并发编程(一)多线程基础和原理

多线程基础

	最近，准备回顾下多线程相关的知识体系，顺便在这里做个记录。

并发的发展历史

最早的计算机只能解决简单的数学运算问题，比如正弦、 余弦等。运行方式：程序员首先把程序写到纸上，然后穿 孔成卡片，再把卡片盒带入到专门的输入室。输入室会有 专门的操作员将卡片的程序输入到计算机上。计算机运行 完当前的任务以后，把计算结果从打印机上进行输出，操 作员再把打印出来的结果送入到输出室，程序员就可以从 输出室取到结果。然后，操作员再继续从已经送入到输入 室的卡片盒中读入另一个任务重复上述的步骤。

操作员在机房里面来回调度资源， 以及计算机同一个时刻 只能运行一个程序， 在程序输入的过程中，计算机计算机 和处理空闲状态 。而当时的计算机是非常昂贵的，人们为了减少这种资源的浪费。就采用了 批处理系统来解决

并发的发展历史

批处理操作系统的运行方式：在输入室收集全部的作业， 然后用一台比较便宜的计算机把它们读取到磁带上。然后 把磁带输入到计算机，计算机通过读取磁带的指令来进行 运算，最后把结果输出磁带上。批处理操作系统的好处在 于，计算机会一直处于运算状态，合理的利用了计算机资 源。（运行流程如下图所示）

a: 程序员把卡片拿到1401机
b: 1401机把批处理作业读到磁带上
c: 操作员把输入磁带送到熬7094机
d: 7094机进行计算
e: 操作员把输出磁带送到1401机
f:1401机打印输出

批处理操作系统虽然能够解决计算机的空闲问题，但是当某一个作业因为等待磁盘或者其他 I/O 操作而暂停时 ，那 CPU 就只能阻塞直到该 I/O 完成，对于 CPU 操作密集型 的程序，I/O 操作相对较少，因此浪费的时间也很少。但是 对于 I/O 操作较多的场景来说， CPU 的资源是属于严重浪 费的。

集成电路和多道程序设计

多道程序设计的出现解决了这个问题，就是把内存分为几 个部分，每一个部分放不同的程序。当一个程序需要等待 I/O操作完成时。那么CPU可以切换执行内存中的另外一 个程序。如果内存中可以同时存放足够多的程序，那CPU 的利用率可以接近100%。 在这个时候，引入了第一个概念- 进程, 进程的本质是一个 正在执行的程序，程序运行时系统会创建一个进程，并且 给每个进程分配独立的内存地址空间保证每个进程地址不 会相互干扰。同时，在CPU对进程做时间片的切换时，保 证进程切换过程中仍然要从进程切换之前运行的位置出开 始执行。所以进程通常还会包括程序计数器、堆栈指针。

有了进程以后，可以让操作系统从宏观层面实现多应用并 发。而并发的实现是通过 CPU 时间片不端切换执行的。对 于单核 CPU 来说，在任意一个时刻只会有一个进程在被 CPU 调度

线程的出现

有了进程以后，为什么还会发明线程呢？

1. 在多核CPU中，利用多线程可以实现真正意义上的并行 执行
2. 在一个应用进程中，会存在多个同时执行的任务，如果 其中一个任务被阻塞，将会引起不依赖该任务的任务也 被阻塞。通过对不同任务创建不同的线程去处理，可以 提升程序处理的实时性
3. 线程可以认为是轻量级的进程，所以线程的创建、销毁 比进程更快

线程的应用

如何应用多线程
在 Java 中，有多种方式来实现多线程。继承 Thread 类、 实现 Runnable 接口、使用 ExecutorService、Callable、 Future实现带返回结果的多线程。

继承 Thread 类创建线程

Thread类本质上是实现了Runnable接口的一个实例，代 表一个线程的实例。启动线程的唯一方法就是通过Thread 类的start()实例方法。start()方法是一个native方法，它会 启动一个新线程，并执行run()方法。这种方式实现多线程 很简单，通过自己的类直接extend Thread，并复写run() 方法，就可以启动新线程并执行自己定义的run()方法。

public class MyThread extends Thread {     
public void run() {      
	System.out.println("MyThread.run()");     
	}
} 

