JUC - 《JavaSE 基础知识》

1. 概览
2. 进程与线程
3. Java 线程
4. 共享模型之管程
8. 共享模型之工具
- 8.1 线程池
- 8.2 J.U.C
  - 7. 线程安全集合类概述
  - 8. ConcurrentHashMap
    - * ConcurrentHashMap 原理

黑马视频：https://www.bilibili.com/video/BV16J411h7Rd

并发编程代码.zip
并发编程笔记.zip

颠覆一些你以为”正确”的认知，纠正其它同类视频的错误
100+ 张手绘图 & 流程图，帮助你形成正确的”多线程世界观”
以知识点为主线、穿插讲解”应用”，”原理”和”多线程设计模式”，多维度学懂并发

1. 概览

1.1 这门课讲什么

这门课中的【并发】一词涵盖了在 Java 平台上的

进程线程并发并行

以及 Java 并发工具、并发问题以及解决方案，同时我也会讲解一些其它领域的并发

1.2 为什么学这么课

我工作中用不到并发啊？

1.3 课程特色

本门课程以并发、并行为主线，穿插讲解

应用 - 结合实际
原理 - 了然于胸
模式 - 正确姿势

1.4 预备知识

希望你不是一个初学者线程安全问题，需要你接触过 Java Web 开发、Jdbc 开发、Web 服务器、分布式框架时才会遇到

基于 JDK 8，最好对函数式编程、lambda 有一定了解采用了 slf4j 打印日志，这是好的实践采用了 lombok 简化 java bean 编写给每个线程好名字，这也是一项好的实践

pom.xml 依赖如下

<properties> 
    <maven.compiler.source>1.8</maven.compiler.source> 
    <maven.compiler.target>1.8</maven.compiler.target> 
</properties>
<dependencies>
    <dependency> 
        <groupId>org.projectlombok</groupId> 
        <artifactId>lombok</artifactId> 
        <version>1.18.10</version> 
     </dependency> 
     <dependency> 
        <groupId>ch.qos.logback</groupId> 
        <artifactId>logback-classic</artifactId> 
        <version>1.2.3</version> 
     </dependency> 
 </dependencies>

logback.xml 配置如下

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<configuration
        xmlns="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback"
        xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
        xsi:schemaLocation="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback logback.xsd">
    <appender name="STDOUT" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender">
        <encoder>
            <!--%date{HH:mm:ss.SSS} %c -->
            <pattern>%date{HH:mm:ss.SSS} %c [%t] - %m%n</pattern>
        </encoder>
    </appender>
    <logger name="c" level="debug" additivity="false">
        <appender-ref ref="STDOUT"/>
    </logger>
    <root level="ERROR">
        <appender-ref ref="STDOUT"/>
    </root>
</configuration>

2. 进程与线程

本章内容

进程和线程的概念
并行和并发的概念
线程基本应用

2.1 进程与线程

进程

程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至 CPU，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的
当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程。
进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本、画图、浏览器等），也有的程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐、360 安全卫士等）

线程

一个进程之内可以分为一到多个线程。
一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行
Java 中，线程作为最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。在 windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器

二者对比

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

2.2 并行与并发

单核 cpu 下，线程实际还是 串行执行 的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 cpu 的时间片（windows 下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于 cpu 在线程间（时间片很短）的切换非常快，人类感觉是同时运行的。总结为一句话就是： 微观串行，宏观并行 ，

一般会将这种 线程轮流使用 CPU 的做法称为并发， concurrent

CPU	时间片1	时间片2	时间片3	时间片4
core	线程1	线程2	线程3	线程4

多核 cpu下，每个核（core） 都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的。

CPU	时间片1	时间片2	时间片3	时间片4
core1	线程1	线程2	线程3	线程4
core1	线程2	线程4	线程2	线程4

引用 Rob Pike 的一段描述：

并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力
并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力

例子

家庭主妇做饭、打扫卫生、给孩子喂奶，她一个人轮流交替做这多件事，这时就是并发
家庭主妇雇了个保姆，她们一起这些事，这时既有并发，也有并行（这时会产生竞争，例如锅只有一口，一个人用锅时，另一个人就得等待）
雇了3个保姆，一个专做饭、一个专打扫卫生、一个专喂奶，互不干扰，这时是并行

Rob Pike 资料

golang 语言的创造者 Rob Pike - 百度百科

2.3 应用

* 应用之异步调用（案例1）

以调用方角度来讲，如果

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步

同步：

import cn.itcast.Constants;
import cn.itcast.n2.util.FileReader;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j(topic = "c.Sync")
public class Sync {
    public static void main(String[] args) {
        FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH);
        log.debug("do other things ...");
    }
}

异步：

import cn.itcast.Constants;
import cn.itcast.n2.util.FileReader;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j(topic = "c.Async")
public class Async {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH)).start();
        log.debug("do other things ...");
    }
}

1) 设计

多线程可以让方法执行变为异步的（即不要巴巴干等着）比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了 5 秒钟，如果没有线程调度机制，这 5 秒 cpu 什么都做不了，其它代码都得暂停…

2) 结论

比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程
tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程
ui 程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞 ui 线程

* 应用之提高效率（案例1）

充分利用多核 cpu 的优势，提高运行效率。想象下面的场景，执行 3 个计算，最后将计算结果汇总。

计算 1 花费 10 ms 
计算 2 花费 11 ms 
计算 3 花费 9 ms 
汇总需要 1 ms

如果是串行执行，那么总共花费的时间是 10 + 11 + 9 + 1 = 31ms
但如果是四核 cpu，各个核心分别使用线程 1 执行计算 1，线程 2 执行计算 2，线程 3 执行计算 3，那么 3 个线程是并行的，花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间，即 11ms 最后加上汇总时间只会花费 12ms

注意

需要在多核 cpu 才能提高效率，单核仍然时是轮流执行

1) 设计

代码见【应用之效率-案例1】<<<<<

2) 结论

单核 cpu 下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用 cpu ，不至于一个线程总占用 cpu，别的线程没法干活
多核 cpu 可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的

有些任务，经过精心设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率。但不是所有计算任务都能拆分（参考后文的【阿姆达尔定律】）
也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义

