并发编程技术点总结一

前言

并发编程技术在Java中属于重要知识点，你必须掌握以下内容：

进程、线程、协程关系概述

进程：本质上是一个独立执行的程序，进程是操作系统进行资源分配和调度的基本概念，操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
​
线程：操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一个进程中可以并发多个线程，每条线程执行不同的任务，切换受系统控制。
​
协程：又称为微线程，是一种用户态的轻量级线程，协程不像线程和进程需要进行系统内核上的上下文切换，协程的上下文切换是由用户自己决定的，有自己的上下文，所以说是轻量级的线程，也称之为用户级别的线程，一个线程可以有多个协程，线程与进程都是同步机制，而协程则是异步。Java的原生语法中并没有实现协程，目前python、Lua和GO等语言支持。
​
关系：一个进程可以有多个线程，它允许计算机同时运行两个或多个程序。线程是进程的最小执行单位，CPU的调度切换的是进程和线程，进程和线程多了之后调度会消耗大量的CPU，CPU上真正运行的是线程，线程可以对应多个协程。

协程对于多线程的优缺点

优点：

• 非常快速的上下文切换，不用系统内核的上下文切换，减小开销
• 单线程即可实现高并发，单核CPU可以支持上万的协程
• 由于只有一个线程，也不存在同时写变量的冲突，在协程中控制共享资源不需要加锁

缺点：

• 协程无法利用多核资源，本质也是个单线程
• 协程需要和进程配合才能运行在多CPU上
• 目前Java没成熟的第三方库，存在风险
• 调试debug存在难度，不利于发现问题

并发和并行的区别

并发 （concurrency）：一台处理器上同时处理多个任务，这个同时实际上是交替处理多个任务，程序中可以同时拥有两个或者多个线程，当有多个线程在操作时，如果系统只有一个CPU，则它根本不可能真正同时进行一个以上的线程，它只能把CPU运行时间划分成若干个时间段，再将时间段分配给各个线程执行。
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并行（parallellism） ：多个CPU上同时处理多个任务，一个CPU执行一个进程时，另一个CPU可以执行另一个进程，两个进程互不抢占CPU资源，可以同时进行。

并发指在一段时间内宏观上去处理多个任务。 并行指同一个时刻，多个任务确实真的同时运行。

Java里实现多线程的几种方式

1.继承Thread类

继承Thread类，重写里面run方法，创建实例，执行start方法。

优点：代码编写最简单直接操作
缺点：无返回值，继承一个类后，没法继承其他的类，拓展性差

public class ThreadDemo1 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("继承Thread实现多线程、名称："+Thread.currentThread().getName());
    }
}

public static void main(String[] args) {
​
      ThreadDemo1 threadDemo1 = new ThreadDemo1();
      threadDemo1.setName("demo1");
      threadDemo1.start();
      System.out.println("主线程名称："+Thread.currentThread().getName());
​
}

2.实现Runnable接口

自定义类实现Runnable接口，实现里面run方法，创建Thread类，使用Runnable接口的实现对象作为参数传递给Thread对象，调用start方法。
​
优点：线程类可以实现多个几接口，可以再继承一个类
缺点：无返回值，不能直接启动，需要通过构造一个Thread实例传递进去启动

public class ThreadDemo2 implements Runnable {
​
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("通过Runnable实现多线程、名称："+Thread.currentThread().getName());
    }
}

public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo2 threadDemo2 = new ThreadDemo2();
        Thread thread = new Thread(threadDemo2);
        thread.setName("demo2");
        thread.start();
        System.out.println("主线程名称："+Thread.currentThread().getName());
}

JDK8之后采用lambda表达式

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread(()->{
                System.out.println("通过Runnable实现多线程、名称："+Thread.currentThread().getName());
            });
    thread.setName("demo2");
    thread.start();
    System.out.println("主线程名称："+Thread.currentThread().getName());
}

3.通过Callable和FutureTask方式

创建callable接口的实现类，并实现call方法，结合FutureTask类包装callable对象，实现多线程。

优点：有返回值，拓展性也高
缺点：jdk5以后才支持，需要重写call方法，结合多个类比如FutureTask和Thread类

public class MyTask implements Callable<Object> {
    @Override
    public Object call() throws Exception {
​
        System.out.println("通过Callable实现多线程、名称："+Thread.currentThread().getName());
​
        return "这是返回值";
    }
}

 public static void main(String[] args) {
​
        MyTask myTask = new MyTask();
        FutureTask<Object> futureTask = new FutureTask<>(myTask);
​
        //FutureTask继承了Runnable，可以放在Thread中启动执行
        Thread thread = new Thread(futureTask);
        thread.setName("demo3");
        thread.start();
        System.out.println("主线程名称:"+Thread.currentThread().getName());
​
        try {
            System.out.println(futureTask.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            //阻塞等待中被中断则抛出
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            //执行过程发送异常被抛出
            e.printStackTrace();
        }
    }

