Java-并发编程 - 图1

Java 线程

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

创建线程的方式

Thread
Runnable
FutureTask
线程池

Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        log.debug("running ...");
    }
}, "t1");
t1.start();

// 创建任务
Runnable runnable = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        log.debug("Runnable running...");
    }
};
Thread t2 = new Thread(runnable, "t2");
t2.start();

// FutureTask 这里也可以实现 Callable 和 Runnable 接口
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<String>(new Callable<String>() {
    @Override
    public String call() throws Exception {
        log.debug("FutureTask running ...");
        return "FutureTask call ...";
    }
});
Thread t1 = new Thread(futureTask, "t1");
t1.start();
try {
    // 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
    String callResult = futureTask.get();
    log.debug(" FutureTask Call result : {}", callResult);
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

🧑🏻‍💻 Thread 与 Runnable 的关系

Thread 是把线程和任务合并在了一起，Runnable 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；

参考：原理中 Thread 与 Runnbale

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

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

Thread 中方法区别

常用方法

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，里面的代码不一定立刻运行（CUP的时间片还没有分给他）。每个线程对象的start方法只能调用一次，如果调用多次会出现IllegalThreadStateException
run()		新线程启用后会调用的方法	如果在构造Thread对象时传递了Runnable参数，则线程启动后调用Runnable中的run方法，否则默认不执行任何操作。但可以穿件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
getPriority(int)		修改线程优先级	java中规定优先级是1~10的整数，比较大优先级能提高该线程被CPU调用的几率
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

start 与 run

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；
start() 是异步的，而 run() 是同步的；

Thread t1 = new Thread(() -> {
    logger.debug("t1 running 【start】 time-consuming ...");
    try {
        Thread.sleep(10000);
        logger.debug("t1 running 【end】 time-consuming ...");
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}, "t1");
t1.start();
logger.debug("main running ...");

16:56:46.878 [main] DEBUG c.wzg.test.method.StartAndRunMethod - main running ...
16:56:46.878 [t1] DEBUG c.wzg.test.method.StartAndRunMethod - t1 running 【start】 time-consuming ...
16:56:56.885 [t1] DEBUG c.wzg.test.method.StartAndRunMethod - t1 running 【end】 time-consuming ...

Thread t1 = new Thread(() -> {
    logger.debug("t1 running 【start】 time-consuming ...");
    try {
        Thread.sleep(10000);
        logger.debug("t1 running 【end】 time-consuming ...");
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}, "t1");
t1.run();
logger.debug("main running ...");

16:58:59.958 [main] DEBUG c.wzg.test.method.StartAndRunMethod - t1 running 【start】 time-consuming ...
16:59:09.882 [main] DEBUG c.wzg.test.method.StartAndRunMethod - t1 running 【end】 time-consuming ...
16:59:09.883 [main] DEBUG c.wzg.test.method.StartAndRunMethod - main running ...

sleep 与 yield 与线程优先级

sleep

调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）；
其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，那么被打断的线程这时就会抛出 InterruptedException 异常（注意：这里打断的是正在休眠的线程，而不是其它状态的线程）；
睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行(需要分配到 cpu 时间片)；
建议用 TimeUnit 的 sleep() 代替 Thread 的 sleep()来获得更好的可读性；

sleep 应用参考：应用 - 限制 - 限制对 CPU 的使用

yield

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(让出的时间片去给就绪状态的线程使用)
Thread.yield();

Thread.yield() 作用是：暂停当前正在执行的线程对象（及放弃当前拥有的cup资源），并执行其他线程。 yield() 做的是让当前运行线程回到可运行状态，以允许具有相同优先级的其他线程获得运行机会。因此，使用 yield() 的目的是让相同优先级的线程之间能适当的轮转执行。但是，实际中无法保证 yield() 达到让步目的，因为让步的线程还有可能被线程调度程序再次选中。

参考代码

Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        logger.debug("thread sleep 【start】...");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        logger.debug("thread sleep 【end】...");
    }
}, "t1");
t1.start();
logger.debug("t1 state : {}", t1.getState());
try {
    Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}
logger.debug("t1 state : {}", t1.getState());

17:09:50.593 [main] DEBUG c.w.test.method.SleepAndYieldMethod - t1 state : RUNNABLE
17:09:50.593 [t1] DEBUG c.w.test.method.SleepAndYieldMethod - thread sleep 【start】...
17:09:51.100 [main] DEBUG c.w.test.method.SleepAndYieldMethod - t1 state : TIMED_WAITING
17:09:51.600 [t1] DEBUG c.w.test.method.SleepAndYieldMethod - thread sleep 【end】...

