Java 多线程核心技术梳理(附源码)

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Java 多线程核心技术梳理(附源码)

• 多线程 
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brianway 2016年04月18日发布

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本文对多线程基础知识进行梳理，主要包括多线程的基本使用，对象及变量的并发访问，线程间通信，lock的使用，定时器，单例模式，以及线程状态与线程组。

写在前面

花了一周时间阅读《java多线程编程核心技术》(高洪岩 著)，本文算是此书的整理归纳，书中几乎所有示例，我都亲手敲了一遍，并上传到了我的github上，有兴趣的朋友可以到我的github下载。源码采用maven构建，多线程这部分源码位于java-multithread模块中。

• 仓库地址：java-learning

• git clone： [e-mail]:brianway/java-learning.git

java多线程

基础知识

• 创建线程的两种方式：1.继承Thread类，2.实现Runnable接口。具体两者的联系可以参考我之前的博文《java基础巩固笔记(5)-多线程之传统多线程》

• 一些基本API：isAlive(),sleep(),getId(),yield()等。

  • isAlive()测试线程是否处于活动状态

  • sleep()让“正在执行的线程”休眠

  • getId()取得线程唯一标识

  • yield()放弃当前的CPU资源

• 弃用的API:stop(),suspend(),resume()等，已经弃用了，因为可能产生数据不同步等问题。

• 停止线程的几种方式：

  • 使用退出标识，使线程正常退出，即run方法完成。

  • 使用interrupt方法中断线程

• 线程的优先级:继承性，规则性，随机性

  • 线程的优先级具有继承性. 如,线程A启动线程B，则B和A优先级一样

  • 线程的优先级具有规则性. CPU尽量倾向于把资源优先级高的线程

  • 线程的优先级具有随机性. 优先级不等同于执行顺序，二者关系不确定

• java中的两种线程：用户线程和守护(Daemon)线程。

  • 守护线程：进程中不存在非守护线程时，守护线程自动销毁。典型例子如：垃圾回收线程。

比较和辨析

• 某个线程与当前线程：当前线程则是指正在运行的那个线程，可由currentThread()方法返回值确定。例如，直接在main方法里调用run方法，和调用线程的start方法，打印出的当前线程结果是不同的。

• interrupted()和isInterrupted()

  • interrupted()是类的静态方法，测试当前线程是否已经是中断状态，执行后具有将状态标志清除为false的功能。

  • isInterrupted()是类的实例方法，测试Thread对象是否已经是中断状态，但不清楚状态标志。

• sleep()和wait()区别：

  • sleep()是Thread类的static(静态)的方法；wait()方法是Object类里的方法

  • sleep()睡眠时，保持对象锁，仍然占有该锁；wait()睡眠时，释放对象锁

  • 在sleep()休眠时间期满后，该线程不一定会立即执行，这是因为其它线程可能正在运行而且没有被调度为放弃执行，除非此线程具有更高的优先级；wait()使用notify或者notifyAlll或者指定睡眠时间来唤醒当前等待池中的线程

  • wait()必须放在synchronized block中，否则会在runtime时扔出java.lang.IllegalMonitorStateException异常

方法是否释放锁备注wait是wait和notify/notifyAll是成对出现的, 必须在synchronize块中被调用sleep否可使低优先级的线程获得执行机会yield否yield方法使当前线程让出CPU占有权, 但让出的时间是不可设定的

对象及变量的并发访问

• synchronized关键字

  • 调用用关键字synchronized声明的方法是排队运行的。但假如线程A持有某对象的锁，那线程B异步调用非synchronized类型的方法不受限制。

  • synchronized锁重入:一个线程得到对象锁后，再次请求此对象锁时是可以得到该对象的锁的。同时，子类可通过“可重入锁”调用父类的同步方法。

  • 同步不具有继承性。

  • synchronized使用的“对象监视器”是一个，即必须是同一个对象

• synchronized同步方法和synchronized同步代码块。

  • 对其他synchronized同步方法或代码块调用呈阻塞状态。

  • 同一时间只有一个线程可执行synchronized方法/代码块中的代码

• synchronized(非this对象x)，将x对象作为“对象监视器”