MyThread myThread1 = new MyThread();   
MyThread myThread2 = new MyThread();   
myThread1.start();   
myThread2.start();  

实现 Runnable 接口创建线程

如果自己的类已经extends另一个类，就无法直接extends Thread，此时，可以实现一个Runnable接口

public class MyThread extends OtherClass implements Runnable {     
public void run() {      
System.out.println("MyThread.run()");    
	 } 
}

实现Callable接口通过FutureTask 包装器来创建 Thread 线程

public class CallableDemo implements Callable<String> {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);
        CallableDemo callableDemo = new CallableDemo();
        Future<String> future = executorService.submit(callableDemo);
        System.out.println(future.get());
        executorService.shutdown();
    }

    @Override
    public String call() throws Exception {
        int a = 1;
        int b = 2;
        System.out.println(a + b);
        return "执行结果:" + (a + b);
    }
}

多线程的实际应用场景

其实大家在工作中应该很少有场景能够应用多线程了，因 为基于业务开发来说，很多使用异步的场景我们都通过分布式消息队列来做了。但并不是说多线程就不会被用到， 你们如果有看一些框架的源码，会发现线程的使用无处不在。
我在业务当中遇到比较多的，一类是大量数据的查询汇总，比如要统计一年的订单数据，这类大量数据的查询通常比较耗时，按时间段用多个线程查询数据，最后汇总处理，可以大大缩短系统的响应时间。
总结来说就是在进行比较耗时的IO,网络资源这类操作时，我们可以利用多核CPU的优势，合理的分配线程资源，从而达到任务的负载，提高系统性能。
下面是zookeeper源码中一个比较有意思的异步责任链模式

public class Request {
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Request{" +
                "name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

public interface IRequestProcessor {


    void process(Request request);

}

public class PrintProcessor extends Thread implements IRequestProcessor{
    //阻塞队列
    LinkedBlockingQueue<Request> requests=new LinkedBlockingQueue<>();

    private IRequestProcessor nextProcessor;

    private volatile boolean isFinish=false;

    public PrintProcessor() {
    }

    public PrintProcessor(IRequestProcessor nextProcessor) {
        this.nextProcessor = nextProcessor;
    }
    public void shutdown(){ //对外提供关闭的方法
        isFinish=true;
    }

    @Override
    public void run() {
        while(!isFinish){ //不建议这么写
            try {
                Request request=requests.take();//阻塞式获取数据  //消费者
                //真正的处理逻辑
                System.out.println("PrintProcessor:"+request);
                //交给下一个责任链
                if(nextProcessor!=null) {
                    nextProcessor.process(request);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    @Override
    public void process(Request request) {
        //TODO 根据实际需求去做一些处理
        requests.add(request); //生产者
    }
}

public class SaveProcessor extends Thread implements IRequestProcessor{
    //阻塞队列
    LinkedBlockingQueue<Request> requests=new LinkedBlockingQueue<>();

    private IRequestProcessor nextProcessor;

    private volatile boolean isFinish=false;

    public SaveProcessor() {
    }

    public SaveProcessor(IRequestProcessor nextProcessor) {
        this.nextProcessor = nextProcessor;
    }
    public void shutdown(){ //对外提供关闭的方法
        isFinish=true;
    }

    @Override
    public void run() {
        while(!isFinish){ //不建议这么写
            try {
                Request request=requests.take();//阻塞式获取数据
                //真正的处理逻辑; store to mysql 。
                System.out.println("SaveProcessor:"+request);
                //交给下一个责任链
                nextProcessor.process(request);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    @Override
    public void process(Request request) {
        //TODO 根据实际需求去做一些处理
        requests.add(request);
    }
}

public class App{

    static IRequestProcessor requestProcessor;

    public void setUp(){
        PrintProcessor printProcessor=new PrintProcessor();
        printProcessor.start();
        SaveProcessor saveProcessor=new SaveProcessor(printProcessor);
        saveProcessor.start();

        requestProcessor=new PrevProcessor(saveProcessor);
        ((PrevProcessor) requestProcessor).start();
    }



    public static void main(String[] args) {
        App app=new App();
        app.setUp();
        Request request=new Request();
        request.setName("Mic");
        requestProcessor.process(request);
    }