Thread t1 = new Thread(() -> {
    logger.debug("t1 sleep 【start】...");
    try {
        Thread.sleep(2000);
        logger.debug("t1 sleep 【end】...");
    } catch (InterruptedException e) {
        logger.debug("t1 wake up ...");
        e.printStackTrace();
    }
}, "t1");
t1.start();
logger.debug("main run t1.interrupt()... ");
t1.interrupt();

17:17:03.380 [main] DEBUG c.w.test.method.SleepAndYieldMethod - main run t1.interrupt()... 
17:17:03.380 [t1] DEBUG c.w.test.method.SleepAndYieldMethod - t1 sleep 【start】...
17:17:03.382 [t1] DEBUG c.w.test.method.SleepAndYieldMethod - t1 wake up ...
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at com.wzg.test.method.SleepAndYieldMethod.lambda$main$0(SleepAndYieldMethod.java:40)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

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； ```java 线程名称.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);

/**

The minimum priority that a thread can have. */ public final static int MIN_PRIORITY = 1;

/**

The default priority that is assigned to a thread. */ public final static int NORM_PRIORITY = 5;

/**

The maximum priority that a thread can have. */ public final static int MAX_PRIORITY = 10; ```

join 方法详解

join() 作用：等待线程执行完成

以调用方式角度来讲：

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；

下面的代码执行，打印 r 是什么？

private final static Logger log = LoggerFactory.getLogger(JoinMethod.class);
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");
        try {
            sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("结束");
        r = 10;
    });
    t1.start();
    log.debug("结果为:{}", r);
    log.debug("结束");
}

17:43:26.546 [main] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - 开始
17:43:26.573 [Thread-0] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - 开始
17:43:26.573 [main] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - 结果为:0
17:43:26.574 [main] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - 结束
17:43:26.574 [Thread-0] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - 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 join，加在 t1.start() 之后即可；

主线程用 sleep 行不行？

可以，但是子线程的执行不好确定，主线程不知道要等待多长时间

17:42:50.973 [main] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - 开始
17:42:50.998 [Thread-0] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - 开始
17:42:51.000 [Thread-0] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - 结束
17:42:51.000 [main] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - 结果为:10
17:42:51.001 [main] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - 结束

等待多个结果问，下面代码 cost 大约多少秒？
应该是两秒，即使 t1.join() 和 t2.join() 交换位置也是2秒，t1 和 t2 是并行执行的

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；

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
private static void test2() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        r1 = 10;
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        r2 = 20;
    });
    t1.start();
    t2.start();
    long start = System.currentTimeMillis();
    log.debug("join begin");
    t1.join();
    log.debug("t1 join end");
    t2.join();
    log.debug("t2 join end");
    long end = System.currentTimeMillis();
    log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

17:57:05.411 [main] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - join begin
17:57:05.413 [main] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - t1 join end
17:57:05.413 [main] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - t2 join end
17:57:05.413 [main] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - r1: 10 r2: 20 cost: 2

有时间的等待 join(long n)

如果 join 等待的时间 < 子线程执行的时间，主线程会在join 等待时间之后继续往下执行

等够时间

public static void test3() throws InterruptedException {
  Thread t1 = new Thread(() -> {
      try {
          Thread.sleep(2000);
      } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
      }
      r1 = 10;
  });

  long start = System.currentTimeMillis();
  t1.start();

  // 线程执行结束会导致 join 结束
  log.debug("join begin");
  t1.join(1000);
  long end = System.currentTimeMillis();
  log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

18:06:13.339 [main] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - join begin
18:06:14.341 [main] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - r1: 0 r2: 0 cost: 1003

没等够时间

public static void test3() throws InterruptedException {
  Thread t1 = new Thread(() -> {
      try {
          Thread.sleep(2);
      } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
      }
      r1 = 10;
  });

  long start = System.currentTimeMillis();
  t1.start();

  // 线程执行结束会导致 join 结束
  log.debug("join begin");
  t1.join(3000);
  long end = System.currentTimeMillis();
  log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

18:05:08.894 [main] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - join begin
18:05:08.896 [main] DEBUG com.wzg.test.method.JoinMethod - r1: 10 r2: 0 cost: 2

interrupt

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（catch 中打断的进程清空打断状态）；
打断正常执行的线程，不会清空打断状态；
打断 park 线程，不会清空打断状态（如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效）

Thread t1 = new Thread(() -> {
    try {
        Thread.sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
        log.debug("catch 中 t1 的打断状态:{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
        throw new RuntimeException(e);
    }
}, "t1");

t1.start();
Thread.sleep(1000);
t1.interrupt();
log.debug("t1 的打断状态:{}", t1.isInterrupted());

15:02:08.372 [main] DEBUG com.wzg.test.method.InterruptMethod - t1 的打断状态:false
15:02:08.372 [t1] DEBUG com.wzg.test.method.InterruptMethod - catch 中 t1 的打断状态:false
Exception in thread "t1" java.lang.RuntimeException: java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at com.wzg.test.method.InterruptMethod.lambda$main$0(InterruptMethod.java:16)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
Caused by: java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at com.wzg.test.method.InterruptMethod.lambda$main$0(InterruptMethod.java:13)
    ... 1 more

Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            Thread current = Thread.currentThread();
            boolean interrupted = current.isInterrupted();
            if (interrupted){
                log.debug("t2 的打断状态：{}",interrupted);
                break;
            }
        }
    }
}, "t2");
t2.start();
Thread.sleep(1000);
t2.interrupt();

14:38:29.399 [t2] DEBUG com.wzg.test.method.InterruptMethod - t2 的打断状态：true

Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        log.debug("park...");
        LockSupport.park();
        log.debug("unpark...");
        log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());

