多线程与高并发基础概念与synchronized

线程基础概念与synchronized

1线程、进程、纤程的基本概念

（1）进程

 

进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。每个进程都有自己的独立内存空间，不同进程通过进程间通信来通信。由于进程比较重量，占据独立的内存，所以上下文进程间的切换开销（栈、寄存器、虚拟内存、文件句柄等）比较大，但相对比较稳定安全。

 

（2）线程

 

线程是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位.线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。线程间通信主要通过共享内存，上下文切换很快，资源开销较少，但相比进程不够稳定容易丢失数据。

 

（3）协程

 

协程是一种用户态的轻量级线程，协程的调度完全由用户控制。协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈，直接操作栈则基本没有内核切换的开销，可以不加锁的访问全局变量，所以上下文的切换非常快。

 

 

  2线程的基本方法

sleep（）：在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠（暂停执行）。休眠的线程进入阻塞状态。

 

yield（）：调用yield方法的线程，会礼让其他线程先运行。（大概率其他线程先运行，小概率自己还会运行）

 

join（）：调用join方法的线程强制执行，其他线程处于阻塞状态，等该线程执行完后，其他线程再执行。有可能被外界中断产生InterruptedException 中断异常。

 

interrupt()：中断线程

 

wait（）：导致线程等待，进入堵塞状态。该方法要在同步方法或者同步代码块中才使用的

　　

notify（）：唤醒当前线程，进入运行状态。该方法要在同步方法或者同步代码块中才使用的

　　

notifyAll（）：唤醒所有等待的线程。该方法要在同步方法或者同步代码块中才使用的

3线程状态转换图

  （1）新建状态(New)： 

     

 （1）新建状态(New)： 

        当用new操作符创建一个线程时， 例如new Thread(r)，线程还没有开始运行，此时线程处在新建状态。 当一个线程处于新生状态时，程序还没有开始运行线程中的代码

 

     （2）就绪状态(Runnable)

        一个新创建的线程并不自动开始运行，要执行线程，必须调用线程的start()方法。当线程对象调用start()方法即启动了线程，start()方法创建线程运行的系统资源，并调度线程运行run()方法。当start()方法返回后，线程就处于就绪状态。

        处于就绪状态的线程并不一定立即运行run()方法，线程还必须同其他线程竞争CPU时间，只有获得CPU时间才可以运行线程。因为在单CPU的计算机系统中，不可能同时运行多个线程，一个时刻仅有一个线程处于运行状态。因此此时可能有多个线程处于就绪状态。对多个处于就绪状态的线程是由Java运行时系统的线程调度程序(thread scheduler)来调度的。

 

 

    （3）运行状态(Running)

 

        当线程获得CPU时间后，它才进入运行状态，真正开始执行run()方法.

 

    (4) 阻塞状态(Blocked)

 

        线程运行过程中，可能由于各种原因进入阻塞状态:

        1>线程通过调用sleep方法进入睡眠状态；

        2>线程调用一个在I/O上被阻塞的操作，即该操作在输入输出操作完成之前不会返回到它的调用者；

        3>线程试图得到一个锁，而该锁正被其他线程持有；

        4>线程在等待某个触发条件；

          

        所谓阻塞状态是正在运行的线程没有运行结束，暂时让出CPU，这时其他处于就绪状态的线程就可以获得CPU时间，进入运行状态。

 

    (5)死亡状态(Dead)

 

        有两个原因会导致线程死亡：

         1) run方法正常退出而自然死亡，

         2) 一个未捕获的异常终止了run方法而使线程猝死。

        为了确定线程在当前是否存活着（就是要么是可运行的，要么是被阻塞了），需要使用isAlive方法。如果是可运行或被阻塞，这个方法返回true； 如果线程仍旧是new状态且不是可运行的， 或者线程死亡了，则返回false.

