《Java多线程编程核心技术》知识梳理

《Java多线程编程核心技术》

@author ergwang
https://www.cnblogs.com/ergwang/
文章末尾附pdf和png下载链接

第1章 Java多线程技能

1. 进程与线程 区别？ 联系？

• 这篇博客记录了
  https://www.cnblogs.com/ergwang/p/15997503.html

2. 创建多线程的方式，有几种？怎么创建

• 继承Thread类 (一般不单独用)
• 实现Runnable接口 + Thread对象
• 实现Callable接口+FutureTask<>对象+Thread对象
• 线程池 + (实现Callable接口+FutureTask<>对象)或者(实现Runnable接口)

3. Thread类的常见API

• currentThread() 获取当前线程的信息

• isAlive() 验证当前线程是否存活

• sleep(long millis) 线程休眠

• 线程堆栈相关

  • StackTraceElement[] getStackTrace()
    获取一个标识该线程堆栈跟踪元素数组
  • dumpStack()
    将当前线程的堆栈跟踪信息输出至标准错误流
    （该方法只用于调试）
  • Map<> getAllStackTraces()
    返回所有活动线程的堆栈跟踪的映射

• getId() 获取线程的唯一标识、Id

• 停止线程的几种方式

  • 使用退出标志使流程正常退出，
    如在线程中用使用break、抛异常等

  • 使用stop()强行终止
    【可能会丢数据，已被弃用】

  • 使用interrupt()方法中断线程
    执行这个方法后，会将线程标记为中断，
    【但还会继续执行，直到执行完毕】

    • interrupted()
      判断线程是否已经中断
      【执行后，会将中断线程状态清除！】
    • this.isInterrupted()
      判断this关键字所在的类的对象是否已中断

• 线程的暂停与重启

  • suspend() 暂停线程
    缺点：【独占资源】【易造成数据不完整】
  • resume()
    重启线程

• yield() 释放当前线程所占用的CPU资源

• 线程优先级

  • getPriority() 获取当前线程的优先级
    【最大10 ，最小1】
  • setPriority() 设置当前线程的优先级
    MIN_PRIORITY = 1;
    NORM_PRIORITY = 5;
    MAX_PRIORITY = 10;
  • 优先级具有【继承性】
    A线程启动B线程，则B优先级等于A

• setDaemon(true) 设置当前线程为守护线程

  • Java中的线程分为：
    守护线程
    用户线程(非守护线程)

第2章 线程同步(对象及变量的并发访问)

synchronized 同步方法

• 方法内的变量永远线程安全

• 实例变量线程不安全，怎么解决

  • 同步方法
    同步代码块

• synchronized在字节码指令中的原理

  • 同步方法：
    在class文件中标记了ACC_SYNCHRONIZED
  • 同步代码块：
    class文件中用monitorenter和monitorexit分别表示同步代码块的开始和结束

• 脏读问题

  • 发生脏读：
    因为读取成员变量(实例变量)时，此值已经被其他线程修改了

• synchronized 锁重入

  • 锁重入：
    可以重复加锁，
    有几个锁加几个锁，一层套一层

  • 支持父子类继承

    • 子类同步方法调用父类同步方法，有一层锁是一层，就当是在自己方法里面一样，不会出现线程安全问题

• 重写synchronized方法

  • 如果重写方法不加synchronized关键字，会破坏同步方法

• 抛异常，锁自动释放

• println() 也是同步方法，线程安全

• 【同步方法】锁是对象的锁，不同的对象是不同的锁

• 【缺点】一个对象中多个同步方法，用的同一个锁(都是对象锁)，Thread1调用A方法一直没执行完毕，从而阻塞Thread2调用的B方法。

synchronized 同步代码块

• 同步和异步

  • 区别和联系

    • 同锁 -> 同步
      异锁 -> 异步

  • 各有什么优缺点

    • 同步执行 成员变量线程安全 但效率低
      异步执行 成员变量线程不安全 效率高

  • 什么时候用同步/异步？

    • 操作同一个成员变量的不同方法，要用同一把锁，保证成员变量的线程安全，如果是不同业务，比如执行完毕后发送邮件，就异步执行

• 同步代码块相比于同步方法的优势

  • 同步方法的锁： 同步方法所在类的对象
    同步代码块的锁： 很灵活， 可以是当前方法所在类的对象，也可以是其他类对象(比如Class类对象，String类对象等)