    }
}, "t3");

t3.start();
Thread.sleep(1000);
t3.interrupt();

14:41:42.743 [t3] DEBUG com.wzg.test.method.InterruptMethod - park...
14:41:43.748 [t3] DEBUG com.wzg.test.method.InterruptMethod - unpark...
14:41:43.748 [t3] DEBUG com.wzg.test.method.InterruptMethod - 打断状态：true

Thread t4 = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            log.debug("park ...");
            LockSupport.park();
            log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
        }
    }
}, "t4");

t4.start();
Thread.sleep(1000);
t4.interrupt();

14:44:47.431 [t4] DEBUG com.wzg.test.method.InterruptMethod - park ...
14:44:48.436 [t4] DEBUG com.wzg.test.method.InterruptMethod - 打断状态：true
14:44:48.437 [t4] DEBUG com.wzg.test.method.InterruptMethod - park ...
14:44:48.437 [t4] DEBUG com.wzg.test.method.InterruptMethod - 打断状态：true
14:44:48.437 [t4] DEBUG com.wzg.test.method.InterruptMethod - park ...
14:44:48.437 [t4] DEBUG com.wzg.test.method.InterruptMethod - 打断状态：true

参考：模式 - 两阶段终止模式

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
如：stop()、suspend()、resume()

主线程与守护线程

ThreadName.setDaemon(true)

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。

log.debug("start ... ");
Thread daemon = new Thread(() -> {
    log.debug("线程 name：{} , start ... ", Thread.currentThread().getName());
    try {
        Thread.sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
    log.debug("线程 name：{} , end ... ", Thread.currentThread().getName());
}, "daemon");

// 设置该线程为守护线程
daemon.setDaemon(true);
daemon.start();

Thread.sleep(1000);
log.debug("end ... ");

15:42:45.944 [main] DEBUG com.wzg.test.method.DaemonThread - start ... 
15:42:45.970 [daemon] DEBUG com.wzg.test.method.DaemonThread - 线程 name：daemon , start ... 
15:42:46.975 [main] DEBUG com.wzg.test.method.DaemonThread - end ...

log.debug("start ... ");
Thread daemon = new Thread(() -> {
    log.debug("线程 name：{} , start ... ", Thread.currentThread().getName());
    try {
        Thread.sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
    log.debug("线程 name：{} , end ... ", Thread.currentThread().getName());
}, "daemon");

// 设置该线程为守护线程
daemon.setDaemon(false);
daemon.start();

Thread.sleep(1000);
log.debug("end ... ");

15:45:05.194 [main] DEBUG com.wzg.test.method.DaemonThread - start ... 
15:45:05.220 [daemon] DEBUG com.wzg.test.method.DaemonThread - 线程 name：daemon , start ... 
15:45:06.225 [main] DEBUG com.wzg.test.method.DaemonThread - end ... 
15:45:07.226 [daemon] DEBUG com.wzg.test.method.DaemonThread - 线程 name：daemon , end ...

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；

线程状态

五种状态

五种状态的划分主要是从操作系统的层面进行划分的

就绪、运行、阻塞
开始、就绪、运行、阻塞、终止
开始、就绪、运行、阻塞、挂起、唤醒、终止

初始状态，仅仅是在语言层面上创建了线程对象，即 Thead thread = new Thead() 还未与操作系统线程关联；
可运行状态，也称就绪状态，指该线程已经被创建，与操作系统相关联，等待cpu给它分配时间片就可运行；
运行状态，指线程获取了CPU时间片，正在运行；
1. 当CPU时间片用完，线程会转换至可运行状态，等待 CPU再次分配时间片，会导致我们前面讲到的上下文切换
阻塞状态
1. 如果调用了阻塞API，如BIO读写文件，那么线程实际上不会用到CPU，不会分配CPU时间片，会导致上下文切换，进入阻塞状态；
2. 等待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；
3. 与可运行状态的区别是，只要操作系统一直不唤醒线程，调度器就一直不会考虑调度它们，CPU就一直不会分配时间片；
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；

六种状态

这是从 Java API 层面来描述的，根据 java.lang.Thread.State 枚举，分为六种状态

NEW 跟五种状态里的初始状态是一个意思；
RUNNABLE 是当调用了 start() 方法之后的状态，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【io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；

线程状态转换

NEW —> RUNNABLE

当调用 t.start() 方法时，由 NEW —> RUNNABLE

RUNNABLE <—> WAITING

t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后

调用 obj.wait() 方法时，t 线程从 RUNNABLE —> WAITING
调用 obj.notify() ， obj.notifyAll() ， t.interrupt() 时（notify 时，从 waitSet 到 entryList）
- 竞争锁成功，t 线程从WAITING —> RUNNABLE
- 竞争锁失败，t 线程从WAITING —> BLOCKED

public class TestWaitNotify {
    final static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) {

        new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                log.debug("执行....");
                try {
                    obj.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug("其它代码...."); // 断点
            }
        },"t1").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                log.debug("执行....");
                try {
                    obj.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug("其它代码...."); // 断点
            }
        },"t2").start();

        sleep(0.5);
        log.debug("唤醒 obj 上其它线程");
        synchronized (obj) {
            obj.notifyAll(); // 唤醒obj上所有等待线程 断点
        }