IO 操作不占用 cpu，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO】，这时相当于线程虽然不用 cpu，但需要一直等待 IO 结束，没能充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞 IO】和【异步 IO】优化

3. Java 线程

本章内容

创建和运行线程
查看线程
线程 API
线程状态

3.1 创建和运行线程

方法一，直接使用 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();

例如：

// 构造方法的参数是给线程指定名字，推荐 
Thread t1 = new Thread("t1") {
    @Override 
    // run 方法内实现了要执行的任务 
    public void run() { 
        log.debug("hello"); 
    }
}; 
t1.start();

输出

19:19:00 [t1] c.ThreadStarter - hello

方法二，使用 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();

例如：

// 创建任务对象 
Runnable task2 = new Runnable() { 
    @Override 
    public void run() { 
        log.debug("hello"); 
    } 
};
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐 
Thread t2 = new Thread(task2, "t2"); 
t2.start();

输出

19:19:00 [t2] c.ThreadStarter - hello

Java 8 以后可以使用 lambda 精简代码

// 创建任务对象 
Runnable task2 = () -> log.debug("hello");
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐 
Thread t2 = new Thread(task2, "t2"); 
t2.start();

* 原理之 Thread 与 Runnable 的关系

分析 Thread 的源码，理清它与 Runnable 的关系

小结

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，FutureTask 配合 Thread

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> task3 = new FutureTask<>(() -> {
    log.debug("hello");
    return 100; 
});
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐 
new Thread(task3, "t3").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);

输出

19:22:27 [t3] c.ThreadStarter - hello 
19:22:27 [main] c.ThreadStarter - 结果是:100

3.2 观察多个线程同时运行

主要是理解

交替执行
谁先谁后，不由我们控制

3.3 查看进程线程的方法

windows

任务管理器可以查看进程和线程数，也可以用来杀死进程
tasklist 查看进程
taskkill 杀死进程

linux

ps -fe 查看所有进程
- ps -fe | grep java
ps -fT -p 查看某个进程（PID）的所有线程
kill 杀死进程
top 按大写 H 切换是否显示线程
top -H -p 查看某个进程（PID）的所有线程

Java

jps 命令查看所有 Java 进程
jstack 查看某个 Java 进程（PID）的所有线程状态
jconsole 来查看某个 Java 进程中线程的运行情况（图形界面）

jconsole 远程监控配置

需要以如下方式运行你的 java 类

java -Djava.rmi.server.hostname=`ip地址` -Dcom.sun.management.jmxremote Dcom.sun.management.jmxremote.port=`连接端口` -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=是否安全连接 Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=是否认证 java类

修改 /etc/hosts 文件将 127.0.0.1 映射至主机名

如果要认证访问，还需要做如下步骤

复制 jmxremote.password 文件修改 jmxremote.password 和 jmxremote.access 文件的权限为 600 即文件所有者可读写连接时填入 controlRole（用户名），R&D（密码）

3.4 * 原理之线程运行

栈与栈帧

Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈）

我们都知道 JVM 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存是给谁用的呢？其实就是线程，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

public class TestFrames {
    public static void main(String[] args) {
        method1(10);
    }
    private static void method1(int x) {
        int y = x + 1;
        Object m = method2();
        System.out.println(m);
    }
    private static Object method2() {
        Object n = new Object();
        return n;
    }
}

线程之间的栈内存是相互独立的，互不影响。

线程上下文切换（Thread Context Switch）

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

3.5 常见方法

方法名	static	功能说明	注意
start()		启动一个新线程，在新的线程运行 run 方法中的代码	start 方法只是让线程进入就绪，里面代码不一定立刻运行（CPU 的时间片还没分给它）。每个线程对象的 start方法只能调用一次，如果调用了多次会出现 IllegalThreadStateException
run()		新线程启动后会调用的方法	如果在构造 Thread 对象时传递了 Runnable 参数，则线程启动后会调用 Runnable 中的 run 方法，否则默认不执行任何操作。但可以创建 Thread 的子类对象，来覆盖默认行为
join()		等待线程运行结束
join(long n)		等待线程运行结束,最多等待 n 毫秒
getId()		获取线程长整型的 id	id 唯一
getName()		获取线程名
setName(String)		修改线程名
getPriority()		获取线程优先级
setPriority(int)		修改线程优先级	java中规定线程优先级是1~10 的整数，较大的优先级能提高该线程被 CPU 调度的机率
getState()		获取线程状态	Java 中线程状态是用 6 个 enum 表示，分别为： NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED
isInterrupted()		判断是否被打断，	不会清除打断标记
isAlive()		线程是否存活（还没有运行完毕）
interrupt()		打断线程	如果被打断线程正在 sleep，wait，join 会导致被打断的线程抛出 InterruptedException，并清除打断标记；如果打断的正在运行的线程，则会设置打断标记；park 的线程被打断，也会设置打断标记
interrupted()	static	判断当前线程是否被打断	会清除打断标记
currentThread()	static	获取当前正在执行的线程

sleep(long n)	static	让当前执行的线程休眠n毫秒，休眠时让出 cpu 的时间片给其它线程
yield()	static	提示线程调度器让出当前线程对 CPU的使用	主要是为了测试和调试

3.6 start 与 run

调用 run

 public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread("t1") {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running...");
                FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH);
            }
        };
        t1.run();
        log.debug("do other things...");
}

输出

19:39:14 [main] c.TestStart - main 
19:39:14 [main] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
19:39:18 [main] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4227 ms 
19:39:18 [main] c.TestStart - do other things ...

