一看就懂的Java中的多线程

引子

对什么是线程、什么是进程，请回头Google。
用多线程只有一个目的，那就是更好的利用cpu的资源，因为所有的多线程代码都可以用单线程来实现。说这个话其实只有一半对，因为反应“多角色”的程序代码，最起码每个角色要给他一个线程吧，否则连实际场景都无法模拟，当然也没法说能用单线程来实现：比如最常见的“生产者，消费者模型”。
很多人都对其中的一些概念不够明确，如同步、并发等等，让我们先建立一个数据字典，以免产生误会。

多线程：指的是这个程序（一个进程）运行时产生了不止一个线程

并行与并发：

并行：多个cpu实例或者多台机器同时执行一段处理逻辑，是真正的同时。
并发：通过cpu调度算法，让用户看上去同时执行，实际上从cpu操作层面不是真正的同时。并发往往在场景中有公用的资源，那么针对这个公用的资源往往产生瓶颈，我们会用TPS或者QPS来反应这个系统的处理能力。

线程安全：经常用来描绘一段代码。指在并发的情况之下，该代码经过多线程使用，线程的调度顺序不影响任何结果。这个时候使用多线程，我们只需要关注系统的内存，cpu是不是够用即可。反过来，线程不安全就意味着线程的调度顺序会影响最终结果，如不加事务的转账代码：

void transferMoney(User from, User to, float amount){
    to.setMoney(to.getBalance() + amount);
    from.setMoney(from.getBalance() - amount);
    }

同步：Java中的同步指的是通过人为的控制和调度，保证共享资源的多线程访问成为线程安全，来保证结果的准确。如上面的代码简单加入@synchronized关键字。在保证结果准确的同时，提高性能，才是优秀的程序。线程安全的优先级高于性能。

扎好马步：线程的状态

各种状态一目了然，值得一提的是"Blocked"和"Waiting"这两个状态的区别：

线程在Running的过程中可能会遇到阻塞(Blocked)情况
对Running状态的线程加同步锁(Synchronized)使其进入(lock blocked pool ),同步锁被释放进入可运行状态(Runnable)。从jdk源码注释来看，blocked指的是对monitor的等待即该线程位于等待区。
线程在Running的过程中可能会遇到等待（Waiting）情况
线程可以主动调用object.wait或者sleep，或者join（join内部调用的是sleep，所以可看成sleep的一种）进入。从jdk源码注释来看，waiting是等待另一个线程完成某一个操作，如join等待另一个完成执行，object.wait()等待object.notify()方法执行。

Waiting状态和Blocked状态有点费解，我个人的理解是：Blocked其实也是一种wait，等待的是monitor，但是和Waiting状态不一样，举个例子，有三个线程进入了同步块，其中两个调用了object.wait()，进入了waiting状态，这时第三个调用了object.notifyAll()，这时候前两个线程就一个转移到了Runnable,一个转移到了Blocked。

此外，在runnable状态的线程是处于被调度的线程，此时的调度顺序是不一定的。Thread类中的yield方法可以让一个running状态的线程转入runnable。

内功心法：每个对象都有的方法（机制）

synchronized, wait, notify 是任何对象都具有的同步工具。让我们先来了解他们:

他们是应用于同步问题的人工线程调度工具。讲其本质，首先就要明确monitor的概念，Java中的每个对象都有一个监视器，来监测并发代码的重入。在非多线程编码时该监视器不发挥作用，反之如果在synchronized 范围内，监视器发挥作用。
wait/notify必须存在于synchronized块中。并且，这三个关键字针对的是同一个监视器（某对象的监视器）。这意味着wait之后，其他线程可以进入同步块执行。
当某代码并不持有监视器的使用权时（如图中5的状态，即脱离同步块）去wait或notify，会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException。也包括在synchronized块中去调用另一个对象的wait/notify，因为不同对象的监视器不同，同样会抛出此异常。

用法:

synchronized单独使用：
如下，在多线程环境下，synchronized块中的方法获取了lock实例的monitor，如果实例相同，那么只有一个线程能执行该块内容:

public class Thread1 implements Runnable {
     Object lock;
     public void run() {  
         synchronized(lock){
           ..do something
         }
     }
}

