进程与线程
Java 线程
线程问题
Found one Java-level deadlock:
Java stack information for the threads listed above:
本章小结
问题

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。

两者对比

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，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。

并行与并发

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

并行

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。

二者对比

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。

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
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
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）

应用

应用之异步调用（案例1）

以调用方的角度讲，如果

需要等待结果返回，才能继续运行的话就是同步
不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步

设计

多线程可以使方法的执行变成异步的，比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了 5 秒，如果没有线程的调度机制，那么 cpu 只能等 5 秒，啥都不能做。

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

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

Java 线程

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();

方法二:使用 Runnable 配合 Thread（推荐）

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）。

//Java 8 以后可以使用 lambda 精简代码
public static void main(String[] args) {
    // 使用 lambda 表达式，因为 Runnable 接口标注了 @FunctionalInterface 这个注解，
    // 表示是一个函数式接口，可以使用 lambda 表达式

    // 创建任务对象
    Runnable r = () -> log.debug("running");
    // 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐 
    new Thread(r, "t1").start();
}

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。
通过查看源码可以发现，方法二其实到底还是通过方法一执行的！

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
FutureTask 是 Future 和 Runable 的实现。

// 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);

Future 就是对于具体的 Runnable 或者 Callable 任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过 get 方法获取执行结果，get方法会阻塞直到任务返回结果

public interface Future<V> {
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    boolean isCancelled();
    boolean isDone();
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

Future 提供了三种功能： 　　

判断任务是否完成；　　
能够中断任务；　　
能够获取任务执行结果。

多个线程同时执行

交替执行
谁先谁后，不由我们控制

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 -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）

线程运行原理

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。每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧 (stack frame) 用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，是属于线程私有的。

当 java 中使用多线程时，每个线程都会维护它自己的栈帧。

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

当上下文切换 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 的常见方法

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

start 与 run

调用 start

public static void main(String[] args) {

    Thread thread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            log.info(Thread.currentThread().getName() + " running....");
        }
    }, "t1");

    thread.start();
    // 测试通过 Thread 类实例 thread 对象直接调用 run 方法
    //thread.run();

    log.info(Thread.currentThread().getName() + " running...");
}

//输出
main running...
t1 running....

调用 run

将上面代码的 thread.start(); 改为 thread.run(); 输出结果如下：

//输出
main running...
main running...

通过打印台的输出，发现结果是不一样的
使用 start 方式，CPU 会为创建的线程分配时间片，线程进入运行状态，然后线程调用 run 方法执行逻辑。
而直接使用 run 的方式，虽然会创建了线程，但是它是直接调用方法，而不是像 start 方式那样，这个线程对象会处一直处在新建状态，从结果上也可以看出，run 方法是 main 线程调用，而不是 t1 线程。

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() 方法中的代码。

sleep 与 yield

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。

yield（礼让）

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。

public void test() {
    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 thread1 = new Thread(task1, "t1");
    Thread thread2 = new Thread(task2, "t2");

    //thread1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
    //thread2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);

    thread1.start();
    thread2.start();
}

小结

yield 使 cpu 调用其它线程，但是 cpu 可能会再分配时间片给该线程；
而 sleep 需要等过了休眠时间之后才有可能被分配 cpu 时间片。

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。

join

join 用于等待某个线程结束。如在主线程中调用 t1.join ()，则是主线程需要等待 t1 线程结束，才能执行其线程。

Thread t1 = new Thread();
//等待 t1 线程执行结束
t1.join();
// 最多等待 1000ms,如果 1000ms 内线程执行完毕，则会直接执行后面的语句，不会等够 1000ms
t1.join(1000);

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)  {
        test1();
    }
    private static void test1() {
        System.out.println("开始");

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            System.out.println("开始");

            try {
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("结束");
            r = 10;
        });
        t1.start();

        System.out.println("结果为:"+r);
        System.out.println("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：
要想打印出 r=10，用 join 加在 t1.start () 之后即可。

注意：
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
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？

有时效的 join

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

等待超时

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();

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

interrupt()

interrupt 打断线程有两种情况，如下：

如果一个线程在在运行中被打断，打断标记会被置为 true 。
如果是打断的是因 sleep、wait、join 方法而被阻塞的线程，会将打断标记置为 false 。

isInterrupted () 与 interrupted () 比较

首先，isInterrupted 是实例方法，interrupted 是静态方法，它们的用处都是查看当前打断的状态，但是 isInterrupted 方法查看线程的时候，不会将打断标记清空，也就是置为 false，interrupted 查看线程打断状态后，会将打断标志置为 false，也就是清空打断标记。

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

public void test2() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(()->{
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "t1");
    t1.start();