程序仍在 main 线程运行， FileReader.read() 方法调用还是同步的

调用 start

将上述代码的 t1.run() 改为

t1.start();

输出

19:41:30 [main] c.TestStart - do other things ...
19:41:30 [t1] c.TestStart - t1 
19:41:30 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
19:41:35 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4542 ms

程序在 t1 线程运行， FileReader.read() 方法调用是异步的

小结

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

3.7 sleep 与 yield

sleep

调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）

 public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread("t1") {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        t1.start();
        log.debug("t1 state: {}", t1.getState());
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("t1 state: {}", t1.getState());
    }

输出

20:40:26.349 c.Test6 [main] - t1 state: RUNNABLE
20:40:26.865 c.Test6 [main] - t1 state: TIMED_WAITING

其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛出 InterruptedException

 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread("t1") {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("enter sleep...");
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    log.debug("wake up...");
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        t1.start();
        Thread.sleep(1000);
        log.debug("interrupt...");
        t1.interrupt();
    }

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

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("enter");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        log.debug("end");
//        Thread.sleep(1000);
}

yield

让出，谦让的意思，让出 CPU 使用权

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

sleep 和 yield区别

1.
任务调度器会把时间片分配给就绪状态的线程
任务调度器不会把时间片分配给阻塞状态的线程

2.
sleep 有等待时间，yield 没有等待时间。

线程优先级

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

     public static void main(String[] args) {
        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();
    }

yield 和线程优先级都仅仅对调度器是一个提示而已，不能真正控制。

* 应用之效率（案例2）

3.8 join 方法详解

为什么需要 join

下面的代码执行，打印 r 是什么？

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");
}

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 r=10
而主线程一开始就要打印 r 的结果，所以只能打印出 r=0

解决方法

用 sleep 行不行？为什么？
用 join，加在 t1.start() 之后即可

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(); // 等待线程1的结束
    log.debug("结果为:{}", r); 
    log.debug("结束");
}

* 应用之同步（案例1）

以调用方角度来讲，如果

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步

等待多个结果

问，下面代码 cost 大约多少秒？

static int r1 = 0; 
static int r2 = 0; 
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
    test2(); 
} 
private static void test2() throws InterruptedException { 
    Thread t1 = new Thread(() -> { 
        sleep(1); 
        r1 = 10; 
    }); 
    Thread t2 = new Thread(() -> { 
        sleep(2);
        r2 = 20;
    }); 
    long start = System.currentTimeMillis(); 
    t1.start(); 
    t2.start(); 
    t1.join(); 
    t2.join(); 
    long end = System.currentTimeMillis(); 
    log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

分析如下

第一个 join：等待 t1 时, t2 并没有停止, 而在运行
第二个 join：1s 后, 执行到此, t2 也运行了 1s, 因此也只需再等待 1s

如果颠倒两个 join 呢？

最终都是输出

20:45:43.239 [main] c.TestJoin - r1: 10 r2: 20 cost: 2005

有时效的 join

等够时间

static int r1 = 0; 
static int r2 = 0; 
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test3(); 
} 
public static void test3() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        sleep(1);
        r1 = 10;
    });
    long start = System.currentTimeMillis();
    t1.start();
    // 线程执行结束会导致 join 结束 
    t1.join(1500); 
    long end = System.currentTimeMillis(); 
    log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

输出

20:48:01.320 [main] c.TestJoin - r1: 10 r2: 0 cost: 1010

没等够时间

static int r1 = 0; 
static int r2 = 0; 
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test3(); 
} 
public static void test3() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        sleep(2);
        r1 = 10;
    });
    long start = System.currentTimeMillis(); 
    t1.start();
    t1.join(1500); 
    long end = System.currentTimeMillis(); 
    log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

输出

20:52:15.623 [main] c.TestJoin - r1: 0 r2: 0 cost: 1502

3.9 interrupt 方法详解

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，以 sleep 为例

private static void test1() throws InterruptedException { 
    Thread t1 = new Thread(()->{ 
        sleep(1);
    }, "t1"); 
    t1.start();
    sleep(0.5); 
    t1.interrupt(); 
    log.debug(" 打断状态: {}", t1.isInterrupted());
}

输出

java.lang.InterruptedException: sleep interrupted 
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method) 
    at java.lang.Thread.sleep(Thread.java:340) 
    at java.util.concurrent.TimeUnit.sleep(TimeUnit.java:386) 
    at cn.itcast.n2.util.Sleeper.sleep(Sleeper.java:8) 
    at cn.itcast.n4.TestInterrupt.lambda$test1$3(TestInterrupt.java:59) 
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745) 
21:18:10.374 [main] c.TestInterrupt - 打断状态: false

打断正常运行的线程

打断正常运行的线程, 不会清空打断状态

被打断的线程可以自己决定是否停止线程，打断状态可以用来停止线程

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();
}

输出

20:57:37.964 [t2] c.TestInterrupt - 打断状态: true

* 模式之两阶段终止

打断 park 线程

打断 park 线程, 不会清空打断状态

private static void test3() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> { 
        log.debug("park..."); 
        LockSupport.park();
        log.debug("unpark..."); 
        log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted()); 
    }, "t1"); 
    t1.start();
    sleep(0.5); 
    t1.interrupt();
}

输出

21:11:52.795 [t1] c.TestInterrupt - park... 
21:11:53.295 [t1] c.TestInterrupt - unpark... 
21:11:53.295 [t1] c.TestInterrupt - 打断状态：true

如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效

private static void test4() {
    Thread t1 = new Thread(() -> { 
        for (int i = 0; i < 5; i++) { 
            log.debug("park..."); 
            LockSupport.park(); 
            log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted()); 
        }
    }); 
    t1.start();
    sleep(1); 
    t1.interrupt();
}

21:13:48.783 [Thread-0] c.TestInterrupt - park... 
21:13:49.809 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true 
21:13:49.812 [Thread-0] c.TestInterrupt - park... 
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true 
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true 
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park... 
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true 
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park... 
    21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true

3.10 不推荐的方法

还有一些不推荐使用的方法，这些方法已过时，容易破坏同步代码块，造成线程死锁

方法名	static	功能说明
stop()		停止线程运行
suspend()		挂起（暂停）线程运行
resume()		恢复线程运行

3.11 主线程与守护线程

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。

例：

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...");

输出

08:26:38.123 [main] c.TestDaemon - 开始运行... 
08:26:38.213 [daemon] c.TestDaemon - 开始运行... 
08:26:39.215 [main] c.TestDaemon - 运行结束...