 

package juc.c_000;   public class T04_ThreadState {       static class MyThread extends Thread {         @Override         public void run() {             System. out.println( this.getState());               for( int i= 0; i< 10; i++) {                 try {                     Thread. sleep( 500);                 } catch (InterruptedException e) {                     e.printStackTrace();                 }                   System. out.println(i);             }         }     }       public static void main(String[] args) {         Thread t = new MyThread();           System. out.println(t.getState());           t.start();           try {             t.join();         } catch (InterruptedException e) {             e.printStackTrace();         }           System. out.println(t.getState());       } }

 

4synchronized的讲解

synchronized 关键字最主要有以下3种应用方式，下面分别介绍

修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁

修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁

修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1.nonecase

所谓的实例对象锁就是用synchronized修饰实例对象中的实例方法，注意是实例方法不包括静态方法，如下

 

public class AccountingSync implements Runnable{     //共享资源(临界资源)     static int i=0;     /**      * synchronized 修饰实例方法      */     public synchronized void increase(){         i++;     }     @Override     public void run() {         for(int j=0;j<1000000;j++){             increase();         }     }     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {         AccountingSync instance=new AccountingSync();         Thread t1=new Thread(instance);         Thread t2=new Thread(instance);         t1.start();         t2.start();         t1.join();         t2.join();         System.out.println(i);     }     /**      * 输出结果:      * 2000000      */ }

 

上述代码中，我们开启两个线程操作同一个共享资源即变量i，由于i++;操作并不具备原子性，该操作是先读取值，然后写回一个新值，相当于原来的值加上1，分两步完成，如果第二个线程在第一个线程读取旧值和写回新值期间读取i的域值，那么第二个线程就会与第一个线程一起看到同一个值，并执行相同值的加1操作，这也就造成了线程安全失败，因此对于increase方法必须使用synchronized修饰，以便保证线程安全。此时我们应该注意到synchronized修饰的是实例方法increase，在这样的情况下，当前线程的锁便是实例对象instance，注意Java中的线程同步锁可以是任意对象。从代码执行结果来看确实是正确的，倘若我们没有使用synchronized关键字，其最终输出结果就很可能小于2000000，这便是synchronized关键字的作用。这里我们还需要意识到，当一个线程正在访问一个对象的 synchronized 实例方法，那么其他线程不能访问该对象的其他 synchronized 方法，毕竟一个对象只有一把锁，当一个线程获取了该对象的锁之后，其他线程无法获取该对象的锁，所以无法访问该对象的其他synchronized实例方法，但是其他线程还是可以访问该实例对象的其他非synchronized方法，当然如果是一个线程 A 需要访问实例对象 obj1 的 synchronized 方法 f1(当前对象锁是obj1)，另一个线程 B 需要访问实例对象 obj2 的 synchronized 方法 f2(当前对象锁是obj2)，这样是允许的，因为两个实例对象锁并不同相同，此时如果两个线程操作数据并非共享的，线程安全是有保障的，遗憾的是如果两个线程操作的是共享数据，那么线程安全就有可能无法保证了，如下代码将演示出该现象

 

public class AccountingSyncBad implements Runnable{     static int i=0;     public synchronized void increase(){         i++;     }     @Override     public void run() {         for(int j=0;j<1000000;j++){             increase();         }     }     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {         //new新实例         Thread t1=new Thread(new AccountingSyncBad());         //new新实例         Thread t2=new Thread(new AccountingSyncBad());         t1.start();         t2.start();         //join含义:当前线程A等待thread线程终止之后才能从thread.join()返回         t1.join();         t2.join();         System.out.println(i);     } }

 

上述代码与前面不同的是我们同时创建了两个新实例AccountingSyncBad，然后启动两个不同的线程对共享变量i进行操作，但很遗憾操作结果是1452317而不是期望结果2000000，因为上述代码犯了严重的错误，虽然我们使用synchronized修饰了increase方法，但却new了两个不同的实例对象，这也就意味着存在着两个不同的实例对象锁，因此t1和t2都会进入各自的对象锁，也就是说t1和t2线程使用的是不同的锁，因此线程安全是无法保证的。解决这种困境的的方式是将synchronized作用于静态的increase方法，这样的话，对象锁就当前类对象，由于无论创建多少个实例对象，但对于的类对象拥有只有一个，所有在这样的情况下对象锁就是唯一的。下面我们看看如何使用将synchronized作用于静态的increase方法。

 

public class AccountingSyncClass implements Runnable{     static int i=0;     /**      * 作用于静态方法,锁是当前class对象,也就是      * AccountingSyncClass类对应的class对象      */     public static synchronized void increase(){         i++;     }     /**      * 非静态,访问时锁不一样不会发生互斥      */     public synchronized void increase4Obj(){         i++;     }     @Override     public void run() {         for(int j=0;j<1000000;j++){             increase();         }     }     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {         //new新实例         Thread t1=new Thread(new AccountingSyncClass());         //new新实例         Thread t2=new Thread(new AccountingSyncClass());         //启动线程         t1.start();t2.start();         t1.join();t2.join();         System.out.println(i);     } }