直接用于方法：相当于上面代码中用lock来锁定的效果，实际获取的是Thread1类的monitor。更进一步，如果修饰的是static方法，则锁定该类所有实例:
```
public class Thread1 implements Runnable {
     public synchronized void run() {  
          ..do something
     }
}
```

synchronized, wait, notify结合：典型场景生产者消费者问题

/**
  * 生产者生产出来的产品交给店员
  */
 public synchronized void produce()
 {
     if(this.product >= MAX_PRODUCT)
     {
         try
         {
             wait();  
             System.out.println("产品已满,请稍候再生产");
         }
         catch(InterruptedException e)
         {
             e.printStackTrace();
         }
         return;
     }
     this.product++;
     System.out.println("生产者生产第" + this.product + "个产品.");
     notifyAll();   //通知等待区的消费者可以取出产品了
 }
 /**
  * 消费者从店员取产品
  */
 public synchronized void consume()
 {
     if(this.product <= MIN_PRODUCT)
     {
         try 
         {
             wait(); 
             System.out.println("缺货,稍候再取");
         } 
         catch (InterruptedException e) 
         {
             e.printStackTrace();
         }
         return;
     }
     System.out.println("消费者取走了第" + this.product + "个产品.");
     this.product--;
     notifyAll();   //通知等待去的生产者可以生产产品了
 }

volatile

多线程的内存模型：main memory（主存）、working memory（线程栈），在处理数据时，线程会把值从主存load到本地栈，完成操作后再save回去.
volatile关键词的作用：每次针对该变量的操作都激发一次load and save)。

针对多线程使用的变量如果不是volatile或者final修饰的，很有可能产生不可预知的结果（另一个线程修改了这个值，但是之后在某线程看到的是修改之前的值）。其实道理上讲同一实例的同一属性本身只有一个副本。但是多线程是会缓存值的，本质上，volatile就是不去缓存，直接取值。在线程安全的情况下加volatile会牺牲性能。

太祖长拳：基本线程类

基本线程类指的是:Thread类，Runnable接口，Callable接口
Thread 类实现了Runnable接口，启动一个线程的方法：

MyThread my = new MyThread();
　　 my.start();

Thread类相关方法：

//当前线程可转让cpu控制权，让别的就绪状态线程运行（切换）
public static Thread.yield() 
//暂停一段时间
public static Thread.sleep()  
//在一个线程中调用other.join(),将等待other执行完后才继续本线程。　　　　
public join()
//后两个函数皆可以被打断
public interrupte()

关于中断

中断它并不像stop方法那样会中断一个正在运行的线程。
线程会不时地检测中断标识位，以判断线程是否应该被中断（中断标识值是否为true）。终端只会影响到wait状态、sleep状态和join状态。被打断的线程会抛出InterruptedException。
Thread.interrupted()检查当前线程是否发生中断，返回boolean。
synchronized在获锁的过程中是不能被中断的。
中断是一个状态！interrupt()方法只是将这个状态置为true而已。所以说正常运行的程序不去检测状态，就不会终止，而wait等阻塞方法会去检查并抛出异常。如果在正常运行的程序中添加while(!Thread.interrupted()) ，则同样可以在中断后离开代码体

Thread类最佳实践：

写的时候最好要设置线程名称 Thread.name，并设置线程组 ThreadGroup，目的是方便管理。在出现问题的时候，打印线程栈 (jstack -pid) 一眼就可以看出是哪个线程出的问题，这个线程是干什么的。正好对应启哥出现的问题。

如何获取线程中的异常

Callable

Future模式：并发模式的一种，可以有两种形式，即无阻塞和阻塞，分别是isDone和get。其中Future对象用来存放该线程的返回值以及状态。
报警模块常用多线程获取推送状态。

九阴真经：高级多线程控制类

Java1.5提供了一个非常高效实用的多线程包:java.util.concurrent, 提供了大量高级工具,可以帮助开发者编写高效、易维护、结构清晰的Java多线程程序。

ThreadLocal类

用处：保存线程的独立变量。对一个线程类（继承自Thread) 当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。常用于用户登录控制，如记录session信息。
实现：每个Thread都持有一个TreadLocalMap类型的变量（该类是一个轻量级的Map，功能与map一样，区别是桶里放的是entry而不是entry的链表。功能还是一个map。）以本身为key，以目标为value。主要方法是get()和set(T a)，set之后在map里维护一个threadLocal -> a，get时将a返回。ThreadLocal是一个特殊的容器。