}

输出:

prevProcessor:Request{name='Mic'}
SaveProcessor:Request{name='Mic'}
PrintProcessor:Request{name='Mic'}

Java 并发编程的基础

基本应用搞清楚以后，我们再来基于Java线程的基础切入， 来逐步去深入挖掘线程的整体模型。

线程的生命周期

Java 线程既然能够创建，那么也势必会被销毁，所以线程 是存在生命周期的，那么我们接下来从线程的生命周期开 始去了解线程。
线程一共有 6 种状态（NEW、RUNNABLE、BLOCKED、 WAITING、TIME_WAITING、TERMINATED）
NEW：初始状态，线程被构建，但是还没有调用start方法
RUNNABLED：运行状态，JAVA线程把操作系统中的就绪 和运行两种状态统一称为“运行中”
BLOCKED：阻塞状态，表示线程进入等待状态,也就是线程 因为某种原因放弃了CPU使用权，阻塞也分为几种情况
➢ 等待阻塞：运行的线程执行 wait 方法，jvm 会把当前 线程放入到等待队列

➢ 同步阻塞：运行的线程在获取对象的同步锁时，若该同 步锁被其他线程锁占用了，那么 jvm 会把当前的线程 放入到锁池中

➢ 其他阻塞：运行的线程执行Thread.sleep或者t.join方法，或者发出了 I/O 请求时，JVM 会把当前线程设置为阻塞状态，当sleep结束、join线程终止、io处理完毕则线程恢复

WAITING：等待状态
TIME_WAITING：超时等待状态，超时以后自动返回
TERMINATED：终止状态，表示当前线程执行完毕

通过代码演示线程的状态

public class ThreadStatusDemo {

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()->{
            while(true){
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"Time_Waiting_Thread").start();

        new Thread(()->{
            while(true){
                synchronized (ThreadStatusDemo.class) {
                    try {
                        ThreadStatusDemo.class.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        },"Wating_Thread").start();

    //BLOCKED
        new Thread(new BlockedDemo(),"Blocke01_Thread").start();
        new Thread(new BlockedDemo(),"Blocke02_Thread").start();
    }
    static class BlockedDemo extends  Thread{

        @Override
        public void run() {
            synchronized (BlockedDemo.class){
                while(true){
                    try {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

启动一个线程前，最好为这个线程设置线程名称，因为这 样在使用jstack分析程序或者进行问题排查时，就会给开 发人员提供一些提示

显示线程的状态
➢ 运行该示例，打开终端或者命令提示符，键入“jps”， （JDK1.5 提供的一个显示当前所有 java 进程 pid 的命 令）
➢ 根据上一步骤获得的pid，继续输入jstack pid（jstack 是 java 虚拟机自带的一种堆栈跟踪工具。jstack 用于 打印出给定的 java 进程 ID 或 core file 或远程调试服 务的Java堆栈信息）

通过上面的分析，我们了解到了线程的生命周期，现在在 整个生命周期中并不是固定的处于某个状态，而是随着代 码的执行在不同的状态之间进行切换

线程的启动

前面我们通过一些案例演示了线程的启动，也就是调用 start()方法去启动一个线程，当run方法中的代码执行完毕 以后，线程的生命周期也将终止。调用start方法的语义是 当前线程告诉JVM，启动调用start方法的线程。