    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    t1.interrupt();
    System.out.println(" 打断状态:" +t1.isInterrupted());
}

//输出
 打断状态:false
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 com.kkb.MyThread.lambda$test2$1(MyThread.java:36)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

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

public void test3() throws InterruptedException {
    Thread t2 = new Thread(()->{
        while(true) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            boolean interrupted = current.isInterrupted();
            if(interrupted) {
                System.out.println("打断状态:"+ interrupted);
                break;
            }
        }
    }, "t2");
    t2.start();

    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    t2.interrupt();
}

//输出
打断状态:true

模式之两阶段终止

Two Phase Termination，就是考虑在一个线程 T1 中如何优雅地终止另一个线程 T2，这里的优雅指的是给 T2 一个料理后事的机会（如释放锁）。

如下所示：线程的 isInterrupted() 方法可以取得线程的打断标记，如果线程在睡眠 sleep 期间被打断，打断标记是不会变的，为 false，但是 sleep 期间被打断会抛出异常，我们据此手动设置打断标记为 true；如果是在程序正常运行期间被打断的，那么打断标记就被自动设置为 true。处理好这两种情况那我们就可以放心地来料理后事啦！

public class Test {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TwoParseTermination twoParseTermination = new TwoParseTermination();
        twoParseTermination.start();
        Thread.sleep(3500);
        twoParseTermination.stop();
    }

}

class TwoParseTermination {

    private Thread monitor;

    // 启动线程
    public void start() {
        monitor = new Thread(() -> {
            while (true) {
                Thread thread = Thread.currentThread();
                if(thread.isInterrupted()) { // 调用 isInterrupted 不会清除标记
                    log.info("料理后事 ...");
                    break;
                } else {
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                        log.info("执行监控的功能 ...");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        log.info("设置打断标记 ...");
                        thread.interrupt();
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }, "monitor");
        monitor.start();
    }

    // 终止线程
    public void stop() {
        monitor.interrupt();
    }
}

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();
}

// 输出
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

提示
可以使用 Thread.interrupted() 清除打断状态

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。

stop：停止线程运行。
suspend () ：挂起（暂停）线程运行。
resume ()：恢复线程运行。

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。

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

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：
多线程基础 - 图4

【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。
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：

多线程基础 - 图5

【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，后面会在线程状态转换一节详述。
【TERMINATED】当线程代码运行结束。

线程问题

线程出现问题的根本原因分析

线程出现问题的根本原因是因为线程上下文切换，导致线程里的指令没有执行完就切换执行其它线程了，下面举一个例子 Test13.java

static int count = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(()->{
        for (int i = 1;i<5000;i++){
            count++;
        }
    });
    Thread t2 =new Thread(()->{
        for (int i = 1;i<5000;i++){
            count--;
        }
    });
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    log.debug("count的值是{}",count);
}

我将从字节码的层面进行分析：

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

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

可以看到count++ 和 count— 操作实际都是需要这个4个指令完成的，那么这里问题就来了！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：

如果代码是正常按顺序运行的，那么count的值不会计算错

多线程基础 - 图7

出现负数的情况：

多线程基础 - 图8
出现正数的情况：
多线程基础 - 图9

问题的进一步描述

临界区

一个程序运行多线程本身是没有问题的
问题出现在多个线程共享资源的时候
1. 多个线程同时对共享资源进行读操作本身也没有问题
2. 问题出现在对对共享资源同时进行读写操作时就有问题了
先定义一个叫做临界区的概念：一段代码内如果存在对共享资源的多线程读写操作，那么称这段代码为临界区

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

竞态条件

多个线程在临界区执行，那么由于代码指令的执行不确定而导致的结果问题，称为竞态条件

4.2 synchronized 解决方案

为了避免临界区中的竞态条件发生，由多种手段可以达到

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

现在讨论使用synchronized来进行解决，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持有对象锁，其他线程如果想获取这个锁就会阻塞住，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的代码同步是由于线程执行的先后，顺序不同但是需要一个线程等待其它线程运行到某个点。