注意

垃圾回收器线程就是一种守护线程
Tomcat 中的 Acceptor 和 Poller 线程都是守护线程，所以 Tomcat 接收到 shutdown 命令后，不会等待它们处理完当前请求

3.12 五种状态

这是从 操作系统 层面来描述的

【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态

3.13 六种状态

这是从 Java API 层面来描述的

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，后面会在状态转换一节详述
TERMINATED 当线程代码运行结束

@Slf4j(topic = "c.TestState")
public class TestState {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Thread t1 = new Thread("t1") {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running...");
            }
        };
        Thread t2 = new Thread("t2") {
            @Override
            public void run() {
                while(true) { // runnable
                }
            }
        };
        t2.start();
        Thread t3 = new Thread("t3") {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running...");
            }
        };
        t3.start();
        Thread t4 = new Thread("t4") {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (TestState.class) {
                    try {
                        Thread.sleep(1000000); // timed_waiting
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        t4.start();
        Thread t5 = new Thread("t5") {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    t2.join(); // waiting
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        t5.start();
        Thread t6 = new Thread("t6") {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (TestState.class) { // blocked
                    try {
                        Thread.sleep(1000000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        t6.start();
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("t1 state {}", t1.getState());
        log.debug("t2 state {}", t2.getState());
        log.debug("t3 state {}", t3.getState());
        log.debug("t4 state {}", t4.getState());
        log.debug("t5 state {}", t5.getState());
        log.debug("t6 state {}", t6.getState());
        System.in.read();
    }
}

输出

21:08:36.026 c.TestState [t3] - running...
21:08:36.530 c.TestState [main] - t1 state NEW
21:08:36.531 c.TestState [main] - t2 state RUNNABLE
21:08:36.532 c.TestState [main] - t3 state TERMINATED
21:08:36.532 c.TestState [main] - t4 state TIMED_WAITING
21:08:36.532 c.TestState [main] - t5 state WAITING
21:08:36.532 c.TestState [main] - t6 state BLOCKED

3.14 习题

阅读华罗庚《统筹方法》，给出烧水泡茶的多线程解决方案，提示

参考图二，用两个线程（两个人协作）模拟烧水泡茶过程
- 文中办法乙、丙都相当于任务串行
- 而图一相当于启动了 4 个线程，有点浪费
用 sleep(n) 模拟洗茶壶、洗水壶等耗费的时间

附：华罗庚《统筹方法》

统筹方法，是一种安排工作进程的数学方法。它的实用范围极广泛，在企业管理和基本建设中，以及关系复杂的科研项目的组织与管理中，都可以应用。

怎样应用呢？主要是把工序安排好。比如，想泡壶茶喝。当时的情况是：开水没有；水壶要洗，茶壶、茶杯要洗；火已生了，茶叶也有了。怎么办？

办法甲：洗好水壶，灌上凉水，放在火上；在等待水开的时间里，洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶；等水开了，泡茶喝。办法乙：先做好一些准备工作，洗水壶，洗茶壶茶杯，拿茶叶；一切就绪，灌水烧水；坐待水开了，泡茶喝。办法丙：洗净水壶，灌上凉水，放在火上，坐待水开；水开了之后，急急忙忙找茶叶，洗茶壶茶杯，泡茶喝。

哪一种办法省时间？我们能一眼看出，第一种办法好，后两种办法都窝了工。

这是小事，但这是引子，可以引出生产管理等方面有用的方法来。

水壶不洗，不能烧开水，因而洗水壶是烧开水的前提。没开水、没茶叶、不洗茶壶茶杯，就不能泡茶，因而这些又是泡茶的前提。它们的相互关系，可以用下边的箭头图来表示：

从这个图上可以一眼看出，办法甲总共要16分钟（而办法乙、丙需要20分钟）。如果要缩短工时、提高工作效率，应当主要抓烧开水这个环节，而不是抓拿茶叶等环节。同时，洗茶壶茶杯、拿茶叶总共不过4分钟，大可利用“等水开”的时间来做。

是的，这好像是废话，卑之无甚高论。有如走路要用两条腿走，吃饭要一口一口吃，这些道理谁都懂得。但稍有变化，临事而迷的情况，常常是存在的。在近代工业的错综复杂的工艺过程中，往往就不是像泡茶喝这么简单了。任务多了，几百几千，甚至有好几万个任务。关系多了，错综复杂，千头万绪，往往出现“万事俱备，只欠东风”的情况。由于一两个零件没完成，耽误了一台复杂机器的出厂时间。或往往因为抓的不是关键，连夜三班，急急忙忙，完成这一环节之后，还得等待旁的环节才能装配。

洗茶壶，洗茶杯，拿茶叶，或先或后，关系不大，而且同是一个人的活儿，因而可以合并成为：

看来这是“小题大做”，但在工作环节太多的时候，这样做就非常必要了。这里讲的主要是时间方面的事，但在具体生产实践中，还有其他方面的许多事。这种方法虽然不一定能直接解决所有问题，但是，我们利用这种方法来考虑问题，也是不无裨益的。

* 应用之统筹（烧水泡茶）

本章小结

本章的重点在于掌握

线程创建
线程重要 api，如 start，run，sleep，join，interrupt 等
线程状态
应用方面
- 异步调用：主线程执行期间，其它线程异步执行耗时操作
- 提高效率：并行计算，缩短运算时间同步等待：join
- 统筹规划：合理使用线程，得到最优效果
原理方面
- 线程运行流程：栈、栈帧、上下文切换、程序计数器
- Thread 两种创建方式的源码
模式方面
- 终止模式之两阶段终止