    }
}

RUNNABLE <—> WAITING

当前线程调用 t.join() 方法时，当前线程从 RUNNABLE —> WAITING
- 注意是当前线程在t 线程对象的监视器上等待
t 线程运行结束，或调用了当前线程的 interrupt() 时，当前线程从 WAITING —> RUNNABLE

RUNNABLE <—> WAITING

当前线程调用 LockSupport.park() 方法会让当前线程从 RUNNABLE —> WAITING
调用 LockSupport.unpark(目标线程) 或调用了线程的 interrupt() ，会让目标线程从 WAITING —>RUNNABLE

RUNNABLE <—> TIMED_WAITING

t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后

调用 obj.wait(long n) 方法时，t 线程从 RUNNABLE —> TIMED_WAITING
t 线程等待时间超过了 n 毫秒，或调用 obj.notify() ， obj.notifyAll() ， t.interrupt() 时
- 竞争锁成功，t 线程从TIMED_WAITING —> RUNNABLE
- 竞争锁失败，t 线程从TIMED_WAITING —> BLOCKED

RUNNABLE <—> TIMED_WAITING

当前线程调用 t.join(long n) 方法时，当前线程从 RUNNABLE —> TIMED_WAITING
- 注意是当前线程在t 线程对象的监视器上等待
- t1.join() 后，是其他线程从 RUNNABLE —> TIMED_WAITING
当前线程等待时间超过了 n 毫秒，或t 线程运行结束，或调用了当前线程的 interrupt() 时，当前线程从 TIMED_WAITING —> RUNNABLE

RUNNABLE <—> TIMED_WAITING

当前线程调用 Thread.sleep(long n) ，当前线程从 RUNNABLE —> TIMED_WAITING
当前线程等待时间超过了 n 毫秒，当前线程从TIMED_WAITING —> RUNNABLE

RUNNABLE <—> TIMED_WAITING

当前线程调用 LockSupport.parkNanos(long nanos) 或 LockSupport.parkUntil(long millis) 时，当前线程从 RUNNABLE —> TIMED_WAITING
调用 LockSupport.unpark(目标线程) 或调用了线程的 interrupt() ，或是等待超时，会让目标线程从 TIMED_WAITING—> RUNNABLE

RUNNABLE <—> BLOCKED

t 线程用synchronized(obj) 获取对象锁时如果竞争失败，从RUNNABLE —> BLOCKED
持 obj 锁线程的同步代码块执行完毕，会唤醒该对象上所有 BLOCKED的线程重新竞争，如果其中 t 线程竞争成功，从 BLOCKED —> RUNNABLE ，其它失败的线程仍然BLOCKED

RUNNABLE —> TERMINATED

当前线程所有代码运行完毕，进入 TERMINATED

共享模型之管程

共享带来的问题

例如：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 10000 次，结果是 0 吗？

static int counter = 0;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread addThread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                counter++;
            }
        }
    }, "add-thread");

    Thread subtractThread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                counter--;
            }
        }
    }, "subtract-thread");

    addThread.start();
    subtractThread.start();

    addThread.join();
    subtractThread.join();

    log.debug("counter:{}", counter);
}

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：（i-- 同理）

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 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：

若改为单线程，代码是顺序执行的，结果是 0

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

synchronized

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

synchronized（俗称对象锁），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

语法：

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

解决之前的共享问题

Object lock = new Object();
// 使用 synchronized 解决
Thread addThread = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            synchronized (lock) {

                counter++;
            }
        }
    }
}, "add-thread");

Thread subtractThread = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            synchronized (lock) {
                counter--;
            }
        }
    }
}, "subtract-thread");

addThread.start();
subtractThread.start();

addThread.join();
subtractThread.join();

log.debug("counter:{}", 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，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

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?
- 锁对象
- 效果跟没锁一样，不是同一把锁
如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？
- 锁对象
- 效果跟没锁一样，t2 没法控制住

synchronized 加在方法上

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) {

        }
    }
}

线程八题

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
n1 和 n2 锁的不是同一对象，跟无锁一样

@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
锁的不是同一对象，跟无锁一样

@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
锁不是同一对象，跟无锁一样

@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
锁的同一个静态对象

@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();
}

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

局部变量的应用稍有不同

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();
    }
}

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);
    }
}

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 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);
    }
}

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 会不会出现线程安全问题？

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（如：ThreadSafeSubClass），子类覆盖 method2 或 method3 方法，即 ```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);
  }
```
} public void method2(ArrayList
list) {
```
  list.add("1");
```
} public void method3(ArrayList
list) {
```
  list.remove(0);
```
} }

// 情况一 ThreadSafe threadSafe = new ThreadSafe(); new Thread(()->{ threadSafe.method2(xxx)});

// 情况二 class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{ @Override public void method3(ArrayList 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**
> - **private 防止类外其他线程外部调用**
> - **final 防止被继承重写方法**


```java
new Thread(() -> {
    list.add("1");        // 时间1. 会让内部 size ++
    list.remove(0); // 时间3. 再次 remove size-- 出现角标越界
}, "t1").start();

new Thread(() -> {
    list.add("2");        // 时间1（并发发生）. 会让内部 size ++，但由于size的操作非原子性,  size 本该是2，但结果可能出现1
    list.remove(0); // 时间2. 第一次 remove 能成功, 这时 size 已经是0
}, "t2").start();

分析：

t1 add之后准备将size记为1但还没记的时候被 t2抢走,此时size仍未0；
t2 add操作,并成功将size记为1,然后又被t1抢回；
t1 继续未完操作,再次将size记为1,这时又被t2抢走；
t2 继续操作,remove之后,size记为0,然后又被t1抢走；
此时t1再去remove时发现size为0,就报了异常；
这个发生的概率还是极低的…….