采用lambda表达式

 public static void main(String[] args) {
​
        FutureTask<Object> futureTask = new FutureTask<>(()->{
            System.out.println("通过Callable实现多线程、名称："+Thread.currentThread().getName());
            return "这是返回值";
        });

        //FutureTask继承了Runnable，可以放在Thread中启动执行
        Thread thread = new Thread(futureTask);
        thread.setName("demo3");
        thread.start();
        System.out.println("主线程名称:"+Thread.currentThread().getName());
​
        try {
            System.out.println(futureTask.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            //阻塞等待中被中断则抛出
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            //执行过程发送异常被抛出
            e.printStackTrace();
        }
​
​
    }

4.通过线程池创建线程

自定义Runnable接口，实现run方法，创建线程池，调用执行方法并传入对象。

优点：安全高性能，复用线程
缺点: jdk5后才支持，需要结合Runnable进行使用

public class ThreadDemo4 implements Runnable {
​
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("通过线程池+runnable实现多线程，名称："+Thread.currentThread().getName());
    }
}

public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
​
        for(int i=0;i<10;i++){
            executorService.execute(new ThreadDemo4());
        }
​
        System.out.println("主线程名称:"+Thread.currentThread().getName());
​
        //关闭线程池
        executorService.shutdown();
}

• 一般常用的Runnable 和 第四种线程池+Runnable，简单方便扩展，和高性能 (池化的思想)

Java线程常见的基本状态

JDK的线程状态分6种，JVM里面9种。

常见的5种状态

创建(NEW)：生成线程对象，但是并没有调用该对象start()。
​
就绪(Runnable)：当调用线程对象的start()方法，线程就进入就绪状态，但是此刻线程调度还没把该线程设置为当前线程，就是没获得CPU使用权。如果线程运行后，从等待或者睡眠中回来之后，也会进入就绪状态。

运行(Running)：程序将处于就绪状态的线程设置为当前线程，即获得CPU使用权，这个时候线程进入运行状态，开始运行run里面的逻辑。
​
阻塞(Blocked)
等待阻塞：进入该状态的线程需要等待其他线程作出一定动作(通知或中断)，这种状态的话CPU不会分配过来，他们需要被唤醒，可能也会无限等待下去。比如调用wait(状态就会变成WAITING状态)，也可能通过调用sleep(状态就会变成TIMED_WAITING)， join或者发出IO请求，阻塞结束后线程重新进入就绪状态。

同步阻塞：线程在获取synchronized同步锁失败，即锁被其他线程占用，它就会进入同步阻塞状态。

备注：相关资料会用细分下面的状态
    等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
    超时等待(TIMED_WAITING)：该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间后自行返回。

死亡(TERMINATED)：一个线程run方法执行结束，该线程就死亡了，不能进入就绪状态。

多线程开发常用方法

sleep

属于线程Thread的方法；
让线程暂缓执行，等待预计时间之后再恢复；
交出CPU使用权，不会释放锁；
进入阻塞状态TIME_WAITGING，睡眠结束变为就绪Runnable；

yield

属于线程Thread的方法；
暂停当前线程的对象，去执行其他线程；
交出CPU使用权，不会释放锁，和sleep类似；
作用：让相同优先级的线程轮流执行，但是不保证一定轮流；
注意：不会让线程进入阻塞状态，直接变为就绪Runnable，只需要重新获得CPU使用权；

join

属于线程Thread的方法；
在主线程上运行调用该方法，会让主线程休眠，不会释放已经持有的对象锁；
让调用join方法的线程先执行完毕，再执行其他线程；

wait

属于Object的方法；
当前线程调用对象的wait方法，会释放锁，进入线程的等待队列；
需要依靠notify或者notifyAll唤醒，或者wait(timeout)时间自动唤醒；

notify

属于Object的方法；
唤醒在对象监视器上等待的单个线程，选择是任意的；

notifyAll

属于Object的方法；
唤醒在对象监视器上等待的全部线程；

线程的状态转换图

Java中保证线程安全的方法

• 加锁,比如synchronize/ReentrantLock
• 使用volatile声明变量，轻量级同步，不能保证原子性
• 使用线程安全类，原子类AtomicXXX，并发容器，同步CopyOnWriteArrayList/ConcurrentHashMap等
• ThreadLocal本地私有变量/信号量Semaphore等

解析volatile关键字

volatile是轻量级的synchronized，保证了共享变量的可见性，被volatile关键字修饰的变量，如果值发生了变化，其他线程立刻可见，避免出现脏读现象。为什么会出现脏读？JAVA内存模型简称JMM，JMM规定所有的变量存在在主内存，每个线程有自己的工作内存，线程对变量的操作都在工作内存中进行，不能直接对主内存就行操作，使用volatile修饰变量，每次读取前必须从主内存属性获取最新的值，每次写入需要立刻写到主内存中。volatile关键字修修饰的变量随时看到的自己的最新值，假如线程1对变量v进行修改，那么线程2是可以马上看见的。
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volatile：保证可见性，但是不能保证原子性
synchronized：保证可见性，也保证原子性
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