4. 共享模型之管程

本章内容

共享问题
synchronized
线程安全分析
Monitor
wait/notify
线程状态转换
活跃性
Lock

4.1 共享带来的问题

小故事

老王（操作系统）有一个功能强大的算盘（CPU），现在想把它租出去，赚一点外快
小南、小女（线程）来使用这个算盘来进行一些计算，并按照时间给老王支付费用
但小南不能一天24小时使用算盘，他经常要小憩一会（sleep），又或是去吃饭上厕所（阻塞 io 操作），有时还需要一根烟，没烟时思路全无（wait）这些情况统称为（阻塞）
在这些时候，算盘没利用起来（不能收钱了），老王觉得有点不划算
另外，小女也想用用算盘，如果总是小南占着算盘，让小女觉得不公平
于是，老王灵机一动，想了个办法 [ 让他们每人用一会，轮流使用算盘 ]
这样，当小南阻塞的时候，算盘可以分给小女使用，不会浪费，反之亦然
最近执行的计算比较复杂，需要存储一些中间结果，而学生们的脑容量（工作内存）不够，所以老王申请了一个笔记本（主存），把一些中间结果先记在本上计算流程是这样的
但是由于分时系统，有一天还是发生了事故
小南刚读取了初始值 0 做了个 +1 运算，还没来得及写回结果
老王说 [ 小南，你的时间到了，该别人了，记住结果走吧 ]，于是小南念叨着 [ 结果是1，结果是1…] 不甘心地到一边待着去了（上下文切换）
老王说 [ 小女，该你了 ]，小女看到了笔记本上还写着 0 做了一个 -1 运算，将结果 -1 写入笔记本
这时小女的时间也用完了，老王又叫醒了小南：[小南，把你上次的题目算完吧]，小南将他脑海中的结果 1 写入了笔记本
小南和小女都觉得自己没做错，但笔记本里的结果是 1 而不是 0

Java 的体现

两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？

static int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
    Thread t1 = new Thread(() -> { 
        for (int i = 0; i < 5000; i++) { 
            counter++; 
        } 
    }, "t1");
    Thread t2 = new Thread(() -> { 
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            counter--; 
        } 
    }, "t2");
    t1.start(); 
    t2.start(); 
    t1.join(); 
    t2.join(); 
    log.debug("{}",counter);
}

问题分析

以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析

例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：

getstatic     i // 获取静态变量i的值
iconst_1       // 准备常量1
iadd           // 自增
putstatic    i // 将修改后的值存入静态变量i

而对应 i— 也是类似：

getstatic    i // 获取静态变量i的值 
iconst_1       // 准备常量1
isub           // 自减
putstatic    i // 将修改后的值存入静态变量i

而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：

如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：

但多线程下这 8 行代码可能交错运行：

出现负数的情况：

出现正数的情况：

临界区 Critical Section

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区 例如，下面代码中的临界区

static int counter = 0;
static void increment() 
// 临界区 
{ 
    counter++; 
}
static void decrement() 
// 临界区 
{ 
    counter--; 
}

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

4.2 synchronized 解决方案

* 应用之互斥

为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。

阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
非阻塞式的解决方案：原子变量

本次课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

注意

虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点

synchronized

语法

synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked) 
{ 
    临界区 
}

解决

static int counter = 0; 
static final Object room = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
    Thread t1 = new Thread(() -> { 
        for (int i = 0; i < 5000; i++) { 
            synchronized (room) { 
                counter++; 
            }
        }
    }, "t1");
    Thread t2 = new Thread(() -> { 
        for (int i = 0; i < 5000; i++) { 
            synchronized (room) { 
                counter--; 
            } 
        } 
    }, "t2");
    t1.start(); 
    t2.start(); 
    t1.join(); 
    t2.join(); 
    log.debug("{}",counter);
}

你可以做这样的类比：

synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间（room），有唯一入口（门）房间只能一次进入一人进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人
当线程 t1 执行到 synchronized(room) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行 count++ 代码
这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，阻塞住了
这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦），这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才能开门进入
当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码，这时候才会从 obj 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥匙给他。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的 count— 代码

用图来表示

思考

synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断。

为了加深理解，请思考下面的问题

如果把 synchronized(obj) 放在 for 循环的外面，如何理解？— 原子性
如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会怎样运作？— 原子性不能保障
如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？— 原子性不能保障

面向对象改进

把需要保护的共享变量放入一个类

public class Test17 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Room room = new Room();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                room.increment();
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                room.decrement();
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("{}", room.getCounter());
    }
}
class Room {
    private int counter = 0;
    public void increment() {
        synchronized(this) {
           counter++;
        }
    }
    public synchronized void decrement() {
        synchronized(this) {
            counter--;
        }
    }
    public synchronized int getCounter() {
        synchronized(this) {
            return counter;
        }
    }
}

4.3 方法上的 synchronized

class Test{ 
    public synchronized void test() {
    }
} 
等价于 
class Test{
    public void test() { 
        synchronized(this) {
        }
    }
}

class Test{ 
    public synchronized static void test() {
    }
} 
等价于 
class Test{
    public static void test() { 
        synchronized(Test.class) {
        }
    }
}

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）

所谓的“线程八锁”

其实就是考察 synchronized 锁住的是哪个对象

情况1：12 或 21

@Slf4j(topic = "c.Number") class Number{
public synchronized void a() { log.debug("1"); } public synchronized void b() {
log.debug("2"); }
}
public static void main(String[] args) { Number n1 = new Number(); new Thread(()->{ n1.a(); }).start(); new Thread(()->{ n1.b(); }).start(); }

情况2：1s后12，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number") class Number{
public synchronized void a() { sleep(1); log.debug("1"); } public synchronized void b() {
log.debug("2"); }
}
public static void main(String[] args) { Number n1 = new Number(); new Thread(()->{ n1.a(); }).start(); new Thread(()->{ n1.b(); }).start(); }

情况3：3 1s 12 或 23 1s 1 或 32 1s 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public synchronized void a() { sleep(1); log.debug("1"); } public synchronized void b() {
log.debug("2"); } public void c() {
log.debug("3"); }
}
public static void main(String[] args) { Number n1 = new Number(); new Thread(()->{ n1.a(); }).start(); new Thread(()->{ n1.b(); }).start(); new Thread(()->{ n1.c(); }).start(); }

情况4：2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number") class Number{
public synchronized void a() { sleep(1); log.debug("1"); } public synchronized void b() {
log.debug("2"); }
}
public static void main(String[] args) { Number n1 = new Number(); Number n2 = new Number(); new Thread(()->{ n1.a(); }).start(); new Thread(()->{ n2.b(); }).start(); }