常见线程安全类

String
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

如：HashTable 中的 get 和 put（get 和 put 中内部是线程安全的，但是这两个组合起来就不安全了）

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？
如：subString 方法，最后生成一个新的 String

实例分析

例1：

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全？  不安全（HashMap是线程不安全的）
    Map<String,Object> map = new HashMap<>();
    // 是否安全？  安全（不可变类）
    String S1 = "...";
    // 是否安全？  安全
    final String S2 = "...";
    // 是否安全？  不安全
    Date D1 = new Date();
    // 是否安全？  不安全（Date 可变类型，内部是可修改的，final 只是确定 D2 引用是确定）
    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？  不安全（MyServlet 只有一份，所以 new UserServiceImpl() 也只有一份，且它只是 MyServlet 的一个成员变量）
    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 - 共享资源 线程不安全的
    private int count = 0;

    public void update() {
        // ...
        count++;
    }
}

例3: Spring 中没指定多例，对象默认都是单例的，那么肯定会存在共享
下面解决方法，将 @Before + @After 改为环绕通知

@Aspect
@Component
public class MyAspect {
    // 是否安全？ 不安全
    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

// userService 成员是私有的，也没有可变的，所以是安全的
public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全  安全 
    private UserService userService = new UserServiceImpl();

    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
        userService.update(...);
    }
}


// 有一个 dao 成员变量的类但dao 中没更改的变量 - 线程安全
public class UserServiceImpl implements UserService {
    // 是否安全 安全
    private UserDao userDao = new UserDaoImpl();

    public void update() {
        userDao.update();
    }
}

// 没有成员变量的类 - 线程安全
public class UserDaoImpl implements UserDao {
    public void update() {
        String sql = "update user set password = ? where username = ?";
        // 是否安全 安全
        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();
    }
}

// UserDaoImpl 多个线程共享，所以 connection 也是共享的，线程不安全
public class UserDaoImpl implements UserDao {
    // 是否安全 
    private Connection conn = null;
    public void update() throws SQLException {
        String sql = "update user set password = ? where username = ?";
        conn = DriverManager.getConnection("","","");
        // ...
        conn.close();
    }
}

例6

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全 - 线程安全
    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 - 线程安全
    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
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        // 这里调用 foo 可以发生线程不安全（foo 行为是不确定的）
        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

为啥 String 要设置为 final 的？如果 String 不设置为 final 的，String 的子类会改变父类的方法，如例7中的 bar() 和 foo()

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);
}

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) 不依赖于上一行代码的，所以是线程安全的，也不是方法组合
                sellCount.add(count);
            });
            list.add(t);
            t.start();
        }
        list.forEach((t) -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        // 卖出去的票求和
        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;
    }
}


// 售票窗口
class TicketWindow {
    private int count;
    public TicketWindow(int count) {
        this.count = count;
    }
    // 获取余票数量
    public int getCount() {
        return count;
    }
    // 卖票
    public int sell(int amount) {
        if (this.count >= amount) {
            this.count -= amount;
            return amount;
        } else {
            return 0;
        }
    }
}

只需要在 sell 方法上加上 synchronized

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) 不依赖于上一行代码的，所以是线程安全的，也不是方法组合
                sellCount.add(count);
            });
            list.add(t);
            t.start();
        }
        list.forEach((t) -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        // 卖出去的票求和
        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;
    }
}


// 售票窗口
class TicketWindow {
    private int count;
    public TicketWindow(int count) {
        this.count = count;
    }
    // 获取余票数量
    public int getCount() {
        return count;
    }
    // 卖票
    public synchronized int sell(int amount) {
        if (this.count >= amount) {
            this.count -= amount;
            return amount;
        } else {
            return 0;
        }
    }
}

转账练习

public class ExerciseTransfer {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Account a = new Account(1000);
        Account b = new Account(1000);
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                a.transfer(b, randomAmount());
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                b.transfer(a, randomAmount());
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        // 查看转账2000次后的总金额
        log.debug("total:{}",(a.getMoney() + b.getMoney()));
    }
    // Random 为线程安全
    static Random random = new Random();
    // 随机 1~100
    public static int randomAmount() {
        return random.nextInt(100) +1;
    }
}

class Account {
    private int money;
    public Account(int money) {
        this.money = money;
    }
    public int getMoney() {
        return money;
    }
    public void setMoney(int money) {
        this.money = money;
    }
    public void transfer(Account target, int amount) {
        if (this.money > amount) {
            this.setMoney(this.getMoney() - amount);
            target.setMoney(target.getMoney() + amount);
        }
    }
}

