Java多线程

多线程

概念

进程

线程

NEW

新建状态，线程被构建，还未调用start()方法

RUNNABLE

运行状态，jvm把就绪和运行中统称为RUNNABLE

BLOCKED

阻塞状态，表示线程阻塞于锁

WAITING

等待状态，调用了wait()方法，需要其他线程调用niotfy()或者notifyAll()方法来激活

TIMED_WAITING

超时等待状态，不同于WAITING，可以在超过指定时间后，自行激活

TERMINATED

终止状态，表示该线程已经执行完毕

并发与并行

并发

同一段时间，多个任务都在执行

并行

同一时刻，多个任务同时执行

线程同步

synchronized

Java对象（堆中组成）

实例变量

存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐。

填充数据

由于虚拟机要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。

对象头

Mark Word（标记字段）

指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例

Class Point（类型指针）

用于存储对象自身的运行时数据，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。它还用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等等。

1.6版本变更

1.6之前：synchronized属于重量级锁，依赖于底层操作系统的 Mutex Lock 来实现。操作系统实现线程切换，需要将用户态转为核心态，这也是早期syncchronized效率低下的原因。

1.6之后：引入了轻量级锁和偏向锁，减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗

底层原理

方法

代码块

 1、执行 b style=\

作用范围

静态方法

使用的同步锁是类对象，和其他静态同步方法存在锁竞争

非静态方法

使用的锁是当前对象，同一对象之间存在锁竞争，不同对象之间不存在竞争关系

使用的锁是synchronized中传入的对象，依据是否同一对象而决定否存在竞争

锁优化

自旋锁

当线程竞争锁失败时，不直接阻塞自己，而是自旋（空等待，比如一个有限的for循环）一会儿，在自旋的同时重新竞争锁。如果在自旋结束前获得了锁，那么获取锁成功；否则自旋结束后阻塞自己

自旋锁可以减少线程阻塞造成的线程切换（包括挂起线程和恢复线程）

单核处理器情况下，不存在实际的并行。当前线程不阻塞自己，拥有锁的线程就无法执行，锁永远不会释放。进而，如果线程多而处理器少，自旋也会造成不少无谓的浪费自旋锁要占用CPU，如果是计算密集型任务，这一优化通常得不偿失，减少锁的使用是更好的选择如果锁竞争时间比较长，那么自旋通常不能获得锁，白白浪费自旋占用的CPU时间。这通常发生在所持有时间长，且竞争激烈的场景中，此时应主动禁用自旋锁

使用-XX:-UseSpinning参数关闭自旋锁优化；-XX:PreBlockSpin参数修改默认的自旋次数。

自适应自旋：对于同一个锁对象来说，如果自旋等待刚刚成功获取锁，并且持有锁的线程正在运行，那么虚拟机就会认为此次自旋也很有可能成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间，比如 100 个循环。如果对于某个锁，自旋很少成功获取过，那么在以后获取这个锁时将可能自动省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。

偏向锁

偏向锁的目标是减少无竞争且只有一个线程使用锁的情况下，使用轻量级锁产生的性能消耗

如果有其他线程申请锁，那么偏向锁很快就膨胀为轻量级锁。浪费了维持偏向锁的性能消耗

使用参数-XX:-UseBiasedLocking禁止偏向锁优化（默认打开）。

轻量级锁

使用轻量级锁时，不需要申请互斥量，仅仅将Mark Word中的部分字节CAS更新指向线程栈中的Lock Record，如果更新成功，则轻量级锁获取成功。否则可以继续使用自旋锁获取或者升级为重量级锁

轻量级锁的目标是减少无实际竞争的情况下，使用重量级锁产生的性能消耗

如果锁竞争激烈，轻量级锁很快就将升级为重量级锁，那么维持轻量级锁的过程就成了浪费

重量级锁

内置锁在Java中被抽象成监视器锁（monitor）。监视器锁直接对应底层操作系统的互斥量（mutex）

这种同步方式成本非常高，包括系统调用引起的内核态和用户态切换、线程阻塞造成的线程切换等

锁消除

StringBuffer 是一个线程安全的类，在它的 append 方法中有一个同步块，锁对象就是 sb，但是虚拟机观察变量 sb，发现它是一个局部变量，本身线程安全，并不需要额外的同步机制。因此，这里虽然有锁，但可以被安全的清除，在 JIT 编译之后，这段代码就会忽略掉所有的同步而直接执行。

锁粗化

StringBuffer的append 方法。如果虚拟机探测到了这样的操作，就会把加锁的同步范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。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。

