Java并行程序基础
2.1 线程必知
进程:
- 资源分配最小单位
- 进程有自己独立的地址空间，每启动一个进程，系统都会为其分配地址空间，建立数据表来维护代码段、堆栈段和数据段
线程：
- 程序执行的最小单位，轻量级进程
- 线程没有独立的地址空间，它使用相同的地址空间共享数据
- 一个进程里面可以有多个线程
为什么要使用线程？
- 创建一个线程比进程开销小
- CPU切换一个线程比切换进程花费小
- 线程之间通信更方便，同一个进程下，线程共享全局变量，静态变量等数据，进程之间的通信需要以通信的方式（IPC）进行；（但多线程程序处理好同步与互斥是个难点）
- 进程对资源保护要求高，开销大，效率相对较低，线程资源保护要求不高，但开销小，效率高，可频繁切换；
- 缺点：多进程程序更安全，生命力更强，一个进程死掉不会对另一个进程造成影响（源于有独立的地址空间），多线程程序更不易维护，一个线程死掉，整个进程就死掉了（因为共享地址空间）
线程的生命周期
初始线程：线程的基本操作
新建线程
方法一：继承Thread
Thread t = new Thread(()->System.out.println("Hello,this is created by method1"));//需重载run()方法
t.start();
不要用run()启动线程，注意调用start()和run方法的区别
方法二：实现Runnable接口
实现原理：Thread.run()方法直接调用Runnable实现类对象的run()方法，静态代理
public class CreateThread implements Runnable{
@Override
public void run(){
System.out.println("Hello,this is created by method2");
}
public static void main(String[] args){
Thread t = new Thread(new CreateThread());
t.start();
}
}
方法三：使用Callable和future创建带返回值的线程
创建并启动有返回值的线程的步骤如下：
(1)创建。创建Callable接口的实现类，并实现call()方法，然后创建该实现类的实例（从java8开始可以直接使用Lambda表达式创建Callable对象）。
(2)封装。使用FutureTask类来包装Callable对象，该FutureTask对象封装了Callable对象的call()方法的返回值
(3)启动。使用FutureTask对象作为Thread对象的target创建并启动线程（因为FutureTask实现了Runnable接口）
(4)获取返回值。调用FutureTask对象的get()方法来获得子线程执行结束后的返回值
public class myThread3 implements Callable {
@Override
public String call() throws Exception {
return "hello";
}
public static void main(String[] args) {
FutureTask futureTask = new FutureTask<>(new myThread3());
Thread t3 = new Thread(futureTask);
t3.start();
try {
System.out.println(futureTask.get());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
终止线程
- 方法一：stop(),被废弃不推荐使用
为什么呢？结束线程时，会直接终止线程，会引起数据的一致性问题。可以参考TCP的四次挥手机制中，服务端收到客户端的FIN后，并不会立即关闭自己的服务，而是先发送ACK，将自己这边还未发送的数据继续发送，然后再发送FIN
使用stop()而引起的数据不一致的问题：
public class StopThreadUnsafe{
public static User u = new User();
public static class User{
private int id;
private String name;
public User(){
id=0;
name="0";
}
//省略get,set和toString方法
}
public static class ChangeObjectThread extends Thread{
@Override
public void run(){
whie(true){
synchronized(u){
int v = (int)(System.currentTimeMills()/1000);
u.setId(v);
try{
Thread.sleep(100);
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
u.setName(v);
Thread.yield();
}
}
}
}
public static class ReadObjectThread extends Thread{
@Override
public void run(){
whie(true){
synchronized(u){
if(u.getId()!=Integer.parseInt(u.getName())){
System.out.println(u.toString());
}
Thread.yield();
}
}
}
}
public static void main(String[] args){
new ReadObjectThread().start();
while(true){
Thread t = new ChangeObjectThread();
t.start();
Thread.sleep(150);
t.stop();
}
}
}
如何正确停止线程呢？利用volatile修饰的标志位
public static class ChangeObjectThread extends Thread{
volatile boolean stopme = false;
public void stopMe(){
stopme = true;
}
@Override
public void run(){
whie(true){
if(stopme){
System.out.println("exit by stop me");
break;
}
synchronized(u){
int v = (int)(System.currentTimeMills()/1000);
u.setId(v);
try{
Thread.sleep(100);
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
u.setName(v);
Thread.yield();
}
}
}
}
线程中断
- 一种重要的线程协作机制，并不是使线程立即退出，而是给线程一个通知，告诉目标线程，有人需要你退出了，目标线程收到中断通知后，如何处理自行决定
- 与中断有关的三个方法：
public void Thread.interrupt()//中断线程
public boolean Thread.isInterrupt()//判断是否被中断
public static boolean Thread.interrupted()//判断是否被中断，并清除当前中断状态
- 与stopme()手法相似，但中断更厉害，因为wait()和sleep()这类操作也属于中断操作，能被isInterrupt()检测到
public static void main(String[] args){
Thread t1 = new Thread();
@Override
public void run(){
while(true){
if(Thread.currentThread().isInterrupted()){
System.out.println("Interrupted!");
break;
}
}
try{
Thread.sleep(2000);
}catch (InterruptedException e){
System.out.println("Interrupted when sleep");
Thread.currentThread.interrupt();
}