synchronized

synchronized(对象) // 线程1获得锁， 那么线程2的状态是(blocked)
{
 临界区
}

上面的实例程序使用synchronized后如下，计算出的结果是正确！Test13.java

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);
}

synchronized原理

synchronized实际上利用对象保证了临界区代码的原子性，临界区内的代码在外界看来是不可分割的，不会被线程切换所打断
多线程基础 - 图10

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) {

            }
        }
    }

4.3 变量的线程安全分析

4.3.1 成员变量和静态变量的线程安全分析

如果没有变量没有在线程间共享，那么变量是安全的
如果变量在线程间共享
- 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
  4.3.2 局部变量线程安全分析
局部变量【局部变量被初始化为基本数据类型】是安全的
局部变量引用的对象未必是安全的
- 如果局部变量引用的对象没有引用线程共享的对象，那么是线程安全的
- 如果局部变量引用的对象引用了一个线程共享的对象，那么要考虑线程安全的
  线程安全的情况
  局部变量【局部变量被初始化为基本数据类型】是安全的，示例如下
```
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
多线程基础 - 图11

线程不安全的情况

如果局部变量引用的对象逃离方法的范围，那么要考虑线程安全的，代码示例如下 Test15.java

public class Test15 {
    public static void main(String[] args) {
        UnsafeTest unsafeTest = new UnsafeTest();
        for (int i =0;i<100;i++){
            new Thread(()->{
                unsafeTest.method1();
            },"线程"+i).start();
        }
    }
}
class UnsafeTest{
    ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();
    public void method1(){
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            method2();
            method3();
        }
    }
    private void method2() {
        arrayList.add("1");
    }
    private void method3() {
        arrayList.remove(0);
    }
}

不安全原因分析

无论哪个线程中的 method2 和method3 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量：一个 ArrayList ，在添加一个元素的时候，它可能会有两步来完成：

第一步，在 arrayList[Size] 的位置存放此元素；第二步增大 Size 的值。
在单线程运行的情况下，如果 Size = 0，添加一个元素后，此元素在位置 0，而且 Size=1；而如果是在多线程情下，比如有两个线程，线程 A 先将元素存放在位置 0。但是此时 CPU 调线程A暂停，线程 B 得到运行的机会。线程B也向此 ArrayList 添加元素，因为此时 Size 仍等于 0 （注意哦，我们假设的是添加一个元素是要两个步骤哦，而线程A仅仅完成了步骤1），所以线程B也将元素存放在位置0。然后线程A和线程B都继续运行，都增加 Size 的值。那好，现在我们来看看 ArrayList 的情况，元素实际上只有一个，存放在位置 0，而 Size 却等于 2。这就是“线程不安全”了。

多线程基础 - 图12
多线程基础 - 图13

解决方法

可以将list修改成局部变量，那么就不会有上述问题了

class safeTest{
    public void method1(){
        ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
        method2(arrayList);
        method3(arrayList);}
    }
    private void method2(ArrayList arrayList) {
        arrayList.add("1");
    }
    private void method3(ArrayList arrayList) {
        arrayList.remove(0);
    }
}

思考 private 或 final的重要性

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 会不会导致线程安全问题？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，即如下所示：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】

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();
    }
}

4.3.3 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。也可以理解为它们的每个方法是原子的

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

线程安全类方法的组合

但注意它们多个方法的组合不是原子的，见下面分析

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

多线程基础 - 图14

不可变类的线程安全

String和Integer类都是不可变的类，因为其类内部状态是不可改变的，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，其实调用这些方法返回的已经是一个新创建的对象了！

public class Immutable{
     private int value = 0;
     public Immutable(int value){
     this.value = value;
     }
     public int getValue(){
         return this.value;
     }
     public Immutable add(int v){
         return new Immutable(this.value + v);
     }
}

示例分析-是否线程安全

示例一

分析线程是否安全，先对类的成员变量，类变量，局部变量进行考虑，如果变量会在各个线程之间共享，那么就得考虑线程安全问题了，如果变量A引用的是线程安全类的实例，并且只调用该线程安全类的一个方法，那么该变量A是线程安全的的。下面对实例一进行分析：此类不是线程安全的，MyAspect切面类只有一个实例，成员变量start 会被多个线程同时进行读写操作

@Aspect
@Component
public class MyAspect {
    // 是否安全？
    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));
    }
}

示例二

