JUC并发编程--------基础篇
一、多线程的相关知识
栈与栈帧
我们都知道 JVM 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存是给谁用的呢？其实就是线程，每个线程启动后，虚拟 机就会为其分配一块栈内存。 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法
线程上下文切换
上下文切换可以更详细地描述为内核(即操作系统的核心)对CPU上的进程(包括线程)执行以下活动:
1. 暂停一个进程的处理，并将该进程的CPU状态(即上下文)存储在内存中的某个地方
2. 从内存中获取下一个进程的上下文，并在CPU的寄存器中恢复它
3. 返回到程序计数器指示的位置(即返回到进程被中断的代码行)以恢复进程。
从数据来说，以程序员的角度来看， 是方法调用过程中的各种局部的变量与资源； 以线程的角度来看， 是方法的调用栈中存储的各类信息。
引发上下文切换的原因一般包括：线程、进程切换、系统调用等等。上下文切换通常是计算密集型的，因为涉及一系列数据在各种寄存器、 缓存中的来回拷贝。就CPU时间而言，一次上下文切换大概需要5000~20000个时钟周期，相对一个简单指令几个乃至十几个左右的执行时钟周期，可以看出这个成本的巨大。
因为以下一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码
- 线程的 cpu 时间片用完
- 垃圾回收
- 有更高优先级的线程需要运行
- 线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法
当 Context Switch（上下文切换） 发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应的概念 就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条 jvm 指令的执行地址，是线程私有的 状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等 Context Switch 频繁发生会影响性能
并行于并发
- 并行Parallel：在同一时刻，有多个指令在多个CPU上同时执行。
- 并发Concurrent：在一段时间内，有多个指令在单个CPU上交替执行。
进程和线程的区别
- 进程：是正在运行的程序
- 独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位
- 动态性：进程的实质程序的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的
- 并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行
- 线程：是进程中的单个顺序控制流，是一条执行路径
- 单线程：一个进程如果只有一条执行路径，则称为单线程程序
- 多线程：一个进程如果有多条执行路径，则称为多线程程序
线程状态介绍
- 当线程被创建并启动以后，它既不是一启动就进入了执行状态，也不是一直处于执行状态。线程对象在不同的时期有不同的状态。那么Java中的线程存在哪几种状态呢？Java中的线程状态被定义在了java.lang.Thread.State枚举类中
State枚举类的源码如下：
public class Thread {
public enum State {
/* 新建 */
NEW ,
/* 可运行状态 */
RUNNABLE ,
/* 阻塞状态 */
BLOCKED ,
/* 无限等待状态 */
WAITING ,
/* 计时等待 */
TIMED_WAITING ,
/* 终止 */
TERMINATED;
}
// 获取当前线程的状态
public State getState() {
return jdk.internal.misc.VM.toThreadState(threadStatus);
}
}通过源码我们可以看到Java中的线程存在6种状态，每种线程状态的含义如下
| 线程状态 | 具体含义 |
|---|---|
| NEW | 一个尚未启动的线程的状态。也称之为初始状态、开始状态。线程刚被创建，但是并未启动。还没调用start方法。MyThread t = new MyThread()只有线程象，没有线程特征。 |
| RUNNABLE | 当我们调用线程对象的start方法，那么此时线程对象进入了RUNNABLE状态。那么此时才是真正的在JVM进程中创建了一个线程，线程一经启动并不是立即得到执行，线程的运行与否要听令与CPU的调度，那么我们把这个中间状态称之为可执行状态(RUNNABLE)也就是说它具备执行的资格，但是并没有真正的执行起来而是在等待CPU的度。 |
| BLOCKED | 当一个线程试图获取一个对象锁，而该对象锁被其他的线程持有，则该线程进入Blocked状态；当该线程持有锁时，该线程将变成Runnable状态。 |
| WAITING | 一个正在等待的线程的状态。也称之为等待状态。造成线程等待的原因有两种，分别是调用Object.wait()、join()方法。处于等待状态的线程，正在等待其他线程去执行一个特定的操作。例如：因为wait()而等待的线程正在等待另一个线程去调用notify()或notifyAll()；一个因为join()而等待的线程正在等待另一个线程结束。 |
| TIMED_WAITING | 一个在限定时间内等待的线程的状态。也称之为限时等待状态。造成线程限时等待状态的原因有三种，分别是：Thread.sleep(long)，Object.wait(long)、join(long)。 |
| TERMINATED | 一个完全运行完成的线程的状态。也称之为终止状态、结束状态 |
各个状态的转换，如下图所示：
情况 1 NEW --> RUNNABLE
当调用 t.start() 方法时，由 NEW --> RUNNABLE
情况 2 RUNNABLE <--> WAITING
