Java并发编程——Concurrent Programming
进程和线程
进程
程序由指令和数据组成，指令要运行，数据要读写，必须将指令加载至CPU，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令，管理内存，管理IO的。当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，就开启了一个进程。进程可以视为程序的一个实例，大部分进程可以同时运行多个实例进程，如记事本、浏览器等，也有进程只能启动一个实例进程，如音乐软件等
线程
一个进程之内可以分为一到多个线程；一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条指令从一定的顺序交给CPU执行，Java中，线程作为最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。在windows中进程是不活动的，只是作为线程的容器
二者对比：
1、进程基本上相互独立，线程存在于进程内，是进程的一个子集
2、进程拥有共享的资源，如内存空间等，供内部的线程共享
3、进程间通信较为复杂：同一台计算机的进程通信称为IPC；不同计算机之间的进程通信需要通过网络，并遵守共同的协议，如HTTP
4、线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，多个线程可以访问同一个共享变量
5、线程更轻量，线程上下文切换成本一般比进程上下文切换低
并行与并发
单核CPU下，线程实际还是串行执行的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将CPU的时间片（最小约为15ms）分给不同的线程使用，CPU在线程间的切换非常快，给人感觉是同时运行的。即微观串行，宏观并行。将线程轮流使用CPU的做法称为并发（concurrent）
多核CPU下，每个核都可以调度运行线程，这时线程可以是并行的（parallel）
并发：同一时间应对多件事情的能力 并行：同一时间动手做多种事情的能力
应用之异步调用
从方法调用的角度，需要等待结果返回，才能继续运行同步；不需要是异步
多线程可以让方法执行变为异步的，如读取磁盘文件时，假设读取操作花费了5s，若没有线程调度机制，这5s调用者什么都做不了
结构
1、在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时开一个新线程处理视频转换，可以避免阻塞主线程
2、tomcat的异步servlet，目的是让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞tomcat的工作线程
3、ui程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞ui进程
应用之提高效率
计算1花费10ms，计算 2花费11ms，计算3花费9ms，汇总需要1ms，如果串行执行，总花费31ms。如果是四核，各核心分别使用线程1执行计算1,...，3个线程是并行的，花费时间只取决于最长线程运行的时间，即11ms，再加汇总时间
结论
1、单核CPU下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用CPU，不至于一个线程总占用CPU
2、多核CPU可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是分情况的
3、IO操作不占用CPU，一般拷贝文件使用的是阻塞IO，要一直等待IO结束，没能充分利用线程
Java线程
创建和运行线程
方法一：直接使用Thread
方法二：使用Runnable配合Thread
法一法二比较
1、方法一是把线程和任务合并在一起，方法二是线程和任务分开了
2、用Runnable更容易与线程池等高级API配合
3、用Runnable让任务脱离了Thread继承体系，更为灵活
线程运行原理
线程上下文切换（Thread Context Switch）
以下原因导致CPU不再执行当前线程，转而执行另一个线程代码
1、线程的CPU时间片用完 2、垃圾回收 3、有更高优先级的线程需要运行 4、线程自己调用了sleep、yield、wait、park、synchronized、lock等方法
当上下文切换发生时，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对应的概念是程序计数器，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，JVM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频繁发送会影响性能
sleep和yield
sleep
1、调用sleep会让当前线程从Running进入Timed Waiting状态
2、其他线程可以使用interrupt方法打断正在睡眠的线程，这时sleep方法会抛出InterruptedException
3、睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行
4、建议用TimeUnit的Sleep代替Thread的sleep获得更好的可读性
yield
1、调用yield会让当前线程从Running进入Runnable状态，然后调度执行其他同优先级的线程。如果这时没有同优先级的线程，不能保证让当前线程暂停的效果
2、具体的实现依赖于操作系统的任务调度器
线程优先级
1、线程优先级会提示调度器优先调度该线程，仅仅是一个提示，调度器可以忽略
2、如果CPU比较慢，优先级高的线程会获得更多时间片，CPU闲时，优先级几乎没有作用
案例：防止CPU占用100%
sleep实现
在没有利用CPU来计算时，不要让while(true)空转浪费CPU，可以使用yield或sleep来让出CPU的使用权给其他程序
while(true){
try{
Thread.sleep(50); //防止CPU占用资源
} catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}
join方法
等待线程运行结束
join(long n) 等待线程运行结束最多等待n ms
interrupt() 方法
interrupt 打断线程有两种情况，如下：
1、如果一个线程在在运行中被打断，打断标记会被置为 true 。
2、如果是打断因sleep wait join 方法而被阻塞的线程，会将打断标记置为 false 。
isInterrupted() 与 interrupted() 比较，如下：
首先，isInterrupted 是实例方法，interrupted 是静态方法，它们的用处都是查看当前打断的状态，但是 isInterrupted 方法查看线程的时候，不会将打断标记清空，也就是置为 false，interrupted 查看线程打断状态后，会将打断标志置为 false，也就是清空打断标记，简单来说，interrupt() 方法类似于 setter 设置中断值，isInterrupted() 类似于 getter 获取中断值，interrupted() 类似于 getter + setter 先获取中断值，然后清除标志。
用代码测试如下
线程状态
从操作系统层划分，线程有 5 种状态
1、初始状态，仅仅是在语言层面上创建了线程对象，即Thead thread = new Thead();，还未与操作系统线程关联
2、可运行状态，也称就绪状态，指该线程已经被创建，与操作系统相关联，等待cpu给它分配时间片就可运行
3、运行状态，指线程获取了CPU时间片，正在运行
4、 阻塞状态
如果调用了阻塞API，如BIO读写文件，那么线程实际上不会用到CPU，不会分配CPU时间片，会导致上下文切换，进入【阻塞状态】
等待BIO操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至【可运行状态】
与【可运行状态】的区别是，只要操作系统一直不唤醒线程，调度器就一直不会考虑调度它们，CPU就一直不会分配时间片
5、终止状态，表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状态
线程的 6 种状态
共享模型之管程
一个程序运行多个线程本身没有问题；多个线程读共享资源也没有问题；在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题；
一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区
竞态条件
多个线程在临界区执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件
synchronized解决方案
应用之互斥 为避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的
1、阻塞式解决方案：synchronized、Lock 2、非阻塞式解决方案：原子变量
synchronized俗称对象锁，采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有对象锁，其他线程再想获取这个对象锁时会被阻塞住。能保证拥有锁的线程可以安全执行临界区的代码，不必担心线程上下文切换
注：虽然Java中互斥和同步都可以采用synchronized完成，但有区别
1、互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
2、同步是由于线程执行的先后顺序不同，需要一个线程等待其他线程运行到某个列
synchronized实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换打断
变量的线程安全分析
成员变量和静态变量是否线程安全？
答：如果没有共享，则线程安全；如果被共享，根据它们的状态是否能够改变，分为两种情况
1、如果只有读操作，则线程安全 2、如果有读写操作，这段代码是临界区，需要考虑线程安全
局部变量是线程安全的，但局部变量引用的对象则未必，分两种情况
1、如果该对象没有逃离方法的作用访问，是线程安全的 2、如果该对象逃离方法作用的范围，需要考虑线程安全
不可变类线程安全性
String、Integer等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的
局部变量被初始化为基本数据类型是安全的，代码如下，因为每个线程都会有一份 test() 放在线程私有的栈中，多个线程就有多个，是不被多个线程共享的，所有就没有线程安全问题。
不安全原因分析
如图所示，因为 list 是实例变量，则多个线程都会使用到这个共享的实例变量，就会出现线程安全问题，为什么会有安全问题呢，首先要理解 list 添加元素的几步操作，第一步会获取添加元素的下标 index，第二步对指定的 index 位置添加元素，第三步将 index 往后移。
当 t0 线程从 list 拿到 index = 0 后，t0 线程的时间片用完，出现上下文切换，t1 获取时间片开始执行，从 list 也拿到 index =
0，然后将元素添加到 index 位置，然后将 index 值加 1，然后 t0 线程获取时间片，对 index = 0 位置添加元素，此时 index = 0 已经存在元素，就会出现报错。
解决方法
可以将 list 修改成局部变量，然后将 list 作为引用传入方法中，因为局部变量是每个线程私有的，不会出现共享问题，那么就不会有上述问题了。修改的代码如下：
常见线程安全类
String、Integer、StringBuffer、Random、Vector （List的线程安全实现类）、Hashtable （Hash的线程安全实现类）、java.util.concurrent 包下的类
线程安全类方法的组合
但注意它们多个方法的组合不是原子的，看如下代码
如上图所示，当使用方法组合时，出现了线程安全问题，当线程 1 执行完 get(“key”) ，这是一个原子操作没出问题，但是在 get(“key”) == null 比较时，如果线程的时间片用完了，线程 2 获取时间片执行了 get(“key”) == null 操作，然后进行 put(“key”, “v2”) 操作，结束后，线程 1 被分配 cpu 时间片继续执行，执行 put 操作就会出现线程安全问题。