此例是典型的三层模型调用，MyServlet UserServiceImpl UserDaoImpl类都只有一个实例，UserDaoImpl类中没有成员变量，update方法里的变量引用的对象不是线程共享的，所以是线程安全的；UserServiceImpl类中只有一个线程安全的UserDaoImpl类的实例，那么UserServiceImpl类也是线程安全的，同理 MyServlet也是线程安全的

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 {
    public void update() {
        String sql = "update user set password = ? where username = ?";
        // 是否安全
        try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){
            // ...
        } catch (Exception e) {
            // ...
        }
    }
}

示例三

跟示例二大体相似，UserDaoImpl类中有成员变量，那么多个线程可以对成员变量conn 同时进行操作，故是不安全的

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
    private Connection conn = null;
    public void update() throws SQLException {
        String sql = "update user set password = ? where username = ?";
        conn = DriverManager.getConnection("","","");
        // ...
        conn.close();
    }
}

示例四

跟示例三大体相似，UserServiceImpl类的update方法中 UserDao是作为局部变量存在的，所以每个线程访问的时候都会新建有一个UserDao对象，新建的对象是线程独有的，所以是线程安全的

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();
    }
}

示例五

public abstract class Test {
    public void bar() {
        // 是否安全
        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，因为foo方法可以被重写，导致线程不安全。在String类中就考虑到了这一点，String类是finally的，子类不能重写它的方法。

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();
    }
}

4.4 习题分析

Test16.java

4.5 Monitor 概念

Java 对象头

以 32 位虚拟机为例,普通对象的对象头结构如下，其中的Klass Word为指针，指向对应的Class对象；
多线程基础 - 图15
数组对象
多线程基础 - 图16
其中 Mark Word 结构为
多线程基础 - 图17
所以一个对象的结构如下：
多线程基础 - 图18

Monitor 原理

Monitor被翻译为监视器或者说管程
每个java对象都可以关联一个Monitor，如果使用synchronized给对象上锁（重量级），该对象头的Mark Word中就被设置为指向Monitor对象的指针
多线程基础 - 图19

刚开始时Monitor中的Owner为null
当Thread-2 执行synchronized(obj){}代码时就会将Monitor的所有者Owner 设置为 Thread-2，上锁成功，Monitor中同一时刻只能有一个Owner
当Thread-2 占据锁时，如果线程Thread-3，Thread-4也来执行synchronized(obj){}代码，就会进入EntryList中变成BLOCKED状态
Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争时是非公平的
图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程，后面讲wait-notify 时会分析

注意：synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor 才有上述的效果不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

synchronized原理

代码如下 Test17.java

static final Object lock=new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
    synchronized (lock) {
        counter++;
    }
}

反编译后的部分字节码

 0 getstatic #2 <com/concurrent/test/Test17.lock>
 # 取得lock的引用（synchronized开始了）
 3 dup    
 # 复制操作数栈栈顶的值放入栈顶，即复制了一份lock的引用
 4 astore_1
 # 操作数栈栈顶的值弹出，即将lock的引用存到局部变量表中
 5 monitorenter
 # 将lock对象的Mark Word置为指向Monitor指针
 6 getstatic #3 <com/concurrent/test/Test17.counter>
 9 iconst_1
10 iadd
11 putstatic #3 <com/concurrent/test/Test17.counter>
14 aload_1
# 从局部变量表中取得lock的引用，放入操作数栈栈顶
15 monitorexit
# 将lock对象的Mark Word重置，唤醒EntryList
16 goto 24 (+8)
# 下面是异常处理指令，可以看到，如果出现异常，也能自动地释放锁
19 astore_2
20 aload_1
21 monitorexit
22 aload_2
23 athrow
24 return

注意：方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现

synchronized 原理进阶

轻量级锁

轻量级锁的使用场景是：如果一个对象虽然有多个线程要对它进行加锁，但是加锁的时间是错开的（也就是没有人可以竞争的），那么可以使用轻量级锁来进行优化。轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是synchronized，假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
     synchronized( obj ) {
         // 同步块 A
         method2();
     }
}
public static void method2() {
     synchronized( obj ) {
         // 同步块 B
     }
}

每次指向到synchronized代码块时，都会创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都会包括一个锁记录的结构，锁记录内部可以储存对象的Mark Word和对象引用reference
让锁记录中的Object reference指向对象，并且尝试用cas(compare and sweep)替换Object对象的Mark Word ，将Mark Word 的值存入锁记录中
如果cas替换成功，那么对象的对象头储存的就是锁记录的地址和状态01，如下所示
如果cas失败，有两种情况