t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后 调用 obj.wait() 方法时，t 线程从 RUNNABLE --> WAITING ，调用 obj.notify() ， obj.notifyAll() ， t.interrupt() 时 竞争锁成功，t 线程从WAITING -->RUNNABLE ，竞争锁失败，t 线程从WAITING --> BLOCKED
情况 3 RUNNABLE <--> WAITING
当前线程调用 t.join() 方法时，当前线程从 RUNNABLE --> WAITING ，注意是当前线程在t 线程对象的监视器上等待 t 线程运行结束，或调用了当前线程的 interrupt() 时，当前线程从 WAITING --> RUNNABLE
情况 4 RUNNABLE <--> WAITING
当前线程调用 LockSupport.park() 方法会让当前线程从 RUNNABLE --> WAITING 调用 LockSupport.unpark(目标线程) 或调用了线程 的 interrupt() ，会让目标线程从 WAITING -->
RUNNABLE
情况 5 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING
t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后 调用 obj.wait(long n) 方法时，t 线程从 RUNNABLE --> TIMED_WAITING ，t 线程等待时间超过了 n 毫秒，或调用 obj.notify() ， obj.notifyAll() ， t.interrupt() 时 ，竞争锁成功，t 线程从TIMED_WAITING --> RUNNABLE ，竞争锁失败，t 线程从
TIMED_WAITING --> BLOCKED
情况 6 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING
当前线程调用 t.join(long n) 方法时，当前线程从 RUNNABLE --> TIMED_WAITING
注意是当前线程在t 线程对象的监视器上等待 ，当前线程等待时间超过了 n 毫秒，或t 线程运行结束，或调用了当前线程的 interrupt() 时，当前线程从 TIMED_WAITING --> RUNNABLE
情况 7 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING
当前线程调用 Thread.sleep(long n) ，当前线程从 RUNNABLE --> TIMED_WAITING
当前线程等待时间超过了 n 毫秒，当前线程从 TIMED_WAITING --> RUNNABLE
情况 8 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING
当前线程调用 LockSupport.parkNanos(long nanos) 或 LockSupport.parkUntil(long millis) 时，当前线 程从 RUNNABLE --> TIMED_WAITING ，调用 LockSupport.unpark(目标线程) 或调用了线程 的 interrupt() ，或是等待超时，会让目标线程从 TIMED_WAITING--> RUNNABLE
情况 9 RUNNABLE <--> BLOCKED
t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁时如果竞争失败，从RUNNABLE --> BLOCKED
持 obj 锁线程的同步代码块执行完毕，会唤醒该对象上所有 BLOCKED的线程重新竞争，如果其中 t 线程竞争 成功，从 BLOCKED --> RUNNABLE ，其它失败的线程仍然 BLOCKED
情况 10 RUNNABLE <--> TERMINATED
当前线程所有代码运行完毕，进入 TERMINATED
二、创建线程的几种方式
继承Thread类
方法介绍：
实现步骤：
- 定义一个类（MyThread），继承Thread类
- 在MyThread类中实现run()重写
- 创建MyThread类对象
- 启动线程，调用start()放法
代码实现：
public class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
for(int i=0; i<100; i++) {
System.out.println(i);
}
}
}
public class MyThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
MyThread my1 = new MyThread();
MyThread my2 = new MyThread();
my1.start();
my2.start();
}
}实现Runnable接口
实现步骤：
- 定义一个类（MyRunnable），实现Runnable接口
- 在MyRunnable类中重写run()方法
- 创建MyRunnable类对象
- 创建Thread对象，将创建的MyRunnable类作为Thread对象构造方法的参数传入
- 调用Thread对象的start()方法
代码实现：
public class MyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
for(int i=0; i<100; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i);
}
}
}
public class MyRunnableDemo {
public static void main(String[] args) {
//创建MyRunnable类的对象
MyRunnable my = new MyRunnable();
//创建Thread类的对象，把MyRunnable对象作为构造方法的参数
