java多线程

java多线程，详细概述了使用线程，基础线程机制，中断，互斥同步，线程之间的协作，线程状态，线程安全，锁优化的内容。

java多线程

• 一、使用线程
  • 实现 Runnable 接口
  • 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
  • 继承 Thread 类
  • 实现接口 VS 继承 Thread
    • 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
• 二、基础线程机制
  • Executor
    • JDK给我们提供了Excutor框架来使用线程池，它是线程池的基础
    • 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
    • Executor框架成员
      • ThreadPoolExecutor实现类
        • ThreadPoolExecutor是Executor接口的一个重要的实现类，是线程池的具体实现，用来执行被提交的任务
        • 子类继承ThreadPoolExecutor，并且其中的一些参数已经被配置好
          • FixedThreadPool
            • FixedThreadPool是线程数量固定的线程池，适用于为了满足资源管理的需求，而需要适当限制当前线程数量的情景，适用于负载比较重的服务器
          • SingleThreadExecutor
            • SingleThreadExecutor是只有一个线程的线程池，常用于需要让线程顺序执行，并且在任意时间，只能有一个任务被执行，而不能有多个线程同时执行的场景
          • CachedThreadPool
            • CachedThreadPool适用于执行很多短期异步任务的小程序，或者是负载较轻的服务器
      • ScheduledThreadPoolExecutor实现类
        • 继承了ThreadPoolExecutor并实现了ScheduledExecutorService接口。主要用于在给定的延迟后执行任务或者定期执行任务
          • ScheduledThreadPoolExecutor
            • 适用于若干个（固定）线程延时或者定期执行任务，同时为了满足资源管理的需求而需要限制后台线程数量的场景
          • SingleThreadScheduledExecutor
            • 适用于需要单个线程延时或者定期的执行任务，同时需要保证各个任务顺序执行的应用场景
      • ForkJoinPool线程池
        • ForkJoinPool 主要用于实现“分而治之”的算法，最适合的是计算密集型的任务
        • commonPool是ForkJoinPool内置的一个线程池对象
        • 创建了ForkJoinPool实例之后，就可以调用ForkJoinPool的submit(ForkJoinTask task) 或invoke(ForkJoinTask task)方法来执行指定任务了
        • ForkJoinTask是一个抽象类，它还有两个抽象子类：RecusiveAction和RecusiveTask
          • RecusiveTask代表有返回值的任务
          • RecusiveAction代表没有返回值的任务
      • Future接口
        • Future接口和其唯一的实现类FutureTask类一般用于表示异步计算的结果
        • 用FutureTask包装Runnable或者Callable对象 交给线程池的Execute或submit方法执行
      • Runnable和Callable接口
        • 用于实现线程要执行的工作单元
      • Executors工厂类
        • 提供了常见配置线程池的方法，因为ThreadPoolExecutor的参数众多且意义重大，为了避免配置出错，才有了Executors工厂类
  • 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
    • 在线程启动之前使用 setDaemon() 方法可以将一个线程设置为守护线程
  • sleep()
    • Thread.sleep(millisec) 方法会休眠当前正在执行的线程，millisec 单位为毫秒
  • yield()
    • 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
• 三、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
  • 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
  • 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
    • 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
• 四、互斥同步
  • synchronized
    • 1. 同步一个代码块
      • 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
    • 2. 同步一个方法
      • 它和同步代码块一样，作用于同一个对象
    • 3. 同步一个类
      • 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
    • 4. 同步一个静态方法
      • 作用于整个类
  • ReentrantLock
    • ReentrantLock 是 java.util.concurrent（J.U.C）包中的锁
  • 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
      • 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
      • 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
      • 一个 ReentrantLock 可以同时绑定多个 Condition 对象
  • 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
• 五、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
  • 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
  • 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
• 六、线程状态
  • 一个线程只能处于一种状态，并且这里的线程状态特指 Java 虚拟机的线程状态，不能反映线程在特定操作系统下的状态
  • 新建（NEW）
    • 创建后尚未启动
  • 可运行（RUNABLE）
    • 正在 Java 虚拟机中运行。但是在操作系统层面，它可能处于运行状态，也可能等待资源调度（例如处理器资源），资源调度完成就进入运行状态。所以该状态的可运行是指可以被运行，具体有没有运行要看底层操作系统的资源调度
  • 阻塞（BLOCKED）
    • 请求获取 monitor lock 从而进入 synchronized 函数或者代码块，但是其它线程已经占用了该 monitor lock，所以出于阻塞状态。要结束该状态进入从而 RUNABLE 需要其他线程释放 monitor lock
  • 无限期等待（WAITING）
    • 等待其它线程显式地唤醒
    • 阻塞和等待的区别在于，阻塞是被动的，它是在等待获取 monitor lock。而等待是主动的，通过调用 Object.wait() 等方法进入
  • 限期等待（TIMED_WAITING）
    • 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
  • 死亡（TERMINATED）
    • 可以是线程结束任务之后自己结束，或者产生了异常而结束
• 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
  • CountDownLatch
    • CountDownLatch是一个同步的辅助类，允许一个或多个线程一直等待，直到其它线程完成它们的操作
    • 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
  • CyclicBarrier
    • CyclicBarrier注重的是：当线程到达某个状态后，暂停下来等待其他线程，所有线程均到达以后，继续执行
  • Semaphore
    • Semaphore(信号量)实际上就是可以控制同时访问的线程个数，它维护了一组"许可证"
    • 当调用acquire()方法时，会消费一个许可证。如果没有许可证了，会阻塞起来 当调用release()方法时，会添加一个许可证。 这些"许可证"的个数其实就是一个count变量罢了
• 八、J.U.C - 其它组件
  • FutureTask
    • 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
  • BlockingQueue
    • 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
  • 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
• 九、线程不安全示例
• 十、Java 内存模型
  • 主内存与工作内存
  • 内存间交互操作
  • 内存模型三大特性
  • 先行发生原则
• 十一、线程安全
  • 不可变
  • 互斥同步
  • 非阻塞同步
  • 无同步方案
• 十二、锁优化
  • 自旋锁
  • 锁消除
  • 锁粗化
  • 轻量级锁
  • 偏向锁