【多线程】线程的状态和线程安全问题
文章目录
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- 线程的状态
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- 1.NEW
- 2.TERMINATED
- 3.小结一下
- 4.RUNNABLE
- 5.TIMED_WAITING
- 6.BLOCKED
- 7.WAITING
- 8.总结
- 线程安全
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- 1.什么是线程安全，什么又是线程不安全？
- 2.一个线程不安全的案例
- 3.如何解决线程不安全问题？
- 4.造成线程不安全的4大主要原因，和解决办法
线程的状态
1.NEW
NEW:表示我们现在已经把线程类创建出来的，但是现在还没有使用start()方法进行线程启动。
代码示例：
2.TERMINATED
TERMINATED:表示线程在执行结束该线程中的代码之后，那么系统中的这个线程就销毁了，但是我们以前创建出的Thread实例依然还在。
代码示例
3.小结一下
在上述中的两个状态 NEW和TERMINATED都是java自己搞出来的，和咱们操作系统中的PCB没有任何关系。
4.RUNNABLE
RUNNABLE:表示此时我们创建出来的线程，在就绪队列中。此时在就绪队列中的线程，随时都可以加载到CUP上去执行。此时在就绪队列中的线程要么是 正在执行，要么就是还没有被执行，但将要被进行调度。总的来说，在线程中如果没有出现sleep()操作，也没有导致线程阻塞的操作，那么此时的线程状态大概率都是处于RUNNABLE状态的。
代码演示：
5.TIMED_WAITING
TIMED_WAITING:**表示当前线程中存在阻塞。**在代码中存在sleep()方法，或者join(超时时间)这样的能够导致线程进入阻塞状态的方法。
代码示例：
6.BLOCKED
BLOCKED也表示当前线程存在阻塞状态，一般我们在对线程进行加锁的时候，就会触发该状态。当时我们现在还没有仔细介绍加锁操作，所以在这里不做详细介绍。
7.WAITING
WAITING:也表示当前线程存在阻塞状态，一般我们在等待线程唤醒的时候，也就是使用wait()方法使线程处于阻塞状态，之后通过notify()方法把线程唤醒。在后期的博客中我们就会介绍到wait()和noitfy()两个方法。
8.总结
我们学习了上述的线程状态，那么为什么java要对线程进行细分呢？
因为通过这样对线程状态的细分，这样可以在程序员工作的时候减轻负担。也就是简单的说我们在日常的程序开发过程中，可能会遇到"线程卡死"的时候，第一步就可以先看看当前程序里的各种关键的相爱难成所处的状态。在这里我们也知道了线程阻塞的3个不同的状态。
那么如果我们在开发的过程中，对线程的状态进行检查。
如果此时的阻塞状态为 WAITING 那么就是线程在等待唤醒
如果当前的阻塞状态为 BLOCKED 那么就可以推断当前别的线程在进行加锁操作，加锁结束后才能执行这个线程。
如果当前的阻塞状态为 TIME_WAITING 那么就可以推断当前线程处于阻塞状态，过一段时间之后，阻塞就会被解除。
线程状态转换图：
在上述转换图中 NEW—>RUNNABLE—>TERMINTED是主线任务，其他都是支线任务。在我们执行线程代码的时候，最主要执行的是RUNNABLE一定是主线任务。在RUNNABLE中执行一些特殊的操作，使线程进入阻塞状态。
线程安全
线程安全问题这一块的知识是非常重要的，未来在面试的时候，只要面试官问到了相关多线程的问题，可定逃不过线程安全。
同时在我们日常开发的时候，也会经常会遇到线程安全的相关问题。
1.什么是线程安全，什么又是线程不安全？
我们可以这样理解，操作系统调度线程的时候是随机调度的(抢占式执行)，正因为这样的随机性，就可能导致程序在执行的时候出现一些bug!!!
如果因为这样的随机性调度，引入了bug,那么就认为当前线程是线程不安全的。
如果因为杨洋的随机性调度，没有引入bug,那么就认为当前线程是线程安全的。
这里的线程安全指的是在代码执行的时候没有bug产生。我们平时所说的安全都是关于黑客是不是侵入了你的计算机，破坏你的系统。
2.一个线程不安全的案例
使用两个线程对同一个整形变量实现自增效果。
在两个线程中，每个线程都对这个整形变量自增5000次，看看最后这个整形变量自增的结果是多少。
代码如下：
在上述的代码中，两个线程对一个整形变量进行自增，我们可以从运行结果中看出不是我们预期得到的结果，那么此时就产生了bug!!!线程就会不安全
那么为什么会线程不安全呢？
其实原因只有一个，那就是两个线程在对一个整形变量进行自增的时候，同时自增的时候，原本是在原来count的基础上对其进行增加2,但是由于多线程的随机性，就在原来的基础上就只增加了1
我们要从count++入手，那么count++到底干了什么呢？
我们此时就要站到CPU的角度来看待，count实际上增加了两个
其实在CPU上count++分为了3个指令。
把内存中的count的值加载到CUP寄存器中。
把寄存器中的值，给+1
把寄存器中的值写回到寄存器中。
图示：
那么我们在看看两个线程在对一个整形变量进行自增的时候，count++在CUP和内存中指的变化。
那么有些同学就会问，为什么能自增到8000，为什么就不能够自增到4000,3000呢？
其实累加的结果是5000----10000之间。
程序在并发相加的时候，有的时候可能是串行执行的(+2)，有的时候是交错执行的(+1)，具体串行的有多少，交错的有多少，咱们不知道，都是随机执行的。
在极端情况下：
如果所有的操作都是串行执行的，此时的结果就是10000(可能出现，但是是下概率事件)
如果所有的操作都是交错执行的，此时的结果就是5000(可能出现，但是也是小概率事件)