//Thread(Runnable target)
// Thread t1 = new Thread(my);
// Thread t2 = new Thread(my);
//Thread(Runnable target, String name)
Thread t1 = new Thread(my,"坦克");
Thread t2 = new Thread(my,"飞机");
//启动线程
t1.start();
t2.start();
}
}实现callable接口
方法介绍：
实现步骤：
- 创建一个类(MyCallable)实现Callable接口
- 重写Callable中的call()方法
- 创建MyCallable对象
- 创建Future实现类FutureTask对象，把Mycallable作为构造方法的参数
- 创建Thread对象，把FutureTask作为构造方法的参数
- 启动Thread线程，调用start()方法
- 调用FutureTask的get()方法，获取Mycallable的返回值，get方法会一直等待线程执行完获取结果，必须要放在start后面，否则会一直等待
代码实现：
public class MyCallable implements Callable {
@Override
public String call() throws Exception {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("跟女孩表白" + i);
}
//返回值就表示线程运行完毕之后的结果
return "答应";
}
}
public class Demo {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
//线程开启之后需要执行里面的call方法
MyCallable mc = new MyCallable();
//Thread t1 = new Thread(mc);
//可以获取线程执行完毕之后的结果.也可以作为参数传递给Thread对象
FutureTask ft = new FutureTask<>(mc);
//创建线程对象
Thread t1 = new Thread(ft);
//开启线程
t1.start();
String s = ft.get();//该方法会一直等到线程执行完获取返回值，否则会一直等待，所以要放在start方法后面
System.out.println(s);
}
} 三种创建方式的区别
实现Runnable、Callable接口的的优点：
- 好处：扩展性强，实现该接口的同时，还可以继承其他类
- 缺点：编程相对复杂，不能直接调用Thread类方法
继承Thread类：
- 好处：编程相对简单，可以直接调用Thread类方法
- 缺点：可以拓展性较差，不能再继承其他类
Runnable和Callable的区别：
- Runnable规定的方法是run(),Callable规定的方法
- Runnable的run()方法不能抛出异常，而Callable的call()方法可以抛出异常
- Runnable执行完毕后没有返回值，而Callable执行完毕后有返回值
- Callable可与通过Future的实现类FutureTask的get()方法计算返回值
Thread和Runnable的区别：
Thread才是Java里对线程的唯一抽象，Runnable只是对任务（业务逻辑）的抽象。Thread可以接受任意一个Runnable的实例并执行。
因为Future只是一个接口，所以是无法直接用来创建对象使用的，因此就有了FutureTask。FutureTask类实现了RunnableFuture接口，RunnableFuture继承了Runnable接口和Future接口，而FutureTask实现了RunnableFuture接口。所以它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值。因此我们通过一个线程运行Callable，但是Thread不支持构造方法中传递Callable的实例，所以我们需要通过FutureTask把一个Callable包装成Runnable，然后再通过这个FutureTask拿到Callable运行后的返回值。
新启线程有几种方式？
这个问题的答案其实众说纷纭，有2种，3种，4种等等答案，建议比较好的回答是：
按照Java源码中Thread上的注释：
官方说法是在Java中有两种方式创建一个线程用以执行，一种是派生自Thread类，另一种是实现Runnable接口。
当然本质上Java中实现线程只有一种方式，都是通过new Thread()创建线程对象，调用Thread#start启动线程。
至于基于callable接口的方式，因为最终是要把实现了callable接口的对象通过FutureTask包装成Runnable，再交给Thread去执行，所以这个其实可以和实现Runnable接口看成同一类。
而线程池的方式，本质上是池化技术，是资源的复用，和新启线程没什么关系。
所以，比较赞同官方的说法，有两种方式创建一个线程用以执行。
三、多线程的常见方法
start和run
- run：是多线程的方法体，调用多线程时执行的代码块，如果直接调用run那么就像直接调用方法一样，不会启动多线程（正确方法时通过调用start方法启动多线程执行run方法）
- start：使用 start 是启动新的线程，通过新的线程间接执行 run 中的代码，底层会调用native方法，通过操作系统进行操作
Thread类是Java里对线程概念的抽象，可以这样理解：我们通过new Thread()其实只是new出一个Thread的实例，还没有操作系统中真正的线程挂起钩来。只有执行了start()方法后，才实现了真正意义上的启动线程。
从Thread的源码可以看到，Thread的start方法中调用了start0()方法，而start0()是个native方法，这就说明Thread#start一定和操作系统是密切相关的。