这样改正行不行，为什么？
不行,锁要用同一个共用锁,而这里的 target 和 this 不是同一个对象

public synchronized void transfer(Account target, int amount) {
    if (this.money > amount) {
        this.setMoney(this.getMoney() - amount);
        target.setMoney(target.getMoney() + amount);
    }
}

解决方法： target 和 this 共同的 class

public void transfer(Account target, int amount) {
    synchronized(Accout.class){
        if (this.money > amount) {
            this.setMoney(this.getMoney() - amount);
            target.setMoney(target.getMoney() + amount);
        }
    }
}

Monitor 概念

以 32 位虚拟机为例

普通对象

Klass Word 是一个指针，指向数据类型

数组对象

其中 Mark Word 结构为

参考：原理 - Monitor / synchronized

wait

obj.wait() 让进入 object 监视器的线程到 waitSet 等待
obj.notify() 在 object 上正在 waitSet 等待的线程中挑一个唤醒
obj.notifyAll() 让 object 上正在 waitSet 等待的线程全部唤醒

它们都是线程之间进行协作的手段，都属于 Object 对象的方法（必须获得此对象的锁，才能调用这几个方法）

private final static Logger log = LoggerFactory.getLogger(WaitNotifyDemo.class);

final static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    new Thread(() -> {
        synchronized (obj) {
            log.debug("t1 - 执行....");
            try {
                obj.wait(); // 让线程在obj上一直等待下去
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.debug("t1 - 其它代码....");
        }
    }).start();
    new Thread(() -> {
        synchronized (obj) {
            log.debug("t2 - 执行....");
            try {
                obj.wait(); // 让线程在obj上一直等待下去
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.debug("t2 - 其它代码....");
        }
    }).start();
    // 主线程两秒后执行
    Thread.sleep(2000);
    log.debug("唤醒 obj 上其它线程");
    synchronized (obj) {
        obj.notify(); // 唤醒obj上一个线程
        // obj.notifyAll(); // 唤醒obj上所有等待线程
    }
}

14:49:28.814 [Thread-0] DEBUG c.w.test.monitor.wait.WaitNotifyDemo - t1 - 执行....
14:49:28.816 [Thread-1] DEBUG c.w.test.monitor.wait.WaitNotifyDemo - t2 - 执行....
14:49:30.820 [main] DEBUG c.w.test.monitor.wait.WaitNotifyDemo - 唤醒 obj 上其它线程
14:49:30.822 [Thread-0] DEBUG c.w.test.monitor.wait.WaitNotifyDemo - t1 - 其它代码....
程序卡住

14:50:21.588 [Thread-0] DEBUG c.w.test.monitor.wait.WaitNotifyDemo - t1 - 执行....
14:50:21.589 [Thread-1] DEBUG c.w.test.monitor.wait.WaitNotifyDemo - t2 - 执行....
14:50:23.589 [main] DEBUG c.w.test.monitor.wait.WaitNotifyDemo - 唤醒 obj 上其它线程
14:50:23.589 [Thread-1] DEBUG c.w.test.monitor.wait.WaitNotifyDemo - t2 - 其它代码....
14:50:23.590 [Thread-0] DEBUG c.w.test.monitor.wait.WaitNotifyDemo - t1 - 其它代码....

wait() 方法会释放对象的锁，进入 WaitSet 等待区，从而让其他线程就机会获取对象的锁。无限制等待，直到notify 为止
wait(long n) 有时限的等待, 到 n 毫秒后结束等待，或是被 notify

wait 的正确使用

**sleep(long n)** 和 **wait(long n)** 的区别

sleep 是 Thread 方法，而 wait 是 Object 的方法
sleep 不需要强制和 synchronized 配合使用，但 wait 需要和 synchronized 一起用
sleep 在睡眠的同时，不会释放对象锁的，但 wait 在等待的时候会释放对象锁
共同点：线程进入 sleep 和 wait 时，它们的线程状态 TIMED_WAITING

wait 正确使用演示步骤：
step1 : sleep会阻碍其它线程执行

static final Object room = new Object();
static boolean hasCigarette = false;
static boolean hasTakeout = false;

思考下面的解决方案好不好，为什么？

new Thread(() -> {
    synchronized (room) {
        log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
        if (!hasCigarette) {
            log.debug("没烟，先歇会！");
            sleep(2);
        }
        log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
        if (hasCigarette) {
            log.debug("可以开始干活了");
        }
    }
}, "小南").start();

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    new Thread(() -> {
        synchronized (room) {
            log.debug("可以开始干活了");
        }
    }, "其它人").start();
}

sleep(1);
new Thread(() -> {
    // 这里能不能加 synchronized (room)？ 不能
    hasCigarette = true;
    log.debug("烟到了噢！");
}, "送烟的").start();

输出

20:49:49.883 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false] 
20:49:49.887 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！
20:49:50.882 [送烟的] c.TestCorrectPosture - 烟到了噢！
20:49:51.887 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[true] 
20:49:51.887 [小南] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:49:51.887 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:49:51.887 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:49:51.888 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:49:51.888 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:49:51.888 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了

