下图为线程状态的图:
Object 对象中的 wait()和notify()是用来实现等待 / 通知模式。其中等待状态和阻塞状态是不同的。等待状态的线程可以通过notify() 方法唤醒并继续执行,而阻塞状态的线程则是等待获取新的锁。
1.调用 wait()方法后,当前线程会进入等待状态,直到其他线程调用notify()或notifyAll() 来唤醒。
2.调用 notify() 方法后,可以唤醒正在等待的单一线程。
原子性:即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。
可见性:指当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。
有序性:即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行,不进行指令重排列。
synchronized 可以保证方法或者代码块在运行时,同一时刻只有一个进程可以访问,同时它还可以保证共享变量的内存可见性。
Java 中每一个对象都可以作为锁,这是 synchronized 实现同步的基础:
1.普通同步方法,锁是当前实例对象。
2.静态同步方法,锁是当前类的 class 对象。
3.同步方法块,锁是括号里面的对象。
同步代码块: monitorenter 指令插入到同步代码块的开始位置,monitorexit指令插入到同步代码块的结束位置,JVM 需要保证每一个monitorenter都有一个monitorexit与之相对应。任何对象都有一个 Monitor 与之相关联,当且一个 Monitor 被持有之后,他将处于锁定状态。线程执行到monitorenter 指令时,将会尝试获取对象所对应的 Monitor 所有权,即尝试获取对象的锁。
同步方法:synchronized 方法则会被翻译成普通的方法调用和返回指令如:invokevirtual、areturn指令,在 VM 字节码层面并没有任何特别的指令来实现被synchronized修饰的方法,而是在 Class 文件的方法表中将该方法的access_flags字段中的synchronized 标志位置设置为 1,表示该方法是同步方法,并使用调用该方法的对象或该方法所属的 Class 在 JVM 的内部对象表示 Klass作为锁对象。
synchronized 是重量级锁,在 JDK1.6 中进行优化,如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的开销。
volatile是轻量级的锁,它不会引起线程上下文的切换和调度。
1.volatile可见性:对一个volatile 的读,总可以看到对这个变量最终的写。
2.volatile原子性:volatile对单个读 / 写具有原子性(32 位 Long、Double),但是复合操作除外,例如i++ 。
3.JVM 底层采用“内存屏障”来实现 volatile 语义,防止指令重排序。
volatile 经常用于两个两个场景:状态标记变量、Double Check 。
JMM 规定了线程的工作内存和主内存的交互关系,以及线程之间的可见性和程序的执行顺序。
一方面,要为程序员提供足够强的内存可见性保证。另一方面,对编译器和处理器的限制要尽可能地放松。JMM 对程序员屏蔽了 CPU 以及 OS 内存的使用问题,能够使程序在不同的 CPU 和 OS 内存上都能够达到预期的效果。
Java 采用内存共享的模式来实现线程之间的通信。编译器和处理器可以对程序进行重排序优化处理,但是需要遵守一些规则,不能随意重排序。
在并发编程模式中,势必会遇到上面三个概念:
原子性:即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。
可见性:指当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。
有序性:即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行,不进行指令重排列。
通过 volatile、synchronized、final、concurrent 包等实现。
AQS 是构建锁或者其他同步组件的基础框架(如 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore 等), 包含了实现同步器的细节(获取同步状态、FIFO 同步队列)。AQS 的主要使用方式是继承,子类通过继承同步器,并实现它的抽象方法来管理同步状态。
①维护一个同步状态 state。当 state > 0时,表示已经获取了锁;当state = 0 时,表示释放了锁。
②AQS 通过内置的 FIFO(先进先出) 同步队列来完成资源获取线程的排队工作:
1.如果当前线程获取同步状态失败(锁)时,AQS 则会将当前线程以及等待状态等信息构造成一个节点(Node)并将其加入同步队列,同时会阻塞当前线程。
2.当同步状态释放时,则会把节点中的线程唤醒,使其再次尝试获取同步状态。
AQS 内部维护的是CLH 双向同步队列
可重入锁:指的是在一个线程中可以多次获取同一把锁。 ReentrantLock 和 synchronized 都是可重入锁。