情况5：2 1s 后 1

锁的是不同的对象

@Slf4j(topic = "c.Number") class Number{
public static synchronized void a() { sleep(1); log.debug("1"); } public synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) { Number n1 = new Number(); new Thread(()->{ n1.a(); }).start(); new Thread(()->{ n1.b(); }).start(); }

情况6：1s 后12，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number") class Number{
public static synchronized void a() { sleep(1); log.debug("1"); } public static synchronized void b() {
log.debug("2"); }
}
public static void main(String[] args) { Number n1 = new Number(); new Thread(()->{ n1.a(); }).start(); new Thread(()->{ n1.b(); }).start(); }

情况7：2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number") class Number{
public static synchronized void a() { sleep(1); log.debug("1"); } public synchronized void b() {
log.debug("2"); }
}
public static void main(String[] args) { Number n1 = new Number(); Number n2 = new Number(); new Thread(()->{ n1.a(); }).start(); new Thread(()->{ n2.b(); }).start(); }

情况8：1s 后12，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = “c.Number”)

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public static synchronized void a() { sleep(1); log.debug("1"); } public static synchronized void b() {
log.debug("2"); }
}
public static void main(String[] args) { Number n1 = new Number(); Number n2 = new Number(); new Thread(()->{ n1.a(); }).start(); new Thread(()->{ n2.b(); }).start(); }

4.4 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

局部变量线程安全分析

public static void test1() { 
    int i = 10; 
    i++; 
}

每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享

如图

局部变量的引用稍有不同

先看一个成员变量的例子

class ThreadUnsafe {
    ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); 
    public void method1(int loopNumber) { 
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) { 
            // { 临界区, 会产生竞态条件 
            method2();
            method3();
             // } 临界区
        }
    }
    private void method2() { 
        list.add("1"); 
    }
    private void method3() { 
        list.remove(0); 
    }
}

执行

static final int THREAD_NUMBER = 2; 
static final int LOOP_NUMBER = 200; 
public static void main(String[] args) {
    ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe(); 
    for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
        new Thread(() -> {
            test.method1(LOOP_NUMBER);
        }, "Thread" + i).start(); 
    }
}

其中一种情况是，如果线程2 还未 add，线程1 remove 就会报错：

Exception in thread "Thread1" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0 
    at java.util.ArrayList.rangeCheck(ArrayList.java:657) 
    at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:496) 
    at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method3(TestThreadSafe.java:35) 
    at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method1(TestThreadSafe.java:26) 
    at cn.itcast.n6.TestThreadSafe.lambda$main$0(TestThreadSafe.java:14) 
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

分析：

无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量
method3 与 method2 分析相同

将 list 修改为局部变量

class ThreadSafe {
    public void method1(int loopNumber) { 
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); 
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) { 
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    private void method2(ArrayList<String> list) { 
        list.add("1"); 
    }
    private void method3(ArrayList<String> list) { 
        list.remove(0); 
    }
}

那么就不会有上述问题了

分析：

list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享
而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象
method3 的参数分析与 method2 相同

方法访问修饰符带来的思考，如果把 method2 和 method3 的方法修改为 public 会不会代理线程安全问题？

情况1：有其它线程调用 method2 和 method3
情况2：在情况1 的基础上，为 ThreadSafe 类添加子类，子类覆盖 method2 或 method3 方法，即 ```java class ThreadSafe {

public void method1(int loopNumber) {
```
  ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); 
  for (int i = 0; i < loopNumber; i++) { 
      method2(list);
      method3(list);
  }
```
}

public void method2(ArrayList list) {
```
  list.add("1"); 
```
}

public void method3(ArrayList list) {
```
  list.remove(0); 
```
} }

class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{ @Override public void method3(ArrayList list) { new Thread(() -> { list.remove(0); }).start(); } }