其它干活的线程，都要一直阻塞，效率太低
小南线程必须睡足 2s 后才能醒来，就算烟提前送到，也无法立刻醒来
加了 synchronized (room) 后，就好比小南在里面反锁了门睡觉，烟根本没法送进门，main 没加 synchronized 就好像 main 线程是翻窗户进来的
sleep妨碍其它人干活解决方法，使用 wait - notify

step2 : wait替代sleep
思考下面的实现行吗，为什么？

new Thread(() -> {
    synchronized (room) {
        log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
        if (!hasCigarette) {
            log.debug("没烟，先歇会！");
            try {
                room.wait(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
        if (hasCigarette) {
            log.debug("可以开始干活了");
        }
    }
}, "小南").start();

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    new Thread(() -> {
        synchronized (room) {
            log.debug("可以开始干活了");
        }
    }, "其它人").start();
}

sleep(1);
new Thread(() -> {
    synchronized (room) {
        hasCigarette = true;
        log.debug("烟到了噢！");
        room.notify();
    }
}, "送烟的").start();

输出

20:51:42.489 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false] 
20:51:42.493 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！
20:51:42.493 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:51:42.493 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:51:42.494 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:51:42.494 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:51:42.494 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:51:43.490 [送烟的] c.TestCorrectPosture - 烟到了噢！
20:51:43.490 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[true] 
20:51:43.490 [小南] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了

解决了其它干活的线程阻塞的问题
但如果有其它线程也在等待条件呢？

step3 : 会发生虚假唤醒

new Thread(() -> {
    synchronized (room) {
        log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
        if (!hasCigarette) {
            log.debug("没烟，先歇会！");
            try {
                room.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
        if (hasCigarette) {
            log.debug("可以开始干活了");
        } else {
            log.debug("没干成活...");
        }
    }
}, "小南").start();

new Thread(() -> {
    synchronized (room) {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);
        if (!hasTakeout) {
            log.debug("没外卖，先歇会！");
            try {
                room.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);
        if (hasTakeout) {
            log.debug("可以开始干活了");
        } else {
            log.debug("没干成活...");
        }
    }
}, "小女").start();

sleep(1);
new Thread(() -> {
    synchronized (room) {
        hasTakeout = true;
        log.debug("外卖到了噢！");
        room.notify();
    }
}, "送外卖的").start();

输出

20:53:12.173 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false] 
20:53:12.176 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！
20:53:12.176 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没？[false] 
20:53:12.176 [小女] c.TestCorrectPosture - 没外卖，先歇会！
20:53:13.174 [送外卖的] c.TestCorrectPosture - 外卖到了噢！
20:53:13.174 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false] 
20:53:13.174 [小南] c.TestCorrectPosture - 没干成活...

notify 只能随机唤醒一个 WaitSet 中的线程，这时如果有其它线程也在等待，那么就可能唤醒不了正确的线程，称之为【虚假唤醒】
发生虚假唤醒: 解决方法，改为 notifyAll

step4 : if+wait 仅由1次判断机会

new Thread(() -> {
    synchronized (room) {
        hasTakeout = true;
        log.debug("外卖到了噢！");
        room.notifyAll();
    }
}, "送外卖的").start();

输出

20:55:23.978 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false] 
20:55:23.982 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！
20:55:23.982 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没？[false] 
20:55:23.982 [小女] c.TestCorrectPosture - 没外卖，先歇会！
20:55:24.979 [送外卖的] c.TestCorrectPosture - 外卖到了噢！
20:55:24.979 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没？[true] 
20:55:24.980 [小女] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:55:24.980 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false] 
20:55:24.980 [小南] c.TestCorrectPosture - 没干成活...

用 notifyAll 仅解决某个线程的唤醒问题，但使用 if + wait 判断仅有一次机会，一旦条件不成立，就没有重新判断的机会了
notifyAll唤醒了所有,但使用if+wait仅有一次机会,解决方法，一旦条件不成立，就没有重新判断的机会了.解决办法: 用 while + wait，当条件不成立，再次 wait

step5 : while+wait
将 if 改为 while

if (!hasCigarette) {
    log.debug("没烟，先歇会！");
    try {
        room.wait();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

改动后

while (!hasCigarette) {
    log.debug("没烟，先歇会！");
    try {
        room.wait();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

输出

20:58:34.322 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false] 
20:58:34.326 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！
20:58:34.326 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没？[false] 
20:58:34.326 [小女] c.TestCorrectPosture - 没外卖，先歇会！
20:58:35.323 [送外卖的] c.TestCorrectPosture - 外卖到了噢！
20:58:35.324 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没？[true] 
20:58:35.324 [小女] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:58:35.324 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！

wait 正确使用模版

synchronized(lock) {
    while(条件不成立) {
        lock.wait();
    }
    // 干活
}

//另一个线程
synchronized(lock) {
    lock.notifyAll();
}

模式 - 同步模式之保护性暂停

park / unpark

它们是 LockSupport 类中的方法

// 暂停当前线程
LockSupport.park(); 
// 恢复某个线程的运行
LockSupport.unpark(暂停线程对象)

先 park 再 unpark

Thread t1 = new Thread(() -> {
    log.debug("start...");
    sleep(1);
    log.debug("park...");
    LockSupport.park();
    log.debug("resume...");
},"t1");
t1.start();

sleep(2);
log.debug("unpark...");
LockSupport.unpark(t1);

输出

18:42:52.585 c.TestParkUnpark [t1] - start... 
18:42:53.589 c.TestParkUnpark [t1] - park... 
18:42:54.583 c.TestParkUnpark [main] - unpark... 
18:42:54.583 c.TestParkUnpark [t1] - resume...