start()方法让一个线程进入就绪队列等待分配cpu，分到cpu后才调用实现的run()方法，start()方法不能重复调用，如果重复调用会抛出异常（注意，此处可能有面试题：多次调用一个线程的start方法会怎么样？）。
而run方法是业务逻辑实现的地方，本质上和任意一个类的任意一个成员方法并没有任何区别，可以重复执行，也可以被单独调用。
优先级Priority
线程调度两种调度方式：
- 分时调度模型：所有线程轮流使用 CPU 的使用权，平均分配每个线程占用 CPU 的时间片
- 抢占式调度模型：优先让优先级高的线程使用 CPU，如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个，优先级高的线程获取的 CPU 时间片相对多一些
Java使用的是抢占式调度模型
- 随机性：假如计算机只有一个 CPU，那么 CPU 在某一个时刻只能执行一条指令，线程只有得到CPU时间片，也就是使用权，才可以执行指令。所以说多线程程序的执行是有随机性，因为谁抢到CPU的使用权是不一定的
优先级相关方法
代码演示：
public class MyCallable implements Callable {
@Override
public String call() throws Exception {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + i);
}
return "线程执行完毕了";
}
}
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
//优先级: 1 - 10 默认值:5
MyCallable mc = new MyCallable();
FutureTask ft = new FutureTask<>(mc);
Thread t1 = new Thread(ft);
t1.setName("飞机");
t1.setPriority(10);
//System.out.println(t1.getPriority());//5
t1.start();
MyCallable mc2 = new MyCallable();
FutureTask ft2 = new FutureTask<>(mc2);
Thread t2 = new Thread(ft2);
t2.setName("坦克");
t2.setPriority(1);
//System.out.println(t2.getPriority());//5
t2.start();
}
} 守护线程Daemon
相关方法：
代码演示：
public class MyThread1 extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(getName() + "---" + i);
}
}
}
public class MyThread2 extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(getName() + "---" + i);
}
}
}
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
MyThread1 t1 = new MyThread1();
MyThread2 t2 = new MyThread2();
t1.setName("女神");
t2.setName("备胎");
//把第二个线程设置为守护线程
//当普通线程执行完之后,那么守护线程也没有继续运行下去的必要了.
t2.setDaemon(true);
t1.start();
t2.start();
}
}sleep
特点：
- 调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
- 其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛出 InterruptedException
- 睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行
- 建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性
代码演示：
public static void main(String[] args) {
new Thread(()->{
try {
//方式一
Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
try {
//方式二
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}yield
特点：
- 调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态，然后调度执行其它线程
- 具体的实现依赖于操作系统的任务调度器
- 有可能会出现让出时间片不成功的现象，因为当让出时间片后就进入就绪状态，很可能会重新再次获得时间片
代码演示：
public static void main(String[] args) {
Thread thread = new Thread();
thread.yield();//进入就绪状态，让出时间片
}join
特点：
- 当线程调用join方法之后，就会让主线程进入阻塞状态，直到所有被标记为join方法的线程执行完成后才能开始执行主线程
join的两种调用方式：
- join（） ：不添加时间参数，即等待线程完成后主线程才开始运行
- join（i） ：添加时间参数，主线程最多等待i毫秒，超过i毫秒后如果还没完成，主线程也开始执行，如果参数是0，就无限等待，相当于无参调用
代码演示：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyThread myThread1 = new MyThread("线程一");
myThread1.start();
myThread1.join();
System.out.println("我主线程先完成了");
}park，unpark