 

上述代码与前面不同的是我们同时创建了两个新实例AccountingSyncBad，然后启动两个不同的线程对共享变量i进行操作，但很遗憾操作结果是1452317而不是期望结果2000000，因为上述代码犯了严重的错误，虽然我们使用synchronized修饰了increase方法，但却new了两个不同的实例对象，这也就意味着存在着两个不同的实例对象锁，因此t1和t2都会进入各自的对象锁，也就是说t1和t2线程使用的是不同的锁，因此线程安全是无法保证的。解决这种困境的的方式是将synchronized作用于静态的increase方法，这样的话，对象锁就当前类对象，由于无论创建多少个实例对象，但对于的类对象拥有只有一个，所有在这样的情况下对象锁就是唯一的。下面我们看看如何使用将synchronized作用于静态的increase方法。

 

public class AccountingSync implements Runnable{     static AccountingSync instance=new AccountingSync();     static int i=0;     @Override     public void run() {         //省略其他耗时操作....         //使用同步代码块对变量i进行同步操作,锁对象为instance         synchronized(instance){             for(int j=0;j<1000000;j++){                     i++;               }         }     }     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {         Thread t1=new Thread(instance);         Thread t2=new Thread(instance);         t1.start();t2.start();         t1.join();t2.join();         System.out.println(i);     } }

 

从代码看出，将synchronized作用于一个给定的实例对象instance，即当前实例对象就是锁对象，每次当线程进入synchronized包裹的代码块时就会要求当前线程持有instance实例对象锁，如果当前有其他线程正持有该对象锁，那么新到的线程就必须等待，这样也就保证了每次只有一个线程执行i++;操作。当然除了instance作为对象外，我们还可以使用this对象(代表当前实例)或者当前类的class对象作为锁，如下代码：

 

//this,当前实例对象锁 synchronized(this){     for(int j=0;j<1000000;j++){         i++;     } } //class对象锁 synchronized(AccountingSync.class){     for(int j=0;j<1000000;j++){         i++;     } }

 

synchronized的可重入性

从互斥锁的设计上来说，当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时，将会处于阻塞状态，但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时，这种情况属于重入锁，请求将会成功，在java中synchronized是基于原子性的内部锁机制，是可重入的，因此在一个线程调用synchronized方法的同时在其方法体内部调用该对象另一个synchronized方法，也就是说一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁，是允许的，这就是synchronized的可重入性。如下：

 

 * 一个同步方法可以调用另外一个同步方法，一个线程已经拥有某个对象的锁，再次申请的时候仍然会得到该对象的锁.

 * 也就是说synchronized获得的锁是可重入的

 * 这里是继承中有可能发生的情形，子类调用父类的同步方法

 

public class AccountingSync implements Runnable{     static AccountingSync instance=new AccountingSync();     static int i=0;     static int j=0;     @Override     public void run() {         for(int j=0;j<1000000;j++){             //this,当前实例对象锁             synchronized(this){                 i++;                 increase();//synchronized的可重入性             }         }     }     public synchronized void increase(){         j++;     }     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {         Thread t1=new Thread(instance);         Thread t2=new Thread(instance);         t1.start();t2.start();         t1.join();t2.join();         System.out.println(i);     } }

 

 * 程序在执行过程中，如果出现异常，默认情况锁会被释放

 * 所以，在并发处理的过程中，有异常要多加小心，不然可能会发生不一致的情况。

 * 比如，在一个web app处理过程中，多个servlet线程共同访问同一个资源，这时如果异常处理不合适，

 * 在第一个线程中抛出异常，其他线程就会进入同步代码区，有可能会访问到异常产生时的数据。

 * 因此要非常小心的处理同步业务逻辑中的异常

 

5锁升级

1、Java 对象头

我们以 Hotspot 虚拟机为例，Hotspot 的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Klass Pointer（类型指针）。

Mark Word：默认存储对象的 HashCode，分代年龄和锁标志位信息。这些信息都是与对象自身定义无关的数据，所以 Mark Word 被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据。它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间 Mark Word 里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。