可中断锁:顾名思义,就是可以相应中断的锁。synchronized 就不是可中断锁,而 Lock 是可中断锁。
公平锁:即尽量以请求锁的顺序来获取锁。synchronized 是非公平锁,ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock,它默认情况下是非公平锁,但是可以设置为公平锁。
ReentrantLock,可重入锁,是一种递归无阻塞的同步机制。它可以等同于 synchronized的使用,但是 ReentrantLock 提供了比synchronized 更强大、灵活的锁机制,可以减少死锁发生的概率。
1.ReentrantLock 实现 Lock 接口,基于内部的 Sync 实现。
2.Sync 实现 AQS ,提供了 FairSync 和 NonFairSync 两种实现。
Condition 和 Lock 一起使用以实现等待/通知模式,通过 await()和singnal() 来阻塞和唤醒线程。
Condition 是一种广义上的条件队列。他为线程提供了一种更为灵活的等待 / 通知模式,线程在调用 await 方法后执行挂起操作,直到线程等待的某个条件为真时才会被唤醒。Condition 必须要配合 Lock 一起使用,因为对共享状态变量的访问发生在多线程环境下。一个 Condition 的实例必须与一个 Lock 绑定,因此 Condition 一般都是作为 Lock 的内部实现。
读写锁维护着一对锁,一个读锁和一个写锁。通过分离读锁和写锁,使得并发性比一般的排他锁有了较大的提升:
1.在同一时间,可以允许多个读线程同时访问。
2.但是,在写线程访问时,所有读线程和写线程都会被阻塞。
读写锁的主要特性:
公平性:支持公平性和非公平性。
重入性:支持重入。读写锁最多支持 65535 个递归写入锁和 65535 个递归读取锁。
锁降级:遵循获取写锁,再获取读锁,最后释放写锁的次序,如此写锁能够降级成为读锁。
ReentrantReadWriteLock 实现 ReadWriteLock 接口,可重入的读写锁实现类。
在同步状态上,为了表示两把锁,将一个 32 位整型分为高 16 位和低 16 位,分别表示读和写的状态。
更深的:
Compare And Swap,比较交换。可以看到 synchronized 可以保证代码块原子性,很多时候会引起性能问题,volatile也是个不错的选择,但是volatile不能保证原子性,只能在某些场合下使用。所以可以通过 CAS 来进行同步,保证原子性。
我们在读 Concurrent 包下的类的源码时,发现无论是 ReentrantLock 内部的 AQS,还是各种 Atomic 开头的原子类,内部都应用到了 CAS。
在 CAS 中有三个参数:内存值 V、旧的预期值 A、要更新的值 B ,当且仅当内存值 V 的值等于旧的预期值 A 时,才会将内存值 V 的值修改为 B,否则什么都不干。其伪代码如下:
if (this.value == A) {
this.value = B
return true;
} else {
return false;
}
CAS 可以保证一次的读-改-写操作是原子操作。
在多线程环境下,int 类型的自增操作不是原子的,线程不安全,可以使用 AtomicInteger 代替。
// AtomicInteger.java
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;
// AtomicInteger.java
public final int addAndGet(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
}
// Unsafe.java
// compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)其实换成 compareAndSwapInt(obj, offset, expect, update)比较清楚,意思就是如果 obj 内的 value 和 expect 相等,就证明没有其他线程改变过这个变量,那么就更新它为 update,如果这一步的 CAS 没有成功,那就采用自旋的方式继续进行 CAS 操作,取出乍一看这也是两个步骤了啊,其实在 JNI 里是借助于一个 CPU 指令完成的。所以还是原子操作。
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
// 该方法为本地方法,有四个参数,分别代表:对象、对象的地址、预期值、修改值
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
不是。由于添加元素到 map 中去时,数据量大产生扩容操作,多线程会导致 HashMap 的 node 链表形成环状的数据结构产生死循环。所以 HashMap 是线程不安全的。
如何变得安全:
ConcurrentHashMap 的实现方式和 Hashtable 不同,不采用独占锁的形式,更高效,其中在 jdk1.7 和 jdk1.8 中实现的方式也略有不同。