线程的启动原理

很多同学最早学习线程的时候会比较疑惑，启动一个线程 为什么是调用start方法，而不是run方法，这做一个简单 的分析，先简单看一下start方法的定义

我们看到调用 start 方法实际上是调用一个 native 方法 start0()来启动一个线程，首先 start0()这个方法是在 Thread的静态块中来注册的，代码如下

registerNatives 的 本 地 方 法 的 定 义 在 文 件 Thread.c,Thread.c定义了各个操作系统平台要用的关于线 程的公共数据和操作，以下是Thread.c的全部内容
http://hg.openjdk.java.net/jdk8/jdk8/jdk/file/00cd9dc3c2b5/src/share/native/java/lang/Thread.c

从 这 段 代 码 可 以 看 出 ， start0() ， 实 际 会 执 行 JVM_StartThread方法，这个方法是干嘛的呢？ 从名字上 来看，似乎是在JVM层面去启动一个线程，如果真的是这 样，那么在 JVM 层面，一定会调用 Java 中定义的 run 方法。那接下来继续去找找答案。我们找到 jvm.cpp这个文 件；这个文件需要下载hotspot的源码才能找到.

JVM_ENTRY 是用来定义 JVM_StartThread 函数的，在这 个函数里面创建了一个真正和平台有关的本地线程. 本着 打破砂锅查到底的原则，继续看看 newJavaThread做了什 么事情,继续寻找JavaThread的定义 在hotspot的源码中 thread.cpp文件中1558行的位置可 以找到如下代码

这个方法有两个参数，第一个是函数名称，线程创建成功 之后会根据这个函数名称调用对应的函数；第二个是当前 进程内已经有的线程数量。最后我们重点关注与一下 os::create_thread,实际就是调用平台创建线程的方法来创 建线程。 接下来就是线程的启动，会调用 Thread.cpp 文件中的 Thread::start(Thread* thread)方法，代码如下

start 方法中有一个函数调用： os::start_thread(thread);， 调用平台启动线程的方法，最终会调用Thread.cpp文件中 的JavaThread::run()方法

线程的中止

线程的启动过程大家都非常熟悉，但是如何终止一个线程 呢？ 这是面试过程中喜欢问到的一个 题目。 线程的终止，并不是简单的调用stop命令去。虽然api仍 然可以调用，但是和其他的线程控制方法如 suspend、 resume 一样都是过期了的不建议使用，就拿 stop 来说， stop方法在结束一个线程时并不会保证线程的资源正常释 放，因此会导致程序可能出现一些不确定的状态。 要优雅的去中断一个线程，在线程中提供了一个 interrupt 方法

interrupt 方法

当其他线程通过调用当前线程的interrupt方法，表示向当 前线程打个招呼，告诉他可以中断线程的执行了，至于什 么时候中断，取决于当前线程自己。 线程通过检查资深是否被中断来进行相应，可以通过 isInterrupted()来判断是否被中断。 通过下面这个例子，来实现了线程终止的逻辑

public class InterruptDemo {

    private static int i;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread=new Thread(()->{
            while(!Thread.currentThread().isInterrupted()){//默认是false  _interrupted state?
                i++;
            }
            System.out.println("i:"+i);
        });
        thread.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        thread.interrupt(); //把isInterrupted设置成true
    }
}

输出：i:343782411
这种通过标识位或者中断操作的方式能够使线程在终止时 有机会去清理资源，而不是武断地将线程停止，因此这种 终止线程的做法显得更加安全和优雅

Thread.interrupted
上面的案例中，通过 interrupt，设置了一个标识告诉线程 可 以 终 止 了 ， 线 程 中 还 提 供 了 静 态 方 法 Thread.interrupted()对设置中断标识的线程复位。比如在 上面的案例中，外面的线程调用thread.interrupt来设置中 断标识，而在线程里面，又通过 Thread.interrupted 把线 程的标识又进行了复位

public class ThreadResetDemo {

    //1. Thread.interrupted()
    //2. InterruptedException

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread=new Thread(()->{
            while(true){//默认是false  _interrupted state?
                if(Thread.currentThread().isInterrupted()){
                    System.out.println("before:"+Thread.currentThread().isInterrupted());
                    Thread.interrupted(); //复位- 回到初始状态
                    System.out.println("after:"+Thread.currentThread().isInterrupted());
                }
            }
        });
        thread.start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        thread.interrupt(); //把isInterrupted设置成true
    }
}