  • 当多个线程同时执行synchronized(x){}同步代码块时呈同步效果

  • 当其他线程执行x对象中synchronizd同步方法时呈同步效果

  • 当其他线程执行x对象方法里的synchronized(this)代码块时呈同步效果

• 静态同步synchronized方法与synchronized(class)代码块：对当前对应的class类进行持锁。

  线程的私有堆栈图

• volatile关键字：主要作用是使变量在多个线程间可见。加volatile关键字可强制性从公共堆栈进行取值,而不是从线程私有数据栈中取得变量的值

  • 在方法中while循环中设置状态位(不加volatile关键字)，在外面把状态位置位并不可行，循环不会停止，比如JVM在-server模式。

  • 原因：是私有堆栈中的值和公共堆栈中的值不同步

  • volatile增加了实例变量在多个线程间的可见性，但不支持原子性

• 原子类:一个原子类型就是一个原子操作可用的类型，可在没有锁的情况下做到线程安全。但原子类也不是完全安全，虽然原子操作是安全的，可方法间的调用却不是原子的，需要用同步。

读取公共内存图

辨析和零散补充

• synchronized静态方法与非静态方法：synchronized关键字加static静态方法上是给Class类上锁，可以对类的所有实例对象起作用；synchronized关键字加到非static静态方法上是给对象上锁，对该对象起作用。这两个锁不是同一个锁。

• synchronized和volatile比较

  • 1)关键字volatile是线程同步的轻量级实现，性能比synchronized好，且volatile只能修饰变量，synchronized可修饰方法和代码块。

  • 2)多线程访问volatile不会发生阻塞，synchronized会出现阻塞

  • 3)volatile能保证数据可见性，不保证原子性;synchronized可以保证原子性，也可以间接保证可见性，因为synchronized会将私有内存和公共内存中的数据做同步。

  • 4)volatile解决的是变量在多个线程间的可见性，synchronized解决的是多个线程访问资源的同步性。

• String常量池特性，故大多数情况下，synchronized代码块都不适用String作为锁对象。

• 多线程死锁。使用JDK自带工具，jps命令+jstack命令监测是否有死锁。

• 内置类与静态内置类。

• 锁对象的的改变。

• 一个线程出现异常时，其所持有的锁会自动释放。

变量在内存中的工作过程图

线程间通信

• 等待/通知机制：wait()和notify()/notifyAll()。wait使线程停止运行，notify使停止的线程继续运行。

  • wait()：将当前执行代码的线程进行等待，置入"预执行队列"。

    • 在调用wait()之前，线程必须获得该对象的对象级别锁；

    • 执行wait()方法后，当前线程立即释放锁；

    • 从wait()返回前，线程与其他线程竞争重新获得锁

    • 当线程呈wait()状态时，调用线程的interrup()方法会出现InterrupedException异常

    • wait(long)是等待某一时间内是否有线程对锁进行唤醒，超时则自动唤醒。

  • notify()：通知可能等待该对象的对象锁的其他线程。随机挑选一个呈wait状态的线程，使它等待获取该对象的对象锁。

    • 在调用notify()之前，线程必须获得该对象的对象级别锁；

    • 执行完notify()方法后，不会马上释放锁，要直到退出synchronized代码块，当前线程才会释放锁。

    • notify()一次只随机通知一个线程进行唤醒

  • notifyAll()和notify()差不多，只不过是使所有正在等待队中等待同一共享资源的“全部”线程从等待状态退出，进入可运行状态。

• 每个锁对象有两个队列：就绪队列和阻塞队列。

  • 就绪队列：存储将要获得锁的线程

  • 阻塞队列：存储被阻塞的的线程

• 生产者/消费者模式

• • “假死”：线程进入WAITING等待状态，呈假死状态的进程中所有线程都呈WAITING状态。

    • 假死的主要原因：有可能连续唤醒同类。notify唤醒的不一定是异类，也许是同类，如“生产者”唤醒“生产者”。

    • 解决假死：将notify()改为notifyAll()

  • wait条件改变，可能出现异常，需要将if改成while

• 通过管道进行线程间通信：一个线程发送数据到输出管道，另一个线程从输入管道读数据。

  • 字节流：PipedInputStream和PipedOutputStream

  • 字符流：PipedReader和PipedWriter

• join()：等待线程对象销毁，具有使线程排队运行的作用。

  • join()与interrupt()方法彼此遇到会出现异常。

  • join(long)可设定等待的时间

• join与synchronized的区别：join在内部使用wait()方法进行等待;synchronized使用的是“对象监视器”原理作为同步

• join(long)与sleep(long)的区别：join(long)内部使用wait(long)实现，所以join(long)具有释放锁的特点;Thread.sleep(long)不释放锁。