先 unpark 再 park

Thread t1 = new Thread(() -> {
    log.debug("start...");
    sleep(2);
    log.debug("park...");
    LockSupport.park();
    log.debug("resume...");
}, "t1");
t1.start();

sleep(1);
log.debug("unpark...");
LockSupport.unpark(t1);

输出

18:43:50.765 c.TestParkUnpark [t1] - start... 
18:43:51.764 c.TestParkUnpark [main] - unpark... 
18:43:52.769 c.TestParkUnpark [t1] - park... 
18:43:52.769 c.TestParkUnpark [t1] - resume...

特点
与 Object 的 wait & notify 相比

wait，notify 和 notifyAll 必须配合 Object Monitor 一起使用，而 park，unpark 不必
park & unpark 是以线程为单位来【阻塞】和【唤醒】线程，而 notify 只能随机唤醒一个等待线程，notifyAll是唤醒所有等待线程，就不那么【精确】
park & unpark 可以先 unpark，而 wait & notify 不能先 notify

原理 - park

多把锁 & 活跃性

多把不相干的锁

一间大屋子有两个功能：睡觉、学习，互不相干。
现在小南要学习，小女要睡觉，但如果只用一间屋子（一个对象锁）的话，那么并发度很低
解决方法是准备多个房间（多个对象锁）
例如

class BigRoom {

    public void sleep() {
        synchronized (this) {
            log.debug("sleeping 2 小时");
            Sleeper.sleep(2);
        }
    }

    public void study() {
        synchronized (this) {
            log.debug("study 1 小时");
            Sleeper.sleep(1);
        }
    }


}

执行

BigRoom bigRoom = new BigRoom();

new Thread(() -> {
    bigRoom.study();
},"小南").start();

new Thread(() -> {
    bigRoom.sleep();
},"小女").start();

某次结果

12:13:54.471 [小南] c.BigRoom - study 1 小时
12:13:55.476 [小女] c.BigRoom - sleeping 2 小时

改进

class BigRoom {
    private final Object studyRoom = new Object();
    private final Object bedRoom = new Object();

    public void sleep() {
        synchronized (bedRoom) {
            log.debug("sleeping 2 小时");
            Sleeper.sleep(2);
        }
    }

    public void study() {
        synchronized (studyRoom) {
            log.debug("study 1 小时");
            Sleeper.sleep(1);
        }
    }

}

某次执行结果

12:15:35.069 [小南] c.BigRoom - study 1 小时
12:15:35.069 [小女] c.BigRoom - sleeping 2 小时

将锁的粒度细分

好处，是可以增强并发度
坏处，如果一个线程需要同时获得多把锁，就容易发生死锁

活跃性

死锁

有这样的情况：一个线程需要同时获取多把锁，这时就容易发生死锁

示例
t1 线程 获得 A对象 锁，接下来想获取 B对 的锁 t2 线程 获得 B对象 锁，接下来想获取 A对象 的锁例：

Object A = new Object();
Object B = new Object();

Thread t1 = new Thread(() -> {
    synchronized (A) {
        log.debug("lock A");
        sleep(1);
        synchronized (B) {
            log.debug("lock B");
            log.debug("操作...");
        }
    }
}, "t1");

Thread t2 = new Thread(() -> {
    synchronized (B) {
        log.debug("lock B");
        sleep(0.5);
        synchronized (A) {
            log.debug("lock A");
            log.debug("操作...");
        }
    }
}, "t2");

t1.start();
t2.start();

结果

12:22:06.962 [t2] c.TestDeadLock - lock B 
12:22:06.962 [t1] c.TestDeadLock - lock A

活锁

活锁出现在两个线程互相改变对方的结束条件，最后谁也无法结束，例如

public class TestLiveLock {
    static volatile int count = 10;
    static final Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            // 期望减到 0 退出循环
            while (count > 0) {
                sleep(0.2);
                count--;
                log.debug("count: {}", count);
            }
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            // 期望超过 20 退出循环
            while (count < 20) {
                sleep(0.2);
                count++;
                log.debug("count: {}", count);
            }
        }, "t2").start();

    }
}

饥饿

很多教程中把饥饿定义为，一个线程由于优先级太低，始终得不到 CPU 调度执行，也不能够结束，饥饿的情况不易演示，讲读写锁时会涉及饥饿问题

下面我讲一下我遇到的一个线程饥饿的例子，
先来看看使用顺序加锁的方式解决之前的死锁问题

顺序加锁的解决方案

但顺序加锁容易产生饥饿问题

活锁、死锁和饥饿

活锁和死锁：一个是多个线程都在执行，另一个是多个线程都在阻塞，互相等对方的资源；
饥饿：多线程中，某个线程抢不到锁