会有线程安全问题
```java
class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) { 
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); 
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) { 
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    private void method2(ArrayList<String> list) { 
        list.add("1"); 
    }
    private void method3(ArrayList<String> list) { 
        list.remove(0); 
    }
}
class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
    @Override 
    public void method3(ArrayList<String> list) {
        new Thread(() -> {
            list.remove(0);
        }).start(); 
    }
}

从这个例子可以看出 private 或 ﬁnal 提供【安全】的意义所在，请体会开闭原则中的【闭】

常见线程安全类

String ：因为源码是 _private final char _value[];
Integer
StringBuﬀer
Random
Vector
Hashtable
java.util.concurrent 包下的类

这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。也可以理解为

Hashtable table = new Hashtable();
new Thread(()->{ 
    table.put("key", "value1"); 
}).start();
new Thread(()->{ 
    table.put("key", "value2"); 
}).start();

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，见后面分析

线程安全类方法的组合

分析下面代码是否线程安全？

Hashtable table = new Hashtable(); 
// 线程1，线程2 
if( table.get("key") == null) { 
    table.put("key", value); 
}

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

有同学或许有疑问，String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值啊，那么这些方法又是如何保证线程安全的呢？

实例分析

成员变量是否被共享

例1：

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全？ 不是
    Map<String,Object> map = new HashMap<>(); 
    // 是否安全？ 是
    String S1 = "..."; 
    // 是否安全？ 
    final String S2 = "..."; 
    // 是否安全？否
    Date D1 = new Date(); 
    // 是否安全？ 否，日期的属性是可以改的，可变类型是线程不安全的    
    final Date D2 = new Date();
    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
        // 使用上述变量
    }
}

例2：

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全？ 不是
    private UserService userService = new UserServiceImpl();
    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) { 
        userService.update(...); 
      }
}
public class UserServiceImpl implements UserService { 
    // 记录调用次数 
    private int count = 0;
    public void update() {
        // ...
        count++; 
    }
}

例3：

@Aspect 
@Component 
public class MyAspect {
    // 是否安全？ 否，变量是共享的。写成局部变量才可以
    private long start = 0L;
    @Before("execution(* *(..))") 
    public void before() { 
        start = System.nanoTime(); 
    }
    @After("execution(* *(..))") 
    public void after() {
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println("cost time:" + (end-start)); 
    }
}

例4：

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全 是
    private UserService userService = new UserServiceImpl();
    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) { 
        userService.update(...); 
    }
}
public class UserServiceImpl implements UserService { 
    // 是否安全 是
    private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
    public void update() { 
        userDao.update(); 
    }
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
    public void update() { 
        String sql = "update user set password = ? where username = ?";
        // 是否安全 是
        try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){ 
            // ...
        } catch (Exception e) { 
            // ...
        }
    }
}

例5：

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全 
    private UserService userService = new UserServiceImpl();
    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) { 
        userService.update(...); 
    }
}
public class UserServiceImpl implements UserService { 
    // 是否安全 
    private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
    public void update() { 
        userDao.update(); 
    }
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
    // 是否安全 不安全
    private Connection conn = null; 
    public void update() throws SQLException {
        String sql = "update user set password = ? where username = ?";
        conn = DriverManager.getConnection("","","");
        // ...
        conn.close(); 
    }
}

例6：

没有线程安全问题

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全 
    private UserService userService = new UserServiceImpl();
    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) { 
        userService.update(...); 
    }
}
public class UserServiceImpl implements UserService { 
    public void update() { 
        UserDao userDao = new UserDaoImpl(); 
        userDao.update(); 
    } 
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
    // 是否安全 
    private Connection = null; 
    public void update() throws SQLException {
        String sql = "update user set password = ? where username = ?";
        conn = DriverManager.getConnection("","","");
        // ..
        conn.close(); 
    }
}

例7：

public abstract class Test {
    public void bar() {
        // 是否安全 不安全
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        foo(sdf);
    }
    public abstract foo(SimpleDateFormat sdf);
    public static void main(String[] args) { 
        new Test().bar(); 
    }
}

其中 foo 的行为是不确定的，可能导致不安全的发生，被称之为外星方法

public void foo(SimpleDateFormat sdf) {
    String dateStr = "1999-10-11 00:00:00"; 
    for (int i = 0; i < 20; i++) { 
        new Thread(() -> { 
            try { 
                sdf.parse(dateStr); 
            } catch (ParseException e) { 
                e.printStackTrace(); 
            } 
        }).start();
    }
}

请比较 JDK 中 String 类的实现

例8：

private static Integer i = 0; 
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    List<Thread> list = new ArrayList<>();
    for (int j = 0; j < 2; j++) {
        Thread thread = new Thread(() -> { 
            for (int k = 0; k < 5000; k++) { 
                synchronized (i) { 
                    i++; 
                } 
            }
        }, "" + j);
        list.add(thread);
    } 
    list.stream().forEach(t -> t.start()); 
       list.stream().forEach(t -> {
        try { 
            t.join(); 
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace(); 
        }
    });
    log.debug("{}", i);
}

4.5 习题

卖票练习

测试下面代码是否存在线程安全问题，并尝试改正

public class ExerciseSell {
    public static void main(String[] args) {
        TicketWindow ticketWindow = new TicketWindow(2000);
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        // 用来存储买出去多少张票 
        List<Integer> sellCount = new Vector<>();
        for (int i = 0; i < 2000; i++) {
            Thread t = new Thread(() -> {
                // 分析这里的竞态条件 