• 锁对象

  • this

    • 当前方法所在类的对象

  • 同步方法的锁对象

    • 当前方法所在类的对象

  • 类名.class

    • Class类的对象

  • 静态同步方法的锁对象

    • Class类的对象

  • 其他类对象

    • 如String、Object等类对象

• 【注1】String做锁对象时

  • 受JVM常量池的影响，如果String的值被改变了，锁就变成了不同锁，会造成线程异步进而可能导致线程不安全问题

• 【注2】锁对象修改对线程同步的影响

  • String常量修改 =》 会影响线程锁
  • 对象属性修改 =》 不会影响线程锁

• 死锁问题

  • 两个线程相互等待对方释放自己的锁

synchronized 同步写法总结

public class MyService{
    public synchronized static void method1(){}
    public static void method2(){
         ssynchronized(MyServcie.class){}
    }
    public synchronized void method3(){}
    public static void method4(){
         ssynchronized(this){}
    }
    public static void method5(){
         ssynchronized("abc"){}
    }
  }

(A) method1 和 method2 持有同一把锁，即：MyService.java 对应的 Class类对象(其实就是Class对象)
(B) method3 和 method4 持有同一把锁，即：MyService.java类的对象 (等同于this)
(C) method5 持有的锁是字符串对象

synchronized 关键字

• 原子性

  • 使用synchronized实现了同步，同步实现了原子性，保证了被同步的代码段在同一时间只被一个线程操作，故实现了原子性

• 可见性

  • B线程马上就能看到A线程修改的数据
    【原理】用volatile或者synchronized修饰的方法，修改读取变量时，强制从公共堆栈读，不从线程私有堆栈中读取。
    【注】线程修改数据，写都是写到公共堆栈中

• 禁止代码重排序

  • JAVA程序运行时，JIT(即时编译器)会根据代码执行时间等动态调整执行顺序，而volatile和synchronized关键字会隔断这种调整，隔断成两块后，前面可以内部调整，后面可以内部调整，但是两块之间不能相互调整了

volatile 关键字

• 原子性

  • 32位系统中，未用volatile声明的long和double数据类型是非原子的，64位则要根据具体实现判断。
    【注】无论32位还是64位，无论用不用volatile声明，i++ 都是一个非原子操作，除非用AtomicInteger声明变量

• 可见性

  • 和synchronized一样，都是强制从公共堆栈读，不从线程私有堆栈中读取。

• 禁止代码重排序

  • 和synchronized一样

总结

• synchronized关键字

  • 作用：保证同一时刻，只有一个线程能执行某个方法或代码块。
    修饰：可以修饰方法、代码块。
    特征：可见性、原子性、禁止代码重排序。
    使用场景：多个线程对同一个对象中的同一个成员变量变量操作时，为了避免出现线程安全问题时使用。

• volatile关键字

  • 主要作用：让其他线程能看到修改后的最新的值。
    修饰：只能修饰变量。
    特征：可见性、原子性、禁止代码重排序。
    使用场景：欲实现一个变量在被A线程修改后，其他线程立马能获取到最新值时候，就用volatile修饰这个变量。

第3章 线程间通信

wait / notify 机制

• 原理

  • 持有相同锁(对象级别的)的多个线程，在wait()处暂停执行，释放锁，直到接到通知，notify() 或者 notifyAll()再获取锁，继续执行。
    【注】锁必须是对象级别的，因为wait(), notify(), notifyAll()是Object类中的，不是Thread类中的方法，所以必须要对象。

• wait()

  • 暂停当前线程，释放锁
    【注】执行wait()方法后，马上暂停线程么，并释放锁

• notify()

  • 发出通知，wait状态的线程可以准备获取锁，开始执行了，只能通知“一个”线程，唤醒顺序同执行wait()顺序一致
    【注】执行notify()方法后，不是马上暂停当前线程，而是要将当前线程同步代码块执行完毕后，才释放锁，故wait状态的线程也要等它执行完毕才能抢到锁

• notifyAll()

  • 发出通知，wait状态的线程可以准备获取锁，开始执行了，默认按照执行wait()相反的顺序依次唤醒全部线程
    【注】锁释放时机同notify()

• 释放锁的时机

  • wait() 立即释放
  • notify() / notifyAll() 同步代码块执行完毕后再释放

• wait(long time)