Klass Point：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

2、Monitor

Monitor 可以理解为一个同步工具或一种同步机制，通常被描述为一个对象。每一个 Java 对象就有一把看不见的锁，称为内部锁或者 Monitor 锁。

Monitor 是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用 monitor record 列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个 monitor 关联，同时 monitor 中有一个 Owner 字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。

三、无锁

无锁是指没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。

无锁的特点是修改操作会在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个线程能修改成功，而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。

四、偏向锁

偏向锁是指当一段同步代码一直被同一个线程所访问时，即不存在多个线程的竞争时，那么该线程在后续访问时便会自动获得锁，从而降低获取锁带来的消耗，即提高性能。

当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在 Mark Word 里存储锁偏向的线程 ID。在线程进入和退出同步块时不再通过 CAS 操作来加锁和解锁，而是检测 Mark Word 里是否存储着指向当前线程的偏向锁。轻量级锁的获取及释放依赖多次 CAS 原子指令，而偏向锁只需要在置换 ThreadID 的时候依赖一次 CAS 原子指令即可。

偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程是不会主动释放偏向锁的。

关于偏向锁的撤销，需要等待全局安全点，即在某个时间点上没有字节码正在执行时，它会先暂停拥有偏向锁的线程，然后判断锁对象是否处于被锁定状态。如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态，并撤销偏向锁，恢复到无锁（标志位为01）或轻量级锁（标志位为00）的状态。

偏向锁在 JDK 6 及之后版本的 JVM 里是默认启用的。可以通过 JVM 参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。

五、轻量级锁

轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，却被另外的线程所访问，此时偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋（关于自旋的介绍见文末）的形式尝试获取锁，线程不会阻塞，从而提高性能。

轻量级锁的获取主要由两种情况：① 当关闭偏向锁功能时；② 由于多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁。

在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态，虚拟机将首先在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的 Mark Word 的拷贝，然后将对象头中的 Mark Word 复制到锁记录中。

拷贝成功后，虚拟机将使用 CAS 操作尝试将对象的 Mark Word 更新为指向 Lock Record 的指针，并将 Lock Record 里的 owner 指针指向对象的 Mark Word。

如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象 Mark Word 的锁标志位设置为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。

如果轻量级锁的更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明多个线程竞争锁。

若当前只有一个等待线程，则该线程将通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数时，轻量级锁便会升级为重量级锁（锁膨胀）。

另外，当一个线程已持有锁，另一个线程在自旋，而此时又有第三个线程来访时，轻量级锁也会升级为重量级锁（锁膨胀）。

六、重量级锁

重量级锁是指当有一个线程获取锁之后，其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。

重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，而其中 monitor 的本质是依赖于底层操作系统的 Mutex Lock 实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态切换到内核态，切换成本非常高。

简言之，就是所有的控制权都交给了操作系统，由操作系统来负责线程间的调度和线程的状态变更。而这样会出现频繁地对线程运行状态的切换，线程的挂起和唤醒，从而消耗大量的系统资源，导致性能低下。

七、关于自旋

关于自旋，简言之就是让线程喝杯咖啡小憩一下，用代码解释就是：

do  {

    // do something}  while  (自旋的规则，或者说自旋的次数)

引入自旋这一规则的原因其实也很简单，因为阻塞或唤醒一个 Java 线程需要操作系统切换 CPU 状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间。如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。并且在许多场景中，同步资源的锁定时间很短，为了这一小段时间去切换线程，这部分操作的开销其实是得不偿失的。

所以，在物理机器有多个处理器的情况下，当两个或以上的线程同时并行执行时，我们就可以让后面那个请求锁的线程不放弃 CPU 的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。而为了让当前线程“稍等一下”，我们需让当前线程进行自旋。如果在自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。

自旋锁本身是有缺点的，它不能代替阻塞。自旋等待虽然避免了线程切换的开销，但它要占用处理器时间。如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好。反之，如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白浪费处理器资源。

所以，自旋等待的时间必须要有一定的限度，如果自旋超过了限定次数（默认是10次，可以使用 -XX:PreBlockSpin 来更改）没有成功获得锁，就应当挂起线程。

自旋锁在 JDK1.4.2 中引入，使用 -XX:+UseSpinning 来开启。JDK 6 中变为默认开启，并且引入了自适应的自旋锁（适应性自旋锁）。

自适应自旋锁意味着自旋的时间（次数）不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，直接阻塞线程，避免浪费处理器资源。