                int count = ticketWindow.sell(randomAmount());
                sellCount.add(count);
            });
            list.add(t);
            t.start();
        }
        list.forEach((t) -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        // 买出去的票求和 
        log.debug("selled count:{}", sellCount.stream().mapToInt(c -> c).sum());
        // 剩余票数 
        log.debug("remainder count:{}", ticketWindow.getCount());
    }
    // Random 为线程安全 
    static Random random = new Random();
    // 随机 1~5 
    public static int randomAmount() {
        return random.nextInt(5) + 1;
    }
}
class TicketWindow {
    private int count;
    public TicketWindow(int count) {
        this.count = count;
    }
    public int getCount() {
        return count;
    }
    public int sell(int amount) {
        if (this.count >= amount) {
            this.count -= amount;
            return amount;
        } else {
            return 0;
        }
    }
}

4.6 Monitor 概念

Java 对象头

以 32 位虚拟机为例

Integer 8字节（对象头） + 4字节（value）

int 4字节

普通对象

对象头（8字节）：Mark Word（4字节） + Klass Word（4字节）

数组对象

其中 Mark Word 结构为

64 位虚拟机 Mark Word

参考资料 https://stackoverﬂow.com/questions/26357186/what-is-in-java-object-header

* 原理之 Monitor(锁)

* 原理之 synchronized

小故事

故事角色

老王 - JVM
小南 - 线程
小女 - 线程
房间 - 对象
房间门上 - 防盗锁 - Monitor
房间门上 - 小南书包 - 轻量级锁
房间门上 - 刻上小南大名 - 偏向锁
批量重刻名 - 一个类的偏向锁撤销到达 20 阈值
不能刻名字 - 批量撤销该类对象的偏向锁，设置该类不可偏向

小南要使用房间保证计算不被其它人干扰（原子性），最初，他用的是防盗锁，当上下文切换时，锁住门。这样，即使他离开了，别人也进不了门，他的工作就是安全的。

但是，很多情况下没人跟他来竞争房间的使用权。小女是要用房间，但使用的时间上是错开的，小南白天用，小女晚上用。每次上锁太麻烦了，有没有更简单的办法呢？

小南和小女商量了一下，约定不锁门了，而是谁用房间，谁把自己的书包挂在门口，但他们的书包样式都一样，因此每次进门前得翻翻书包，看课本是谁的，如果是自己的，那么就可以进门，这样省的上锁解锁了。万一书包不是自己的，那么就在门外等，并通知对方下次用锁门的方式。

后来，小女回老家了，很长一段时间都不会用这个房间。小南每次还是挂书包，翻书包，虽然比锁门省事了，但仍然觉得麻烦。

于是，小南干脆在门上刻上了自己的名字：【小南专属房间，其它人勿用】，下次来用房间时，只要名字还在，那么说明没人打扰，还是可以安全地使用房间。如果这期间有其它人要用这个房间，那么由使用者将小南刻的名字擦掉，升级为挂书包的方式。

同学们都放假回老家了，小南就膨胀了，在 20 个房间刻上了自己的名字，想进哪个进哪个。后来他自己放假回老家了，这时小女回来了（她也要用这些房间），结果就是得一个个地擦掉小南刻的名字，升级为挂书包的方式。老王觉得这成本有点高，提出了一种批量重刻名的方法，他让小女不用挂书包了，可以直接在门上刻上自己的名字

后来，刻名的现象越来越频繁，老王受不了了：算了，这些房间都不能刻名了，只能挂书包

* 原理之 synchronized 进阶

4.7 wait notify

小故事 - 为什么需要 wait

由于条件不满足，小南不能继续进行计算
但小南如果一直占用着锁，其它人就得一直阻塞，效率太低
于是老王单开了一间休息室（调用 wait 方法），让小南到休息室（WaitSet）等着去了，但这时锁释放开，其它人可以由老王随机安排进屋
直到小M将烟送来，大叫一声 [ 你的烟到了 ] （调用 notify 方法）
小南于是可以离开休息室，重新进入竞争锁的队列
* 原理之 wait / notify

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，但唤醒后并不意味者立刻获得锁，仍需进入 EntryList 重新竞争

BLOCKED 是等待锁，WAITING是获得过锁又放弃了锁

8. 共享模型之工具

8.1 线程池

8.2 J.U.C

7. 线程安全集合类概述

线程安全集合类可以分为三大类：

遗留的线程安全集合如 Hashtable ， Vector
使用 Collections 装饰的线程安全集合，如：
- Collections.synchronizedCollection
- Collections.synchronizedList
- Collections.synchronizedMap
- Collections.synchronizedSet
- Collections.synchronizedNavigableMap
- Collections.synchronizedNavigableSet
- Collections.synchronizedSortedMap
- Collections.synchronizedSortedSet
java.util.concurrent.*

第二类使用了装饰器的设计模式

重点介绍 java.util.concurrent.* 下的线程安全集合类，可以发现它们有规律，里面包含三类关键词： Blocking、CopyOnWrite、Concurrent

Blocking 大部分实现基于锁，并提供用来阻塞的方法
CopyOnWrite 之类容器修改开销相对较重
Concurrent 类型的容器
- 内部很多操作使用 cas 优化，一般可以提供较高吞吐量
- 弱一致性
  - 遍历时弱一致性，例如，当利用迭代器遍历时，如果容器发生修改，迭代器仍然可以继续进行遍历，这时内容是旧的
  - 求大小弱一致性，size 操作未必是 100% 准确
  - 读取弱一致性

遍历时如果发生了修改，对于非安全容器来讲，使用 fail-fast 机制也就是让遍历立刻失败，抛出 ConcurrentModiﬁcationException，不再继续遍历

8. ConcurrentHashMap

练习：单词计数

生成测试数据

static final String ALPHA = "abcedfghijklmnopqrstuvwxyz";
public static void main(String[] args) {
    int length = ALPHA.length(); 
    int count = 200; 
    List<String> list = new ArrayList<>(length * count); 
    for (int i = 0; i < length; i++) { 
        char ch = ALPHA.charAt(i); 
        for (int j = 0; j < count; j++) { 
            list.add(String.valueOf(ch)); 
        } 
    } 
    Collections.shuffle(list); 
    for (int i = 0; i < 26; i++) { 
        try (
            PrintWriter out = new PrintWriter( 
                new OutputStreamWriter( 
                    new FileOutputStream("tmp/" + (i+1) + ".txt")))) { 
            String collect = list.subList(i * count, (i + 1) * count).stream() 
                .collect(Collectors.joining("\n")); 
            out.print(collect); 
        } catch (IOException e) {
        }
    }
}

模版代码，模版代码中封装了多线程读取文件的代码

private static <V> void demo(Supplier<Map<String, V>> supplier, BiConsumer<Map<String, V>, List<String>> consumer) {
    Map<String, V> counterMap = supplier.get();
    // key value
    // a   200
    // b   200
    List<Thread> ts = new ArrayList<>();
    for (int i = 1; i <= 26; i++) {
        int idx = i;
        Thread thread = new Thread(() -> {
            List<String> words = readFromFile(idx);
            consumer.accept(counterMap, words);
        });
        ts.add(thread);
    }
    ts.forEach(t -> t.start());
    ts.forEach(t -> {
        try {
            t.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    System.out.println(counterMap);
}
public static List<String> readFromFile(int i) {
    ArrayList<String> words = new ArrayList<>();
    try (BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(new FileInputStream("tmp/" + i + ".txt")))) {
        while (true) {
            String word = in.readLine();
            if (word == null) {
                break;
            }
            words.add(word);
        }
        return words;
    } catch (IOException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

你要做的是实现两个参数

一是提供一个 map 集合，用来存放每个单词的计数结果，key 为单词，value 为计数
二是提供一组操作，保证计数的安全性，会传递 map 集合以及单词 List 正确结果输出应该是每个单词出现 200 次

{a=200, b=200, c=200, d=200, e=200, f=200, g=200, h=200, i=200, j=200, k=200, l=200, m=200, n=200, o=200, p=200, q=200, r=200, s=200, t=200, u=200, v=200, w=200, x=200, y=200, z=200}

下面的实现为：

demo(
    // 创建 map 集合 
    // 创建 ConcurrentHashMap 对不对？ 
    () -> new HashMap<String, Integer>(),
    // 进行计数 
    (map, words) -> {
        for (String word : words) { 
            Integer counter = map.get(word); 
            int newValue = counter == null ? 1 : counter + 1; 
            map.put(word, newValue); 
        }
    }
);

有没有问题？请改进

参考解答1

demo(
    () -> new ConcurrentHashMap<String, LongAdder>(), (map, words) -> { 
        for (String word : words) { 
            // 注意不能使用 putIfAbsent，此方法返回的是上一次的 value，首次调用返回 null 
            map.computeIfAbsent(word, (key) -> new LongAdder()).increment(); 
        } 
    }
);

参考解答2

demo(
    () -> new ConcurrentHashMap<String, Integer>(), (map, words) -> { 
        for (String word : words) { 
            // 函数式编程，无需原子变量 
            map.merge(word, 1, Integer::sum); 
        } 
    }
);