• ThreadLocal类：每个线程绑定自己的值

  • 覆写该类的initialValue()方法可以使变量初始化，从而解决get()返回null的问题

  • InheritableThreadLocal类可在子线程中取得父线程继承下来的值。

Lock的使用

• ReentrantLock类：实现线程之间的同步互斥，比synchronized更灵活

  • lock()，调用了的线程就持有了“对象监视器”，效果和synchronized一样

• 使用Condition实现等待/通知：比wait()和notify()/notyfyAll()更灵活，比如可实现多路通知。

  • 调用condition.await()前须先调用lock.lock()获得同步监视器

Object与Condition方法对比

ObjectConditionwait()await()wait(long timeout)await(long time,TimeUnit unit)notify()signal()notifyAll()signalAll()

一些API

方法说明int getHoldCount()查询当前线程保持此锁定的个数，即调用lock()方法的次数int getQueueLength()返回正在等待获取此锁定的线程估计数int getWaitQueueLength(Condition condition)返回等待与此锁定相关的给定条件Conditon的线程估计数boolean hasQueueThread(Thread thread)查询指定的线程是否正在等待获取此锁定boolean hasQueueThreads()查询是否有线程正在等待获取此锁定boolean hasWaiters(Condition)查询是否有线程正在等待与此锁定有关的condition条件boolean isFair()判断是不是公平锁boolean isHeldByCurrentThread()查询当前线程是否保持此锁定boolean isLocked()查询此锁定是否由任意线程保持void lockInterruptibly()如果当前线程未被中断，则获取锁定，如果已经被中断则出现异常boolean tryLock()仅在调用时锁定未被另一个线程保持的情况下，才获取该锁定boolean tryLock(long timeout,TimeUnit unit)如果锁定在给定等待时间内没有被另一个线程保持，且当前线程未被中断，则获取该锁定

• 公平锁与非公平锁

  • 公平锁表示线程获取锁的顺序是按照加锁的顺序来分配的，即FIFO先进先出。

  • 非公平锁是一种获取锁的抢占机制，随机获得锁。

• ReentrantReadWriteLock类

  • 读读共享

  • 写写互斥

  • 读写互斥

  • 写读互斥

定时器

常用API

方法说明schedule(TimerTask task, Date time)在指定的日期执行某一次任务scheduleAtFixedRate(TimerTask task, Date firstTime, long period)在指定的日期之后按指定的间隔周期，无限循环的执行某一任务schedule(TimerTask task, long delay)以执行此方法的当前时间为参考时间，在此时间基础上延迟指定的毫秒数后执行一次TimerTask任务schedule(TimerTask task, long delay, long period)以执行此方法的当前时间为参考时间，在此时间基础上延迟指定的毫秒数，再以某一间隔时间无限次数地执行某一TimerTask任务

• schedule和scheduleAtFixedRate的区别:schedule不具有追赶执行性;scheduleAtFixedRate具有追赶执行性

单例模式与多线程

• 立即加载/“饿汉模式”：调用方法前，实例已经被创建了。通过静态属性new实例化实现的

• 延迟加载/“懒汉模式”：调用get()方法时实例才被创建。最常见的实现办法是在get()方法中进行new实例化

  • 缺点：多线程环境中，会出问题

  • 解决方法

    • 声明synchronized关键字，但运行效率非常低下

    • 同步代码块，效率也低

    • 针对某些重要代码(实例化语句)单独同步，效率提升，但会出问题

    • 使用DCL双检查锁

    • 使用enum枚举数据类型实现单例模式

拾遗补增

方法与状态关系示意图

• 线程的状态：Thread.State枚举类,参考官网APIEnum Thread.State

• 线程组：线程组中可以有线程对象，也可以有线程组，组中还可以有线程。可批量管理线程或线程组对象。

• SimpleDateFormat非线程安全，解决办法有：

  • 创建多个SimpleDateFormat类的实例

  • 使用ThreadLocal类

• 线程组出现异常的处理

  • setUncaughtExceptionHandler()给指定线程对象设置异常处理器

  • setDefaultUncaughtExceptionHandler()对所有线程对象设置异常处理器

参考资料

• 浅谈Java中的锁

• java synchronized关键字的用法

• Java Thread(线程)案例详解sleep和wait的区别