1. 如果是其它线程已经持有了该Object的轻量级锁，那么表示有竞争，将进入锁膨胀阶段
2. 如果是自己的线程已经执行了synchronized进行加锁，那么那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数
当线程退出synchronized代码块的时候，如果获取的是取值为 null 的锁记录 ，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一
当线程退出synchronized代码块的时候，如果获取的锁记录取值不为 null，那么使用cas将Mark Word的值恢复给对象
1. 成功则解锁成功
2. 失败，则说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程
  锁膨胀
  如果在尝试加轻量级锁的过程中，cas操作无法成功，这是有一种情况就是其它线程已经为这个对象加上了轻量级锁，这是就要进行锁膨胀，将轻量级锁变成重量级锁。
当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程
1. 即为对象申请Monitor锁，让Object指向重量级锁地址，然后自己进入Monitor 的EntryList 变成BLOCKED状态
当Thread-0 推出synchronized同步块时，使用cas将Mark Word的值恢复给对象头，失败，那么会进入重量级锁的解锁过程，即按照Monitor的地址找到Monitor对象，将Owner设置为null，唤醒EntryList 中的Thread-1线程

自旋优化
重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即在自旋的时候持锁的线程释放了锁），那么当前线程就可以不用进行上下文切换就获得了锁
自旋重试成功的情况
自旋重试失败的情况，自旋了一定次数还是没有等到持锁的线程释放锁

自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

偏向锁

在轻量级的锁中，我们可以发现，如果同一个线程对同一个2对象进行重入锁时，也需要执行CAS操作，这是有点耗时滴，那么java6开始引入了偏向锁的东东，只有第一次使用CAS时将对象的Mark Word头设置为入锁线程ID，之后这个入锁线程再进行重入锁时，发现线程ID是自己的，那么就不用再进行CAS了
多线程基础 - 图29

偏向状态

多线程基础 - 图30
一个对象的创建过程

如果开启了偏向锁（默认是开启的），那么对象刚创建之后，Mark Word 最后三位的值101，并且这是它的Thread，epoch，age都是0，在加锁的时候进行设置这些的值.
偏向锁默认是延迟的，不会在程序启动的时候立刻生效，如果想避免延迟，可以添加虚拟机参数来禁用延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0来禁用延迟
注意：处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中
实验Test18.java，加上虚拟机参数-XX:BiasedLockingStartupDelay=0进行测试

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Test1 t = new Test1();
    test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t))；
    synchronized (t){
        test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t));
    }
    test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t));
}

输出结果如下，三次输出的状态码都为101

biasedLockFlag (1bit): 1
    LockFlag (2bit): 01
biasedLockFlag (1bit): 1
    LockFlag (2bit): 01
biasedLockFlag (1bit): 1
    LockFlag (2bit): 01

测试禁用：如果没有开启偏向锁，那么对象创建后最后三位的值为001，这时候它的hashcode，age都为0，hashcode是第一次用到hashcode时才赋值的。在上面测试代码运行时在添加 VM 参数-XX:-UseBiasedLocking禁用偏向锁（禁用偏向锁则优先使用轻量级锁），退出synchronized状态变回001

测试代码Test18.java 虚拟机参数-XX:-UseBiasedLocking
输出结果如下，最开始状态为001，然后加轻量级锁变成00，最后恢复成001
```
biasedLockFlag (1bit): 0
 LockFlag (2bit): 01
LockFlag (2bit): 00
biasedLockFlag (1bit): 0
 LockFlag (2bit): 01
```
撤销偏向锁-hashcode方法
测试 hashCode：当调用对象的hashcode方法的时候就会撤销这个对象的偏向锁，因为使用偏向锁时没有位置存hashcode的值了

测试代码如下，使用虚拟机参数-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 ，确保我们的程序最开始使用了偏向锁！但是结果显示程序还是使用了轻量级锁。 Test20.java

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Test1 t = new Test1();
 t.hashCode();
 test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t));

 synchronized (t){
     test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t));
 }
 test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t));
}

输出结果
```
biasedLockFlag (1bit): 0
 LockFlag (2bit): 01
LockFlag (2bit): 00
biasedLockFlag (1bit): 0
 LockFlag (2bit): 01
```
撤销偏向锁-其它线程使用对象
这里我们演示的是偏向锁撤销变成轻量级锁的过程，那么就得满足轻量级锁的使用条件，就是没有线程对同一个对象进行锁竞争，我们使用wait 和 notify 来辅助实现
代码 Test19.java，虚拟机参数-XX:BiasedLockingStartupDelay=0确保我们的程序最开始使用了偏向锁！
输出结果，最开始使用的是偏向锁，但是第二个线程尝试获取对象锁时，发现本来对象偏向的是线程一，那么偏向锁就会失效，加的就是轻量级锁
```
biasedLockFlag (1bit): 1
 LockFlag (2bit): 01
biasedLockFlag (1bit): 1
 LockFlag (2bit): 01
biasedLockFlag (1bit): 1
 LockFlag (2bit): 01
biasedLockFlag (1bit): 1
 LockFlag (2bit): 01
LockFlag (2bit): 00
biasedLockFlag (1bit): 0
 LockFlag (2bit): 01
```
撤销 - 调用 wait/notify
会使对象的锁变成重量级锁，因为wait/notify方法之后重量级锁才支持

批量重偏向
如果对象被多个线程访问，但是没有竞争，这时候偏向了线程一的对象又有机会重新偏向线程二，即可以不用升级为轻量级锁，可这和我们之前做的实验矛盾了呀，其实要实现重新偏向是要有条件的：就是超过20对象对同一个线程如线程一撤销偏向时，那么第20个及以后的对象才可以将撤销对线程一的偏向这个动作变为将第20个及以后的对象偏向线程二。Test21.java