Jdk1.7 中采用分段锁和 HashEntry 使锁更加细化。ConcurrentHashMap 采用了分段锁技术,其中 Segment 继承于 ReentrantLock。不会像 HashTable 那样不管是 put 还是 get 操作都需要做同步处理,理论上 ConcurrentHashMap 支持 CurrencyLevel (Segment 数组数量)的线程并发。
Jdk1.8 利用 CAS+Synchronized 来保证并发更新的安全,当然底层采用数组+链表+红黑树的存储结构。
CyclicBarrier 它允许一组线程互相等待,直到到达某个公共屏障点 (Common Barrier Point)。在涉及一组固定大小的线程的程序中,这些线程必须不时地互相等待,此时 CyclicBarrier 很有用。因为该 Barrier 在释放等待线程后可以重用,所以称它为循环 ( Cyclic ) 的屏障 ( Barrier ) 。
每个线程调用 await() 方法,告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障,然后当前线程被阻塞。当所有线程都到达了屏障,结束阻塞,所有线程可继续执行后续逻辑。
CountDownLatch 能够使一个线程在等待另外一些线程完成各自工作之后,再继续执行。使用一个计数器进行实现。计数器初始值为线程的数量。当每一个线程完成自己任务后,计数器的值就会减一。当计数器的值为 0 时,表示所有的线程都已经完成了任务,然后在 CountDownLatch 上等待的线程就可以恢复执行任务。
两者区别:
Semaphore 是一个控制访问多个共享资源的计数器,和CountDownLatch一样,其本质上是一个“共享锁”。一个计数信号量。从概念上讲,信号量维护了一个许可集。
减少上下文切换的方法有无锁并发编程、CAS算法、使用最少线程和使用协程。
像synchronized这种独占锁属于悲观锁,它是在假设一定会发生冲突的,那么加锁恰好有用,除此之外,还有乐观锁,乐观锁的含义就是假设没有发生冲突,那么我正好可以进行某项操作,如果要是发生冲突呢,那我就重试直到成功,乐观锁最常见的就是CAS。
阻塞队列实现了 BlockingQueue 接口,并且有多组处理方法。
抛出异常:add(e) 、remove()、element()
返回特殊值:offer(e) 、pool()、peek()
阻塞:put(e) 、take()
JDK 8 中提供了七个阻塞队列可供使用:
ArrayBlockingQueue,一个由数组实现的有界阻塞队列。该队列采用 FIFO 的原则对元素进行排序添加的。内部使用可重入锁 ReentrantLock + Condition 来完成多线程环境的并发操作。
线程池有五种状态:RUNNING, SHUTDOWN, STOP, TIDYING, TERMINATED。
内部变量** ctl **定义为 AtomicInteger ,记录了“线程池中的任务数量”和“线程池的状态”两个信息。共 32 位,其中高 3 位表示”线程池状态”,低 29 位表示”线程池中的任务数量”。
线程池创建参数:
corePoolSize
线程池中核心线程的数量。当提交一个任务时,线程池会新建一个线程来执行任务,直到当前线程数等于 corePoolSize。如果调用了线程池的 prestartAllCoreThreads() 方法,线程池会提前创建并启动所有基本线程。
maximumPoolSize
线程池中允许的最大线程数。线程池的阻塞队列满了之后,如果还有任务提交,如果当前的线程数小于 maximumPoolSize,则会新建线程来执行任务。注意,如果使用的是无界队列,该参数也就没有什么效果了。
keepAliveTime
线程空闲的时间。线程的创建和销毁是需要代价的。线程执行完任务后不会立即销毁,而是继续存活一段时间:keepAliveTime。默认情况下,该参数只有在线程数大于 corePoolSize 时才会生效。
unit
keepAliveTime 的单位。TimeUnit。
workQueue
用来保存等待执行的任务的阻塞队列,等待的任务必须实现 Runnable 接口。我们可以选择如下几种:
threadFactory
用于设置创建线程的工厂。该对象可以通过 Executors.defaultThreadFactory()。他是通过 newThread() 方法提供创建线程的功能,newThread() 方法创建的线程都是“非守护线程”而且“线程优先级都是 Thread.NORM_PRIORITY”。
handler
RejectedExecutionHandler,线程池的拒绝策略。所谓拒绝策略,是指将任务添加到线程池中时,线程池拒绝该任务所采取的相应策略。当向线程池中提交任务时,如果此时线程池中的线程已经饱和了,而且阻塞队列也已经满了,则线程池会选择一种拒绝策略来处理该任务。
线程池提供了四种拒绝策略:
当然我们也可以实现自己的拒绝策略,例如记录日志等等,实现 RejectedExecutionHandler 接口即可。
当添加新的任务到线程池时:
线程池可通过 Executor 框架来进行创建:
FixedThreadPool
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