Thread.yield();
}
t1.start();
Thread.sleep(2000);//让当前线程休眠若干时间，抛出一个InterruptedException中断异常
t1.interrupt();
}
注意：Thread.sleep()方法由于中断而抛出异常，在捕获异常后，该中断标志位会被清除，因此要再次设置中断标志位，以让下一次循环的开始检测到中断
等待(wait)和通知(notify)
- 属于Object类的实例方法
public final void wait() throws InterruptedException
public final native void notify()
wait()和notify()是什么：wait()必须与synchronized搭配使用，当一个对象调用wait()方法，则这个对象所处的线程就会进入object对象的等待队列，在这个等待队列中，可能有多个线程都在等待同一个object对象，当object.notify()调用后，就会从等待队列中(完全)随机选择一个线程将其唤醒
wait()和notify()的工作流程：
- 假设有两个线程T1和T2
- T1在执行wait()方法前，先通过synchronized获取object对象的监视器，在wait()方法执行后，释放这个监视器
为什么要释放监视器？
目的是使得其他等待在object对象上的线程不至于因为T1的休眠而全部无法正常执行 - T2在notify()调用前，也必须获得object对象的监视器，由于T1已经释放了监视器，所以T2可以顺利获得，T2执行notify()方法唤醒等待线程
- T1被唤醒后并不会立即去执行后续的代码，而是先尝试重新获取object的监视器，若无法获得，则必须等待这个监视器，当获得这个监视器后，T1开始执行后续代码
案例：
public class NotifyTest {
public final static Object object=new Object();
public static class T1 extends Thread{
@Override
public void run() {
synchronized (object){
System.out.println(System.currentTimeMillis()+":T1 start");
System.out.println(System.currentTimeMillis()+": T1 wait for object");
try {
object.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(System.currentTimeMillis()+": T1 end");
}
}
}
public static class T2 extends Thread{
@Override
public void run() {
synchronized (object){
System.out.println(System.currentTimeMillis()+":T2 start notify object");
object.notify();
System.out.println(System.currentTimeMillis()+":T2 end");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
Thread t1=new T1();
Thread t2=new T2();
t2.start();
t1.start();
}
}
Object,.wait()和Thread.sleep()都能让线程等待若干时间，wait()方法需要被唤醒，在唤醒后hi释放目标对象的锁，而sleep()不会释放任何资源
挂起(suspend)和继续执行(resume)
- 废弃不推荐使用
- 如果rusume在suspend前执行，那么被挂起的线程所占用的锁不会被释放，并且其状态为Runnable，影响对当前状态的判断
例子说明：
如何实现一个可靠的suspend操作呢？利用wait()和notify()
notifyAll()：唤醒等待队列中的所有线程，让他们竞争锁
等待线程结束(join)和谦让(yield)
join
- 应用场景：当一个线程的输入可能依赖于另外一个或多个线程的输出时，当前线程就需要等待依赖线程执行完毕，才能执行
- jdk提供的两个join()操作
//无限期等待，当前线程在目标线程执行完毕前一直阻塞，当前线程一直等着目标线程完毕
public final void join() throws InterruptedException//当前线程会在规定时间内等待目标线程，一旦超过规定时间，当 前线程就不等了，继续向下执行
public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException - 实例程序：
- join的本质：让调用线程wait()在当前线程对象实例上
while(isAlive()){ wait(0); }
yield
public static void yield();
使当前线程让出CPU后继续争夺资源
volatile与Java内存模型（JMM）
volatile
- volatile无法保证一些符合操作的原子性，例如i++；
- 可以保证数据的可见性和有序性
分门别类的管理：线程组
驻守后台：守护线程（Daemon）
- 什么是守护线程？当一个Java应用中只有守护线程时，JVM就会退出
- 注意：setDaemon需在start之前执行
先干重要的事：线程优先级
- 线程优先级高的并不一定先执行，只是拥有更多可以执行的机会
线程安全的概念与synchronized
- 什么是线程安全？
当多个线程访问某个方法时，不管你通过怎样的调用方式或者说这些线程如何交替的执行，我们在主程序中不需要去做任何的同步，这个类的结果行为都是我们设想的正确行为，那么我们就可以说这个类时线程安全的
- 线程不安全的例子：
- synchronized介绍
作用：实现线程间的同步
工作：对同步的代码加锁，使得每一次只能有一个线程进入同步块，从而保证线程间的安全性
- synchronized的多种用法
指定加锁对象：
直接作用于实例方法：
直接作用域静态方法：
synchronized实现线程安全的i++，保证复合操作的原子性
注意：使用Runnable让两个线程关注一个同一个对象锁
错误示范：
使用synchronized的第三种方法进行修正
- synchronized除了线程同步、确保线程安全，还可以保证线程间的可见性和有序性(多个线程串行执行)
程序中的幽灵：隐蔽的错误
出现异常的错误至少可以发现，没有异常的错误例如数据溢出就很难排查
无提示的错误案例
并发下的ArrayList
例子：
可能出现的三种情况
- 程序正常结束
- 程序抛出数组越界异常
- 没有提示的错误
改进方法：使用线程安全的Vector代替ArrayList
并发下诡异的HashMap
HashMap的源码解析
Jdk 8以前为什么 HashMap在多线程下的put操作容易导致链表成环
初学者常见问题：错误的加锁
public class BadLockOnInteger implements Runnable{
public static Integer i=0;
static BadLockOnInteger instance = new BadLockOnInteger();
@Override
public void run(){
for(int j=0;j<10000000;j++){
synchronized(i){
i++;
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(instance);
Thread t1 = new Thread(instance);
t1.start();t2.start();
t1.join();t2.join();
System.out.println(i);
}
}
为什么最终的结果不是20000000？
在Java中Integer属于不变对象，每次对Integer对象进行加法操作时，实际上是新创建了一个Integer对象来表示加完后的结果，因此i++的本质是创建了一个新的Integer对象，并将其引用赋给i，所以在多个线程间，并不一定能够看到同一个对象，代码中两个线程每次加锁可能都在了不同的对象实例上
如何修正?
synchronized(instance)