4.6 wait和notify
建议先看看wait和notify方法的javadoc文档

4.6.1同步模式之保护性暂停
即 Guarded Suspension，用在一个线程等待另一个线程的执行结果，要点：
有一个结果需要从一个线程传递到另一个线程，让他们关联同一个 GuardedObject
如果有结果不断从一个线程到另一个线程那么可以使用消息队列（见生产者/消费者）
JDK 中，join 的实现、Future 的实现，采用的就是此模式
因为要等待另一方的结果，因此归类到同步模式

代码：Test22.java Test23.java这是带超时时间的
多线程基础 - 图31
Test23.java中jiang’dao’de关于超时的增强，在join(long millis) 的源码中得到了体现：

public final synchronized void join(long millis)
throws InterruptedException {
    long base = System.currentTimeMillis();
    long now = 0;

    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }

    if (millis == 0) {
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {
    // join一个指定的时间
        while (isAlive()) {
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}

多任务版 GuardedObject图中 Futures 就好比居民楼一层的信箱（每个信箱有房间编号），左侧的 t0，t2，t4 就好比等待邮件的居民，右侧的 t1，t3，t5 就好比邮递员如果需要在多个类之间使用 GuardedObject 对象，作为参数传递不是很方便，因此设计一个用来解耦的中间类，这样不仅能够解耦【结果等待者】和【结果生产者】，还能够同时支持多个任务的管理。和生产者消费者模式的区别就是：这个生产者和消费者之间是一一对应的关系，但是生产者消费者模式并不是。rpc框架的调用中就使用到了这种模式。 Test24.java
多线程基础 - 图32

4.6.2异步模式之生产者/消费者

要点

与前面的保护性暂停中的 GuardObject 不同，不需要产生结果和消费结果的线程一一对应
消费队列可以用来平衡生产和消费的线程资源
生产者仅负责产生结果数据，不关心数据该如何处理，而消费者专心处理结果数据
消息队列是有容量限制的，满时不会再加入数据，空时不会再消耗数据
JDK 中各种阻塞队列，采用的就是这种模式

“异步”的意思就是生产者产生消息之后消息没有被立刻消费，而“同步模式”中，消息在产生之后被立刻消费了。
多线程基础 - 图33
我们写一个线程间通信的消息队列，要注意区别，像rabbit mq等消息框架是进程间通信的。

4.7 park & unpack

4.7.1 基本使用

它们是 LockSupport 类中的方法 Test26.java

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

4.7.2 park unpark 原理

每个线程都有自己的一个 Parker 对象，由三部分组成 _counter， _cond和 _mutex

打个比喻线程就像一个旅人，Parker 就像他随身携带的背包，条件变量 _ cond就好比背包中的帐篷。_counter 就好比背包中的备用干粮（0 为耗尽，1 为充足）
调用 park 就是要看需不需要停下来歇息
1. 如果备用干粮耗尽，那么钻进帐篷歇息
2. 如果备用干粮充足，那么不需停留，继续前进
调用 unpark，就好比令干粮充足
1. 如果这时线程还在帐篷，就唤醒让他继续前进
2. 如果这时线程还在运行，那么下次他调用 park 时，仅是消耗掉备用干粮，不需停留继续前进
  1. 因为背包空间有限，多次调用 unpark 仅会补充一份备用干粮

可以不看例子，直接看实现过程

先调用park再调用upark的过程

1.先调用park

当前线程调用 Unsafe.park() 方法
检查 _counter ，本情况为 0，这时，获得 _mutex 互斥锁(mutex对象有个等待队列 _cond)
线程进入 _cond 条件变量阻塞
设置 _counter = 0

多线程基础 - 图34
2.调用upark

调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
唤醒 _cond 条件变量中的 Thread_0
Thread_0 恢复运行
设置 _counter 为 0

多线程基础 - 图35

先调用upark再调用park的过程

调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
当前线程调用 Unsafe.park() 方法
检查 _counter ，本情况为 1，这时线程无需阻塞，继续运行
设置 _counter 为 0

多线程基础 - 图36

4.8 线程状态转换

RUNNABLE <—> WAITING
1. 线程用synchronized(obj)获取了对象锁后
  1. 调用obj.wait()方法时，t 线程从RUNNABLE —> WAITING
  2. 调用obj.notify()，obj.notifyAll()，t.interrupt()时
    1. 竞争锁成功，t 线程从WAITING —> RUNNABLE
    2. 竞争锁失败，t 线程从WAITING —> BLOCKED
2. Test27.java
RUNNABLE <—> WAITING
1. 当前线程调用 LockSupport.park() 方法会让当前线程从 RUNNABLE —> WAITING
2. 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 <—> WAITING
1. 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
2. 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 <—> TIMED_WAITINGt 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后
1. 调用 obj.wait(long n) 方法时，t 线程从 RUNNABLE —> TIMED_WAITING
2. t 线程等待时间超过了 n 毫秒，或调用 obj.notify() ， obj.notifyAll() ， t.interrupt() 时
  1. 竞争锁成功，t 线程从 TIMED_WAITING —> RUNNABLE
  2. 竞争锁失败，t 线程从 TIMED_WAITING —> BLOCKED
RUNNABLE <—> TIMED_WAITING
1. 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
2. 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
1. 当前线程调用 Thread.sleep(long n) ，当前线程从 RUNNABLE —> TIMED_WAITING
2. 当前线程等待时间超过了 n 毫秒或调用了线程的 interrupt() ，当前线程从 TIMED_WAITING —> RUNNABLE
RUNNABLE <—> TIMED_WAITING
1. 当前线程调用 LockSupport.parkNanos(long nanos) 或 LockSupport.parkUntil(long millis) 时，当前线程从 RUNNABLE —> TIMED_WAITING
