用

有返回值

future

判断任务是否完成

future.isDone()

返回执行结果

future.get()

中断线程的执行

future.cancel()

futureTask

future接口的唯一实现类

既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值。

CAS算法

CAS需要有3个操作数：内存地址V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B。，CAS指令执行时，当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时，将内存地址V的值修改为B，否则就什么都不做。整个比较并替换的操作是一个原子操作。

ABA问题

如果内存地址V初次读取的值是A，并且在准备赋值的时候检查到它的值仍然为A，但可能期间它已经被修改过了

解决方法：使用AtomicStampedReference的版本号机制来管理

通常将 CAS 用于同步的方式是从地址 V 读取值 A，执行多步计算来获得新值 B，然后使用 CAS 将 V 的值从 A 改为 B。如果 V 处的值尚未同时更改，则 CAS 操作成功。

CAS操作是一条CPU指令，不会被打断，所以是原子操作

ThreadLocal

ThreadLocal提供了线程的局部变量，且不会和其他线程的局部变量进行冲突，实现了线程的数据隔离。

基本用法

set(value)

首先获取当前thread的ThreadLocalMap

如果map已经初始化，则将kv存入map中

否则初始化map(此时构造函数已经将kv存入)

get()

remove()

initialValue()

ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类

set()：向ThreadLocalMap设置值，key是ThreadLocal对象，值是传递进来的对象

get(): 从ThreadLocalMap获取值，key是ThreadLocal对象

ThreadLocalMap

用Entry进行存储，Entry的key的类型为ThreadLocal

hash冲突解决方法：线性探测法

内存泄漏

ThreadLocal在没有外部对象强引用时，发生GC时弱引用Key会被回收，而Value不会回收，这时候ThreadLocalMap里面就会存在key为null但是value不为null的entry项。如果创建ThreadLocal的线程一直持续运行，那么这个Entry对象中的value就有可能一直得不到回收，发生内存泄露。

解决方法

调用threadLocal.remove()方法来清理key为null的元素

根本原因

由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一样长，如果没有手动删除对应key的value就会导致内存泄漏，而不是因为弱引用

为什么key要用弱引用

引用的ThreadLocal的对象被回收了，但是ThreadLocalMap还持有ThreadLocal的强引用，如果没有手动删除，ThreadLocal不会被回收，导致Entry内存泄漏。

单个线程

线程上下文信息存储

数据库连接

session管理

并发容器

concurrentHashMap

JDK1.7

segment

继承了ReentrantLock

一个concurrentHashMap包含了一个segment数组

一个segment包含了一个hashEntry链表

hashEntry

链表结构的元素

hashEntry的成员变量除了value都定义为final

为了维护链表结构，防止并发问题

JDK1.8

Node数组

链表

红黑树

常用方法底层实现(JDK1.7)

put()

流程

1.首先Hash定位到Segment

2.对当前Segment加锁，如果Segment中元素的数量超过了阈值，则需要进行扩容并且进行rehash

3.再定位到链表头部

不用加锁，是非阻塞的

因为共享变量都定义为了volatile

根据java内存模型的happen before原则，对volatile字段的写入操作先于读操作，即使两个线程同时修改和获取volatile变量，get操作也能拿到最新的值，这是用volatile替换锁的经典应用场景

volatile能够保证内存可见性

需要进行两次Hash操作，第一次Hash定位到Segment，第二次Hash定位到元素所在的链表的头部

定位到链表头部之后根据key取出对应的value值

取出的value是null的原因是可能现在正在进行put操作

因为HashEntry中的next是final的，一经赋值以后就不可修改，所以在定位到待删除元素e的位置以后，程序就将待删除元素前面的那一些元素全部复制一遍，然后再一个一个重新接到链表上去。尾结点指向e的下一个结点。e后面的结点不需要复制，它们可以重用。e之前的元素在remove()之后为remove之前的逆置

size()

size()操作涉及到多个segment

size操作就是遍历了两次Segment，每次记录Segment的modCount值，然后将两次的modCount进行比较，如果相同，则表示期间没有发生过写入操作，就将原先遍历的结果返回，如果不相同，则把这个过程再重复做一次，如果再不相同，则就需要将所有的Segment都锁住，然后一个一个遍历了

key和value都不可以为null

get()方法不加锁，是非阻塞的

是线程安全的

JDK 1.8 使用了 CAS 操作来支持更高的并发度，在 CAS 操作失败时使用内置锁 synchronized。并且 JDK 1.8 的实现也在链表过长时会转换为红黑树。

ConcurrentSkipListMap 和ConcurrentSkipListSet

ConcurrentLinkedQueue

CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet

锁分类

乐观锁，悲观锁