corePoolSize 和 maximumPoolSize 都设置为创建 FixedThreadPool 时指定的参数 nThreads,意味着当线程池满时且阻塞队列也已经满时,如果继续提交任务,则会直接走拒绝策略,该线程池不会再新建线程来执行任务,而是直接走拒绝策略。FixedThreadPool 使用的是默认的拒绝策略,即 AbortPolicy,则直接抛出异常。
但是 workQueue 使用了无界的 LinkedBlockingQueue, 那么当任务数量超过 corePoolSize 后,全都会添加到队列中而不执行拒绝策略。
SingleThreadExecutor
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
作为单一 worker 线程的线程池,SingleThreadExecutor 把 corePool 和 maximumPoolSize 均被设置为 1,和 FixedThreadPool 一样使用的是无界队列 LinkedBlockingQueue, 所以带来的影响和 FixedThreadPool 一样。
CachedThreadPool
CachedThreadPool是一个会根据需要创建新线程的线程池 ,他定义如下:
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
这个线程池,当任务提交时就会创建线程去执行,执行完成后线程会空闲60s,之后就会销毁。但是如果主线程提交任务的速度远远大于CachedThreadPool的处理速度,则CachedThreadPool会不断地创建新线程来执行任务,这样有可能会导致系统耗尽 CPU 和内存资源,所以在使用该线程池时,一定要注意控制并发的任务数,否则创建大量的线程可能导致严重的性能问题。
实例代码用 Object 的 wait()和notify() 实现,也可用 ReentrantLock 和 Condition 来完成。或者直接使用阻塞队列。
public class ProducerConsumer {
public static void main(String[] args) {
ProducerConsumer main = new ProducerConsumer();
Queue<Integer> buffer = new LinkedList<>();
int maxSize = 5;
new Thread(main.new Producer(buffer, maxSize), "Producer1").start();
new Thread(main.new Consumer(buffer, maxSize), "Comsumer1").start();
new Thread(main.new Consumer(buffer, maxSize), "Comsumer2").start();
}
class Producer implements Runnable {
private Queue<Integer> queue;
private int maxSize;
Producer(Queue<Integer> queue, int maxSize) {
this.queue = queue;
this.maxSize = maxSize;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (queue) {
while (queue.size() == maxSize) {
try {
System.out.println("Queue is full");
queue.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
Random random = new Random();
int i = random.nextInt();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Producing value : " + i);
queue.add(i);
queue.notifyAll();
}
}
}
}
class Consumer implements Runnable {
private Queue<Integer> queue;
private int maxSize;
public Consumer(Queue<Integer> queue, int maxSize) {
super();
this.queue = queue;
this.maxSize = maxSize;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (queue) {
while (queue.isEmpty()) {
try {
System.out.println("Queue is empty");
queue.wait();
} catch (Exception ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Consuming value : " + queue.remove());
queue.notifyAll();
}
}
}
}
}