2. 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
  4.9 活跃性
  活跃性相关的一系列问题都可以用ReentrantLock进行解决。
  4.9.1 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t1 线程获得A对象锁，接下来想获取B对象的锁；t2 线程获得B对象锁，接下来想获取A对象的锁例。Test28.java
  4.9.2 检测死锁
  检测死锁可以使用 jconsole工具；或者使用 jps 定位进程 id，再用 jstack 定位死锁：Test28.java
  下面使用jstack工具进行演示 ```java D:\我的项目\JavaLearing\java并发编程\jdk8>jps 1156 RemoteMavenServer36 20452 Test25 9156 Launcher 23544 Jps 23848 22748 Test28

D:\我的项目\JavaLearing\java并发编程\jdk8>jstack 22748 2020-07-12 18:54:44 Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.211-b12 mixed mode):

“DestroyJavaVM” #14 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000002a03800 nid=0x5944 waiting on condition [0x0000000000000000] java.lang.Thread.State: RUNNABLE

//…………….省略了大部分内容………….//

Found one Java-level deadlock:

“线程二”: waiting to lock monitor 0x0000000002afc0e8 (object 0x00000000db9f76d0, a java.lang.Object), which is held by “线程1” “线程1”: waiting to lock monitor 0x0000000002afe1e8 (object 0x00000000db9f76e0, a java.lang.Object), which is held by “线程二”

Java stack information for the threads listed above:

“线程二”: at com.concurrent.test.Test28.lambda$main$1(Test28.java:39)

    - waiting to lock <0x00000000db9f76d0> (a java.lang.Object)
    - locked <0x00000000db9f76e0> (a java.lang.Object)
    at com.concurrent.test.Test28$$Lambda$2/326549596.run(Unknown Source)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

“线程1”: at com.concurrent.test.Test28.lambda$main$0(Test28.java:23)

    - waiting to lock <0x00000000db9f76e0> (a java.lang.Object)
    - locked <0x00000000db9f76d0> (a java.lang.Object)
    at com.concurrent.test.Test28$$Lambda$1/1343441044.run(Unknown Source)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)


<a name="tI3QR"></a>
### 4.9.3 哲学家就餐问题
![](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/1612599/1648476520072-cec2f490-99c2-4e48-93f9-5b893054de2b.png#clientId=u8430f720-fa7e-4&crop=0&crop=0&crop=1&crop=1&from=paste&id=u45d21432&margin=%5Bobject%20Object%5D&originHeight=184&originWidth=277&originalType=url&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&status=done&style=none&taskId=u5c00f8a1-5032-4acc-ac54-747755055ff&title=)<br />有五位哲学家，围坐在圆桌旁。 他们只做两件事，思考和吃饭，思考一会吃口饭，吃完饭后接着思考。 吃饭时要用两根筷子吃，桌上共有 5 根筷子，每位哲学家左右手边各有一根筷子。 如果筷子被身边的人拿着，自己就得等待 Test29.java<br />当每个哲学家即线程持有一根筷子时，他们都在等待另一个线程释放锁，因此造成了死锁。这种线程没有按预期结束，执行不下去的情况，归类为【活跃性】问题，除了死锁以外，还有活锁和饥饿者两种情 况
<a name="nYDX8"></a>
### 4.9.4 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，就是两个线程对两个不同的对象加锁的时候都使用相同的顺序进行加锁。 但是会产生饥饿问题Test29<br />![](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/1612599/1648476520351-ed09e6d3-2e0c-428b-82d5-ec0be7534863.png#clientId=u8430f720-fa7e-4&crop=0&crop=0&crop=1&crop=1&from=paste&id=u54bcd52f&margin=%5Bobject%20Object%5D&originHeight=455&originWidth=901&originalType=url&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&status=done&style=none&taskId=u826aefd2-055f-4565-9ae8-a167176a548&title=)<br />顺序加锁的解决方案<br />![](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/1612599/1648476520364-2a533fec-df67-4981-b68c-7e8396a027b0.png#clientId=u8430f720-fa7e-4&crop=0&crop=0&crop=1&crop=1&from=paste&id=u10fff02e&margin=%5Bobject%20Object%5D&originHeight=471&originWidth=887&originalType=url&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&status=done&style=none&taskId=u030a88bf-0390-47f3-9ac6-b21ee444c71&title=)
<a name="VoXus"></a>
## 4.10 ReentrantLock
相对于 synchronized 它具备如下特点

1. 可中断
1. 可以设置超时时间
1. 可以设置为公平锁
1. 支持多个条件变量，即对与不满足条件的线程可以放到不同的集合中等待

与 synchronized 一样，都支持可重入<br />基本语法