3.如何解决线程不安全问题？
加锁！！！
但是这样变成串行的，那么就和单向成没撒区别了。
加了锁之后，并发的程度就降低了，此时数据就更可靠了，但是速度就慢了。此时肯定有些童鞋会想有没有一种方案，即可以计算正确，执行线程代码的速度又不会变慢的方法呢？
很可惜没有，要线程安全总是要付出一点代价的嘛。
还有童鞋想，既然加锁之后，线程就变成串行执行了，那么在以后的日常开发中，多线程都是串行执行了吗，串行执行和单线程执行没有区别呀？
其实我们在日常开发的时候，一个线程中的任务有很多。
例如：有四个步骤，步骤一… 步骤二… 步骤三… 步骤四… 其实很可能只有在步骤四中会涉及到线程安全问题。只针对步骤4加锁即可，此时上面的步骤1,2,3都可以并发执行
加锁之后的执行代码：
总结：
- 在java中加锁操作有很多种，最常见的就是适应synchronized这样的关键字给方法直接加上，此时进入方法，就会自动加锁，离开方法就会自动解锁。
- 当一个线程加锁成功之后，要想对其他的线程进行加锁，就会产生阻塞，此时对应的线程就处于BLOCKED状态。
- 阻塞会一直持续到，占用锁的线程把所释放为止。
- 不是所有的线程都需要加锁，如果所有的线程都进行加锁，那么多线程就会形同虚设。
4.造成线程不安全的4大主要原因，和解决办法
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线程是抢占式执行的，线程间的调度充满了随机性(线程不安全的万恶之源) 虽然是根本原因但是我们还是无可奈何
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在多个线程中，对一个变量进行修改(如果多个线程对一个变量读没事，如果多个线程对不同的变量修改也没事) 解决办法：可以通过调整代码的结构，使不同的线程操作不同的变量。
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针对变量的操作不是原子的
一个操作就相当于一个原子，如果在一个程序中有多个指令操作，将几个操作打包成一个整体，要么成一个整体统一执行，要么操作都不执行。
我们学了加锁操作，就可以利用加锁操作，让原本针对变量操作不是原子性的，加上synchronized之后，把针对变量操作的指令打吧成一个整体，统一执行打包后的指令。
在上述两个线程针对同一个变量自增时，针对count++中的3个指令操作，进行打包，把它整成原子性的，这样就线程安全了。
**我们现在就可以解锁synchronized的一个功能：**synchronized关键字可以让原本针对变量的操作不是原子的变成原子的。
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内存可见性问题
内存可见性问题，也会影响到线程安全。
针对同一个变量，一个线程进行读操作(循环进行很多次),一个线程进行修改操作(何时的时候执行一次)
如图：
在该图中，t1线程在不停的在内存中读取数据，t2线程在合适的时候对一个变量进行修改。
相关代码：
我们此时可以看到在运行结果中，没有出现 t1线程执行结束，那么证明t1线程还在执行中，整个程序还没有执行结束。
当我们把isQuit的值进行改变之后，本应该在t1线程中的while循环，应该会跳出循环，执行sout语句，但是它没有，这就会带来bug,从而就会产生线程不安全问题。
其实就是如果main线程中的isQuit迟迟没有进行修改，在t1线程中的while循环中的 isQuit == 0,每次都要在内存中读取isQuit的数据，并进行判断，他会发现isQuit的值始终没有得到修改。那么为了代码的优化，直接在寄存器中读取isQuit的数据，但是如果main线程中的isQuit的值发生改变，那么t1线程就不会感知到isQuit的值发生改变，t1线程就会一直在寄存器中读取isQuit的数据。
PS：其实产生内存可见性问题的原因就是 java编译器进行代码优化产生的效果，编译器就会对程序员写出的代码做出一些调整，保证原有逻辑不变的前提下，程序的执行效率能够大大提升。但是在多线程中是可能翻车的，多线程代码在执行的时候的一个不确定性，编译器编译阶段，很难预知执行行为。进行优化很可能会产生误判。
那么解决内存可见性问题的方法是什么呢？
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我们可以使用synchronized关键字
synchronized不更能保证指令的原子性，同时也能保证内存可见性，被synchronized修饰过得代码，编译器就不会轻易的做出上述假设，相当于手动禁用了编译器的优化。
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使用volatile关键字
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volatile和原子性无关，但是能够保证内存可见性，禁用编译器做出的优化，编译器每次判定相等都会重新从内存中读取isQuit的值。
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使用volatile 关键字
PS：内存可见性是属于编译器优化范围内的一个典型案例。编译器优化本身就是一个玄学问题，对于普通的程序员来说，啥时候优化，啥时候不优化，很难说。
5.指令重排序，也会影响到线程安全问题
指令重排序也是编译器优化的一种操作。
这样的重排序，在多线程中也屡见不鲜，如果代码时单线程的，编译器一般都很准。但是如果是多线程程序的话，编译器就可能会产生误判。
那么如何解决指令重排序问题呢？
我们还要使用synchronized，现在我们已经解锁了synchronized使用的三个场景，它不光能保证原子性，还可以保证能存可见性，同时还能禁止指令重排序。