原子类（AtomicInteger、AtomicBoolean……）

如果使用atomic wrapper class如atomicInteger，或者使用自己保证原子的操作，则等同于synchronized

//返回值为boolean
AtomicInteger.compareAndSet(int expect,int update)

该方法可用于实现乐观锁，如下场景：a给b付款10元，a扣了10元，b要加10元。此时c给b2元，但是b的加十元代码约为：

if(b.value.compareAndSet(old, value)){
   return ;
}else{
   //try again
   // if that fails, rollback and log
}

AtomicReference : 对于AtomicReference 来讲，也许对象会出现，属性丢失的情况，即oldObject == current，但是oldObject.getPropertyA != current.getPropertyA。这时候，AtomicStampedReference就派上用场了。这也是一个很常用的思路，即加上版本号。

Lock类

lock 在java.util.concurrent包内。共有三个实现：

ReentrantLock
ReentrantReadWriteLock.ReadLock
ReentrantReadWriteLock.WriteLock

主要目的是和synchronized一样，两者都是为了解决同步问题，处理资源争端而产生的技术。功能类似但有一些区别：

lock更灵活，可以自由定义多把锁的枷锁解锁顺序（synchronized要按照先加的后解顺序）
提供多种加锁方案，lock 阻塞式, trylock 无阻塞式, lockInterruptily 可打断式，还有trylock的带超时时间版本。
本质上和监视器锁（即synchronized是一样的）
能力越大，责任越大，必须控制好加锁和解锁，否则会导致灾难。
和Condition类的结合。
性能更高，对比如下图：

ReentrantLock：可重入的意义在于持有锁的线程可以继续持有，并且要释放对等的次数后才真正释放该锁。

使用方法是：

//先new一个实例
static ReentrantLock r=new ReentrantLock();

//加锁
r.lock()或r.lockInterruptibly();

此处也是个不同，后者可被打断。当a线程lock后，b线程阻塞，此时如果是lockInterruptibly，那么在调用b.interrupt()之后，b线程退出阻塞，并放弃对资源的争抢，进入catch块。（如果使用后者，必须throw interruptable exception 或catch）

//释放锁
r.unlock()

必须做！何为必须做呢，要放在finally里面。以防止异常跳出了正常流程，导致灾难。这里补充一个小知识点，finally是可以信任的：经过测试，哪怕是发生了OutofMemoryError，finally块中的语句执行也能够得到保证。

ReentrantReadWriteLock :可重入读写锁

（读写锁的一个实现）

ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock()
　　ReadLock r = lock.readLock();
　　WriteLock w = lock.writeLock();

两者都有lock,unlock方法。写写，写读互斥；读读不互斥。可以实现并发读的高效线程安全代码

容器类

比较常用的两个：

BlockingQueue
ConcurrentHashMap

BlockingQueue阻塞队列。该类是java.util.concurrent包下的重要类，通过对Queue的学习可以得知，这个queue是单向队列，可以在队列头添加元素和在队尾删除或取出元素。类似于一个管道，特别适用于先进先出策略的一些应用场景。普通的queue接口主要实现有PriorityQueue（优先队列），有兴趣可以研究
BlockingQueue在队列的基础上添加了多线程协作的功能：

除了传统的queue功能（表格左边的两列）之外，还提供了阻塞接口put和take，带超时功能的阻塞接口offer和poll。put会在队列满的时候阻塞，直到有空间时被唤醒；take在队列空的时候阻塞，直到有东西拿的时候才被唤醒。用于生产者-消费者模型尤其好用，堪称神器。
常见的阻塞队列有：

ArrayListBlockingQueue
LinkedListBlockingQueue
DelayQueue
SynchronousQueue
ConcurrentHashMap
见我的另一篇Blog Java高并发之ConcurrentHashMap原理分析
管理类
见我的另一篇Blog Java线程池

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一看就懂的Java中的多线程

一看就懂的Java中的多线程

引子

扎好马步：线程的状态

内功心法：每个对象都有的方法（机制）

用法:

volatile

太祖长拳：基本线程类

Thread类相关方法：

关于中断

Thread类最佳实践：

如何获取线程中的异常

Callable

九阴真经：高级多线程控制类

ThreadLocal类

原子类（AtomicInteger、AtomicBoolean……）

Lock类

ReentrantLock：可重入的意义在于持有锁的线程可以继续持有，并且要释放对等的次数后才真正释放该锁。

ReentrantReadWriteLock :可重入读写锁

容器类

ConcurrentHashMap

管理类