```java
// 获取锁
reentrantLock.lock();
try {
    // 临界区
} finally {
    // 释放锁
    reentrantLock.unlock();
}

可重入

可重入是指同一个线程如果首次获得了这把锁，那么因为它是这把锁的拥有者，因此有权利再次获取这把锁如果是不可重入锁，那么第二次获得锁时，自己也会被锁挡住

可打断

直接看例子：Test31.java

锁超时

直接看例子：Test32.java
使用锁超时解决哲学家就餐死锁问题：Test33.java

公平锁

synchronized锁中，在entrylist等待的锁在竞争时不是按照先到先得来获取锁的，所以说synchronized锁时不公平的；ReentranLock锁默认是不公平的，但是可以通过设置实现公平锁。本意是为了解决之前提到的饥饿问题，但是公平锁一般没有必要，会降低并发度，使用trylock也可以实现。

条件变量

synchronized 中也有条件变量，就是我们讲原理时那个 waitSet 休息室，当条件不满足时进入 waitSet 等待 ReentrantLock 的条件变量比 synchronized 强大之处在于，它是支持多个条件变量的，这就好比

synchronized 是那些不满足条件的线程都在一间休息室等消息
而 ReentrantLock 支持多间休息室，有专门等烟的休息室、专门等早餐的休息室、唤醒时也是按休息室来唤醒

使用要点： Test34.java

await 前需要获得锁
await 执行后，会释放锁，进入 conditionObject 等待
await 的线程被唤醒（或打断、或超时）取重新竞争 lock 锁，执行唤醒的线程爷必须先获得锁
竞争 lock 锁成功后，从 await 后继续执行

同步模式之顺序控制
固定运行顺序，比如，必须先 2 后 1 打印
1. wait notify 版 Test35.java
2. Park Unpark 版 Test36.java
交替输出，线程 1 输出 a 5 次，线程 2 输出 b 5 次，线程 3 输出 c 5 次。现在要求输出 abcabcabcabcabc 怎么实现
1. wait notify 版 Test37.java
2. Lock 条件变量版 Test38.java
3. Park Unpark 版 Test39.java
  本章小结
  本章我们需要重点掌握的是
分析多线程访问共享资源时，哪些代码片段属于临界区
使用 synchronized 互斥解决临界区的线程安全问题
1. 掌握 synchronized 锁对象语法
2. 掌握 synchronzied 加载成员方法和静态方法语法
3. 掌握 wait/notify 同步方法
使用 lock 互斥解决临界区的线程安全问题掌握 lock 的使用细节：可打断、锁超时、公平锁、条件变量
学会分析变量的线程安全性、掌握常见线程安全类的使用
了解线程活跃性问题：死锁、活锁、饥饿
应用方面
1. 互斥：使用 synchronized 或 Lock 达到共享资源互斥效果，实现原子性效果，保证线程安全。
2. 同步：使用 wait/notify 或 Lock 的条件变量来达到线程间通信效果。
原理方面
1. monitor、synchronized 、wait/notify 原理
2. synchronized 进阶原理
3. park & unpark 原理
模式方面
1. 同步模式之保护性暂停
2. 异步模式之生产者消费者
3. 同步模式之顺序控制
  问题
集合并发遇到的报错 Test24.java 参考博客，未看

多线程基础

进程与线程