各个锁的优缺点

synchronized与ReentrantLock

两者都是可重入锁

synchronized依赖于JVM，ReentrantLock依赖于API

synchronized是非公平锁ReentrantLock可指定是公平锁或非公平锁

ReentrantLock比synchronized多一些高级功能

等待可中断

可实现公平锁

可实现选择性通知

synchronized与volatile

并发编程的三个特性

原子性

一个操作或者多次操作，要么都执行、要不都不执行。synchronized可以保证原子性

可见性

当一个线程对共享变量进行了修改，其他线程可以马上看到最新的值。volatile可以保证可见性

有序性

代码在执行过程中，编译器会对字节码进行冲重排序优化，无法保证代码的执行顺序就是编写代码的顺序。volatile可以禁止指令重排

volatile是synchronized的轻量级实现

多线程访问volatile关键字不会阻塞，synchronized可能会阻塞

volatile能保证数据的可见性，不能保证原子性；synchronized两者都可以保证

volatile主要解决多线程之间数据的可见性问题；synchronized解决多线程之间数据的同步性问题

背景

为什么用多线程

随着处理器的核心数不断增多，单线程程序已无法发挥多核处理器的优势线程比进程切换效率更高

使用多线程引入问题

内存泄漏

静态集合类

数据库连接、网络连接、IO连接等

变量不合理的作用域

内部类引用外部类

死锁

死锁发生条件

1.互斥条件：该资源任一时刻只能被一个线程拥有

2.请求与保持条件：一个线程在获取资源阻塞时，对已获得的资源不释放

3.不剥夺条件：一个线程获得的资源在其使用完成之前不能被其他线程主动剥夺，只能由自己主动释放

4.循环等待条件：多个线程之间形成首尾相接的循环等待资源关系

避免死锁

只需要破坏四个条件中的任意一个即可

互斥条件：本来就是让线程之间互斥，所以无法破坏请求与保持条件：一次性申请所有的资源不剥夺条件：可以让线程在无法获得资源时，先把已获得资源进行释放循环等待条件：按照某一顺序来获取资源

解决死锁

上下文切换

一般情况下线程数都比cpu核心数要多，cpu只能不断在线程之间切换来执行每一个线程。cpu每次切换都得保存当前状态，和加载下一个线程的状态。这就是上下文切换

ThreadLocal

每个线程的专属变量，不会被其他线程访问到

ThreadLocal中有一个静态内部类ThreadLocalMap，可以理解为ThreadLocal的定制化HashMap实现。KEY为线程对象，Value为set进去的值

内存泄漏问题

ThreadLocalMap中的Key为ThreadLocal的弱引用，而Value是强引用。所以在ThreadLocal没有被外部强引用的时候，在垃圾回收时会把Key给回收掉，而Value却不会被回收。这样会出来Key为null的Entry。如果我们不做什么措施，Value就永远无法被回收，发生内存泄漏。ThreadLocal已经考虑了这种情况，在调用set()、get()和remove()方法时，会清理掉Key为null的Entry

Java锁

乐观锁/悲观锁

乐观锁

乐观锁总是认为不存在并发问题，每次去取数据的时候，总认为不会有其他线程对数据进行修改，因此不会上锁。但是在更新时会判断其他线程在这之前有没有对数据进行修改，一般会使用“数据版本机制”或“CAS操作”来实现。

CAS（Compare and Swap 比较并交换），当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。

分支主题

数据版本机制，实现数据版本一般有两种，第一种是使用版本号，第二种是使用时间戳

悲观锁

每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。比如Java里面的同步原语synchronized关键字的实现就是悲观锁

独享锁/共享锁

独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有

如ReentrantLock是独享锁，Synchronized是独享锁

共享锁是指该锁可被多个线程所持有

如ReadWriteLock，其读锁是共享锁，其写锁是独享锁，独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的，通过实现不同的方法，来实现独享或者共享。

互斥锁/读写锁

互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock

读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock

可重入锁

可重入锁又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法会自动获取锁。如ReetrantLock、Synchronized都是可重入锁。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁。

公平锁/非公平锁

公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁

非公平锁是指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序，有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁。有可能，会造成优先级反转或者饥饿现象。Synchronized也是一种非公平锁

ReetrantLock而言，通过构造函数指定该锁是否是公平锁，默认是非公平锁。非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。

分段锁

分段锁其实是一种锁的设计，并不是具体的一种锁，如ConcurrentHashMap而言，其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作。

偏向锁/轻量级锁/重量级锁

偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁。降低获取锁的代价。

轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，被另一个线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，提高性能。

重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候，另一个线程虽然是自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让他申请的线程进入阻塞，性能降低。

自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗CPU。

Java线程池

newCachedThreadPool

创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程

newFixedThreadPool

创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。

newScheduledThreadPool

创建一个周期线程池，支持定时及周期性任务执行

newSingleThreadExecutor