为什么要复位

Thread.interrupted()是属于当前线程的，是当前线程对外 界中断信号的一个响应，表示自己已经得到了中断信号， 但不会立刻中断自己，具体什么时候中断由自己决定，让 外界知道在自身中断前，他的中断状态仍然是false，这就 是复位的原因。

线程的终止原理
我们来看一下 thread.interrupt()方法做了什么事情

这个方法里面，调用了interrupt0()，这个方法在前面分析 start方法的时候见过，是一个native方法，这里就不再重 复贴代码了，同样，我们找到 jvm.cpp 文件，找到 JVM_Interrupt的定义

这个方法比较简单，直接调用了 Thread::interrupt(thr)这 个方法，这个方法的定义在Thread.cpp文件中，代码如下

Thread::interrupt方法调用了os::interrupt方法，这个是调 用平台的 interrupt 方法，这个方法的实现是在 os_*.cpp 文件中，其中星号代表的是不同平台，因为 jvm 是跨平台 的，所以对于不同的操作平台，线程的调度方式都是不一 样的。我们以os_linux.cpp文件为例

set_interrupted(true)实际上就是调用 osThread.hpp 中的 set_interrupted()方法，在 osThread 中定义了一个成员属 性volatile jint _interrupted;

通过上面的代码分析可以知道，thread.interrupt()方法实际 就是设置一个 interrupted 状态标识为 true、并且通过 ParkEvent的unpark方法来唤醒线程。

1. 对于synchronized阻塞的线程，被唤醒以后会继续尝试 获取锁，如果失败仍然可能被park
2. 在调用ParkEvent的park方法之前，会先判断线程的中 断状态，如果为true，会清除当前线程的中断标识
3. Object.wait 、 Thread.sleep 、 Thread.join 会 抛 出 InterruptedException

这里给大家普及一个知识点，为什么 Object.wait 、 Thread.sleep 和 Thread.join 都 会 抛 出 InterruptedException? 你会发现这几个方法有一个共同 点，都 是属于阻塞的方法 而阻塞方法的释放会取决于一些外部的事件 ， 但是阻塞方 法可能因为等不到外部的触发事件而导致无法终止，所以 它允许一个线程请求 自己 来停止它正在做的事情。当一个 方法抛出 InterruptedException 时，它是在告诉调用者如 果执行该方法的线程被中断，它会尝试停止正在做的事情 并且通过抛出 InterruptedException 表示提前返回。

所以 ，这 个 异 常 的 意 思 是 表 示 一 个 阻 塞 被 其 他 线 程 中 断 了 。 然后，由于线程调用了 interrupt() 中断方法，那么
Object.wait 、 Thread.sleep 等被阻塞的线程被唤醒以后会 通过 is_interrupted 方 法 判 断 中 断 标 识 的 状 态 变 化 ，如 果 发 现中断标识为 true ，则先清除中断标识，然后抛出 InterruptedException

需要注意的是，InterruptedException异常的抛出并不意味 着线程必须终止，而是提醒当前线程有中断的操作发生， 至于接下来怎么处理取决于线程本身，比如 1. 直接捕获异常不做任何处理 2. 将异常往外抛出 3. 停止当前线程，并打印异常信息 为了让大家能够更好的理解上面这段话，我们以 Thread.sleep 为例直接从 jdk 的源码中找到中断标识的清 除以及异常抛出的方法代码 找到 is_interrupted()方法，linux 平台中的实现在 os_linux.cpp文件中，代码如下

找到Thread.sleep这个操作在jdk中的源码体现，怎么找?代码 在jvm.cpp文件中

注意上面加了中文注释的地方的代码，先判断 is_interrupted 的 状 态 ， 然 后 抛 出 一 个 InterruptedException异常。到此为止，我们就已经分析清 楚了中断的整个流程。