  • 如果线程超过time时间没有被唤醒，则自动醒来，但是要执行的前提条件是再次持有锁，没有持有锁的话，一直等待，直到拿到锁才开始执行
    time的单位为毫秒，其他用法一致

• wait() 与 sleep()的区别

  • wait() 线程阻塞，立即释放锁
    sleep() 线程阻塞，不 释放锁

• 用while替代if

  • 执行wait()后，线程阻塞，当线程醒来的时候

    • 用if 不会再判断条件，直接运行
    • 用while 会再次判断条件，满足条件才运行

• 生产者消费者模型的几种实现

  • 不带缓冲区

    • 1生产 1消费 操作值
    • 多生产 多消费 操作值

  • 带缓冲区

    • 1生产 1消费 操作栈
    • 1生产 多消费 操作栈
    • 多生产 1消费 操作栈
    • 多生产 多消费 操作栈

• 管道流通信

  • 特殊的流，用于在不同的线程间直接传输数据
  • 字节流
  • 字符流

• 【案例】利用wait/notify实现数据库交叉备份

join() 方法的使用

• 使用场景

  • 主线程要获取子线程的结果时，要用到join()，和使用Callable接口和FutureTask效果类似

• join() 原理

  • 主线程中，子线程调用此方法，则会相当于主线程执行wait()方法，直到子线程执行完毕，会通知主线程，主线程拿到锁以后继续执行

• join() 与 sleep() 的区别

  • join() 是线程间通信，释放锁 (主线程执行wait()，子线程执行完毕后通知主线程)
    sleep() 是线程内部通信，不释放锁

• join(long time)

  • 不管子线程是否执行完毕，到时间后，且主线程拿到锁后，主线程就继续往下执行

• join() 和 interrupt() 同时使用出现异常

  • 彼此遇到会出现 InterruptedException，终止的是主线程，子线程还在继续

• join(long time) 后面的代码可能提前运行，其实就是锁的问题

类ThreadLocal 的使用

• 原理及作用
• get() / set()
• 隔离性验证
• 重写initialValue() 方法解决get() 方法返回null的问题
• 不能实现值继承

类InheritableThreadLocal 的使用

• 原理及其作用

• 验证

  • 子线程将父线程中的table对象以 复制 的方式赋值给子线程的table

• 值继承

  • 父线程新值 子线程旧值
  • 父线程旧值 子线程新值

• 对象继承

  • 父子统一

• 重写childValue() 方法，对值进行加工

线程的生命周期

• 图源：https://blog.csdn.net/dongcheng_2015/article/details/116848394

第4章 Lock 对象的使用

使用ReentrantLook类

重进入锁

• 相比于synchronize关键字实现线程间同步，ReentrantLook更加灵活，如具有嗅探锁定、多路分支通知等功能

• 线程间通信

  • ReentrantLock实现了java.util.concurrent.locks包中的Lock接口，利用ReentrantLock对象中的lock()和unlock() 方法可以实现线程间同步，ReentrantLock具有互斥排他性。

• 结合Condition对象实现线程间通信

  • 利用Condition对象的await()和signal() 方法实现wait()/notify()机制

  • 线程对象注册在不同的Condition中，可以实现有选择性地进行线程通知（多路分支通知）

  • 【注】必须在condition.await() 之前调用lock.lock()获取锁，因为Condition对象的await()方法执行后会将线程转换为wait状态，并释放锁

  • await() 方法暂停线程运行的原理
    (这一块暂时不理解）

    • 内部执行了Unsafe类中的park() 方法

• 生产者消费者模型

• 公平锁与非公平锁

  • 公平锁

    • 先用先得，必须排队，排队尾

  • 非公平锁

    • “有机会插队”，先抢锁，抢不到再排到队尾去

• 实现

  • ReentrantLock默认是非公平锁
  • 构造公平/非公平锁的构造函数
    public ReentrantLock(boolean fair)
    true => 公平锁
    false => 非公平锁

• API

  • public int getHoldCount()

    • 查询“当前线程”保持锁定的个数，
      即调用lock()方法的次数

  • public final int getQueueLength()

    • 获取正等待获取此锁的估计数，
      【注】已经获取锁的不算

  • public int getWaitQueueLength(Condition condition)

    • 获取与此锁相同的condition且正等待中的线程估计数

  • public final boolean hasQueuedThread(Thread thread)