- 通过LockSupport.park可以暂停某个线程。通过LockSupport.unpark可以恢复某个线程运行
- 与 Object 的 wait & notify 相比 wait，notify 和 notifyAll 必须配合 Object Monitor 一起使用，而 park，unpark 不必
- LockSupport.unpark(t1);park & unpark 是以线程为单位来【阻塞】和【唤醒】线程，而 notify 只能随机唤醒一个等待线程，notifyAll 是唤醒所有等待线程，就不那么【精确】
- park & unpark 可以先 unpark，而 wait & notify 不能先 notify
原理：
每个线程都有自己的一个 Parker 对象，由三部分组成 _counter ， _cond 和 _mutex 打个比喻
线程就像一个旅人，Parker 就像他随身携带的背包，条件变量就好比背包中的帐篷。_counter 就好比背包中的备用干粮（0 为耗尽，1 为充足） 调用 park 就是要看需不需要停下来歇息 ，如果备用干粮耗尽，那么钻进帐篷歇息 ，如果备用干粮充足，那么不需停留，继续前进 ，调用 unpark，就好比令干粮充足 ，如果这时线程还在帐篷，就唤醒让他继续前进，如果这时线程还在运行，那么下次他调用 park 时，仅是消耗掉备用干粮，不需停留继续前进，因为背包空间有限，多次调用 unpark 仅会补充一份备用干粮
1. 当前线程调用 Unsafe.park() 方法
2. 检查 _counter ，本情况为 0，这时，获得 _mutex 互斥锁
3. 线程进入 _cond 条件变量阻塞
4. 设置 _counter = 0
1. 调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
2. 唤醒 _cond 条件变量中的 Thread_0
3. Thread_0 恢复运行
4. 设置 _counter 为 0
1. 调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
2. 当前线程调用 Unsafe.park() 方法
3. 检查 _counter ，本情况为 1，这时线程无需阻塞，继续运行
4. 设置 _counter 为 0
interrupt
方法介绍：
interrupt中断sleep，wait，join的线程：
会打断当前的等待状态，如果需要锁的则会等待获取锁，如果不需要所得会进入就绪状态，等待获取时间片
interrupt的作用：是中断线程，如果线程不是处于wait、timewait、block状态的话，实际上并不会直接中断线程，而是给线程一个打断状态，我们需要在代码中判断打断状态是否为true（默认值为false），如果为true表示按照逻辑是希望线程终止的，这时候我们可以写一些善后代码，体面终止线程
如果线程是处于wait、timewait、block状态，使线程开始运行，并且会清空打断状态，打断状态还是fasle
-
方法 说明 interrupt() 打断线程 isinterrupted() 判断是否被打断，不会清空打断标记 interrupted() 判断是否被打断，会清空打断标记
interrupt打断正常运行的线程：
- 表面上并不会出现任何情况，但是会将打断状态设置成true，用户可以根据实际情况进行处理
interrupt打断park线程：
代码演示：
private static void test4() {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
log.debug("park...");
LockSupport.park();
log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
}
});
t1.start();
sleep(1);
t1.interrupt();
}- park线程只会使打断状态为false的线程进入阻塞，第一次park能够成功，但是当通过interrupt打断了之后，再次park就会失效，除非将打断状态设置成false
对于线程的中断，除了interrupt还有其他两种方式，但是都不推荐使用：
暂停、恢复和停止操作对应在线程Thread的API就是suspend()、resume()和stop()。但是这些API是过期的，也就是不建议使用的。不建议使用的原因主要有：以suspend()方法为例，在调用后，线程不会释放已经占有的资源（比如锁），而是占有着资源进入睡眠状态，这样容易引发死锁问题。同样，stop()方法在终结一个线程时不会保证线程的资源正常释放，通常是没有给予线程完成资源释放工作的机会，因此会导致程序可能工作在不确定状态下。正因为suspend()、resume()和stop()方法带来的副作用，这些方法才被标注为不建议使用的过期方法。
wait、notify
原理：
- Owner 线程发现条件不满足，调用 wait 方法，即可进入 WaitSet 变为 WAITING 状态
- BLOCKED 和 WAITING 的线程都处于阻塞状态，不占用 CPU 时间片
- BLOCKED 线程会在 Owner 线程释放锁时唤醒
- WAITING 线程会在 Owner 线程调用 notify 或 notifyAll 时唤醒，但唤醒后并不意味者立刻获得锁，仍需进入 EntryList 重新竞争
- wait和notify都是object的方法，必须要获取对象的锁之后才能使用wait和notify进行等待和唤醒
方法介绍
| 方法 | 介绍 |
| wait（） | 无限期等待，直到被唤醒 |
| wait（long i） | 等待i毫秒，如果没被唤醒则停止等待 |
| notify（） | 随机唤醒一个 |
| notifyAll（） | 唤醒所有wait线程 |
wait和sleep的区别
sleep是thread方法，而wait是object方法
sleep不需要强制和synchronized配合使用，wait需要和synchronized配合使用
sleep在睡眠的同时不会释放锁，wait在睡眠的时候会释放锁