    • 判断参数中的线程是否在等待获取锁的队列中

  • public final boolean hasQueuedThreads()

    • 判断是否在等待获取当前锁的队列中

  • public final boolean hasWaiters(Condition condition)

    • 查询是否有线程执行了参数中的condition.await() 方法而呈等待状态

  • public final boolean isFair()

    • 判断当前锁是不是公平锁

  • public boolean isHeldByCurrentThread()

    • 判断当前线程是否持有当前锁

  • public final boolean isLocked()

    • 判断当前锁是不是已经被获取且没有释放

  • public void lockInterruptibly()

    • 当某个线程尝试获得锁并且阻塞在lockInterruptibly() 方法时，该线程可以被中断

  • public boolean tryLock()

    • 嗅探拿锁，判断当前锁能不能拿到(没有被持有)，能就拿到返回true

  • public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)

    • 嗅探拿锁，判断当前锁能不能在有限时间内(timeout)拿到(没有被持有)，能就拿到返回true

  • public boolean await(long timeout, TimeUnit unit)

    • 线程等待，一段时间后自动唤醒线程，单位毫秒

  • public long awaitNanos(long nanosTimeout)

    • 线程等待，一段时间后自动唤醒线程，单位纳秒

  • public boolean awaitUntil(Date deadline)

    • 线程等待，在deadline时自动唤醒，单位毫秒

  • public void awaitUninterruptiably()

    • 线程等待过程中，不允许被中断

使用ReentrantReadWriteLook类

读写锁

• 原理与使用

  • 读操作相关的锁——共享锁

  • 写相关的锁——排他锁

  • 读写分离，提高系统效率
    因为读几乎不需要同步，大家都可以读，但是写必须保证数据同步，所以可以只加“写锁”，不加“读锁”

  • Demo

    • ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
      ……
      lock.readLock().lock();
      lock.writeLock().lock();
      ……
      lock.readLock().unlock();
      lock.writeLock().unlock();

• 读读共享

• 写写互斥

• 读写互斥

• 写读互斥

第5章 定时器 Timer

原理及使用

• 1. MyTask继承TimerTask类，重新run()方法

2. 新建Timer对象，调用其不同的schedule方法实现定时任务

• 创建Timer对象的时候，会启动一个新的非守护线程TimerThread，且线程中存在一个死循环导致线程一直运行，可以调用timer.cancel()方法终止计时器

• timer.cancel()方法
  在多任务的Timer对象中调用时，会优先清空任务队列(已经在执行的任务不受影响)，然后再销毁进程

• 多任务Timer对象中执行task任务的算法
  每次最后一个执行的放入队列头，
  如：第一次 ABC，
  第二次 CAB,
  第三次 BCA

• 执行情况

  • 正常执行
    单个TimerTask任务
    多个TimerTask任务，但时间没有交集，
  • 立即执行
    计划执行的时间早于当前时间
  • 延时执行
    因为前面的任务可能消耗的时间比较长，后面的任务就会被延后

API

• schedule(TimerTask task, Date time)

  • 指定时间执行一次某任务

• schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period)

  • 指定时间之后，按照间隔时间无限循环执行某一个任务

• schedule(TimerTask task, long delay)

  • 以当前时间点为基准，delay毫秒后执行一次任务

• schedule(TimerTask task, long delay, long period)

  • 以当前时间点为基准，delay毫秒后
    按照间隔时间无限循环执行任务

• scheduleAtFixedRate(TimerTask task, long firstTime, long period)

  • 与schedule()方法一样，只是加了【追赶性】
    【大白话】这个方法就是要把无论因为某某原因导致延迟、没执行的任务，全部补上，补上后就和schedule()一样了

第6章 单例模式与多线程

单例模式特征

• 单例模式特点：

1. 一个类只有一个实例
2. 自行实例化，并且向整个系统提供
3. 反序列化时不会重新实例化对象

• 实现关键点：

1. 私有化构造函数
2. 自行实例化单个对象
3. 使用静态方法提供自行实例化的单个对象

单例模式的使用场景

• 最好只能有一个对象存在的场景时使用单例模式。
  如：1. 日志系统，只需要一个日志系统记录全局的
  2. id生成器，保证id唯一性，单例更合适
  3. 计时器、计数器，都是保证数据准确
  4. 多数多线程的线程池，方便线程管理
  5. 数据库连接，资源重用，减少频繁开关的资源消耗

几种不同单例模式的实现

• 饿汉模式 / 立即加载

  • 类加载的时候实例化
    优点：线程安全
    缺点：

1. 资源可能浪费
2. 不能出现其他实例变量(不能传参)，否则可能线程不安全

• 懒汉模式 / 延迟加载

  • DCL 双检查锁

    • 第一次调用时实例化
      优点：延迟加载，可能节省资源
      缺点：必须实现同步，否则线程不安全
    • DCL——Double-Check Locking，双检查锁
      保证线程安全，提高多线程下效率
    • 用volatile修饰实例变量的必要性

1. 实现实例变量线程间可见

2. 禁止实例化时代码重排序

   • 静态内部类

     • 第一次调用时实例化
       优点：

3. 线程安全

4. 延迟加载
   缺点：
   实例化时不能传参

   • 实现原理：
     利用类加载的特点（即：外部类加载时，并不需要立即加载内部类，内部类不被加载则不实例化）实现单例实例化和延迟加载，又因为静态内部类线程安全的特性，保证了整体的线程安全。
     【内部类线程安全的原理不理解，摘抄自网上】

   • 内部类线程安全的原理：
     虚拟机会保证一个类的 ()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的 ()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行 ()方法完毕。如果在一个类的 ()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞(需要注意的是，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行 ()方法后，其他线程唤醒之后不会再次进入 ()方法。同一个加载器下，一个类型只会初始化一次。)
     【引用】 https://blog.csdn.net/mnb65482/article/details/80458571

   • static代码块

     • 原理
       利用静态代码块的特性（使用类时加载静态代码块）实现
       优点：

5. 延迟加载

6. 线程安全
   缺点：不能传参

   • 【我感觉】这东西就是饿汉模式实现了延迟加载，也是一种懒汉模式的实现吧

   • enum枚举

     • 原理
       利用枚举类的特性（使用枚举类时，自动调用其构造方法）实现
       优点：延迟加载、线程安全
       缺点：不能传参
     • 和静态代码块实现差不多呀。。。。

序列化与反序列化

• 使用默认反序列行为
  单例模式下的对象也会变成多例
• 保证序列化和反序列化后单例的条件：

1. 单例模式的类必须实现Serializable接口
2. 且必须在同一个类中实现序列化和反序列化操作
3. 且反序列化必须调用readResolve()方法

第7章 拾遗补漏

线程的状态

• 状态信息存储在Thread.State枚举类中

• 线程的五种状态

  • NEW

    • 至今尚未启动的线程状态

  • RUNABLE

    • 正在Java虚拟机中执行的线程状态

  • BLOCKED

    • 受阻塞，且等待某个监视器锁的线程状态

  • WAITING

    • 无限等待另一个线程执行某一操作的线程状态

  • TIMED_WAITING

    • 有时间限制地等待另一个线程执行某一操作的线程状态

  • TERMINATED

    • 已退出的线程状态

• 线程的生命周期

• 根据书上的图简化了一点

线程组

• 线程组实现和特性

  • ThreadGroup类
  • 一级关联(常用)
    多级关联(不常用)
  • 线程自动归组属性

• ThreadGroup类中的API

  • activeCount()

    • 获取当前线程组中子线程组的数量

  • enumerate(ThreadGroup array[])

    • 将当前线程组中的子线程 复制 到数组中
    • enumerate(ThreadGroup array[], boolean recurve)
      true 递归复制，false 非递归

  • ThreadGroup.getParent()

    • 获取父线程组
    • 【根线程组】system，再往上就抛空指针了

• Thread类中的API

  • activeCount()

    • 返回 当前线程 的线程组 中活动线程的数目

  • enumerate(Thread tarray[])

    • 调用 当前线程 的线程组 的enumerate()方法

• 再次实现线程执行有序性

  • “没看懂这个。。。。”

SimpleDateFormat类 非线程安全

• 非线程安全原因：单例
• 解决办法：

1. 多例，每次使用都new一个
2. 使用ThreadLocal 保证其线程安全

线程中异常处理

• 异常处理

  • 线程中处理
  • 线程组内处理

• 异常处理优先级

  • 调用过setUncaughtExceptionHandler()方法的优先处理，其他的不处理了

思维导图

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