不可变类的线程安全
String和Integer类都是不可变的类，因为其类内部状态是不可改变的，因此它们的方法都是线程安全的，有同学或许有疑问，String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值啊，其实调用这些方法返回的已经是一个新创建的对象了
Monitor（锁）被称作监视器或管程
每个Java对象都可以关联一个Monitor对象，如果使用synchronized给对象上锁（重量级）之后，对象头的Mark Word被设置指向Monitor对象的指针，刚开始Monitor中Owner为null，当Thre ad—2执行synchronized(obj)会将Monitor的所有者Owner置为 Thre ad—2，Monitor中只能有一个Owner，在 Thre ad—2上锁的过程中。如果 Thre ad—3、 Thre ad—4、 Thre ad—5也来执行synchronized(obj)，就会进入EntryList BLOCKED
Thre ad—2执行完同步代码块的内容，然后唤醒EntryList中等待的线程来竞争锁
注：1、synchronized必须是进入同一个对象的monitor才有上述的效果
2、不加synchronized的对象不会关联监视器，不遵从以上规则
轻量级锁
使用场景：如果一个对象虽然有多线程访问，但多线程访问的时间是错开的，可以使用轻量级锁来优化
轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍是synchronized
假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁
1、每次指向到 synchronized 代码块时，都会创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都会包括一个锁记录的结构，锁记录内部可以储存对象的 Mark Word 和对象引用 reference
2、让锁记录中的 Object reference 指向对象，并且尝试用 cas(compare and sweep) 替换 Object 对象的 Mark Word ，将 Mark Word 的值存入锁记录中。
3、如果 cas 替换成功，那么对象的对象头储存的就是锁记录的地址和状态 00 表示轻量级锁，如下所示
4、如果cas失败，有两种情况
如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，那么表示有竞争，首先会进行自旋锁，自旋一定次数后，如果还是失败就进入锁膨胀阶段。
如果是自己的线程已经执行了 synchronized 进行加锁，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数。
5、当线程退出 synchronized 代码块的时候，如果获取的是取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一
6、当线程退出 synchronized 代码块的时候，如果获取的锁记录取值不为 null，那么使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象
成功则解锁成功
失败，则说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程
锁膨胀
如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS操作无法成功，一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变成重量级锁
1、当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
2、这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程，
即为对象申请Monitor锁，让Object指向重量级锁地址
然后自己进入Monitor 的EntryList 变成BLOCKED状态
3、当 Thread-0 退出 synchronized 同步块时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，对象的对象头指向 Monitor，那么会进入重量级锁的解锁过程，即按照 Monitor 的地址找到 Monitor 对象，将 Owner 设置为 null ，唤醒 EntryList 中的 Thread-1 线程
自选优化
重量级锁竞争的时候，可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自选成功（即此时持锁线程已经退出同步块，释放了锁），当前线程可以避免阻塞
自旋重试成功的情况
自旋重试失败的情况，自旋了一定次数还是没有等到持锁的线程释放锁
偏向锁
轻量级锁在没有竞争时，每次重入仍需执行CAS操作
Java６引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用CAS将线程ID设置到对象的Mark Word头，之后发现这个线程ID是自己的就表示没有竞争，不用重现CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归线程所有
一个对象创建时：
1、如果开启了偏向锁，那么对象创建后，mark word值为0x05即为最后3位101，这时它的thread epoch age都为0
2、偏向锁默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，加VM参数-XX:BiasedLockingStartupDelay = 0来禁用延迟
3、如果没有开启偏向锁，对象创建后，markword值为0x01即最后3位为001，这时它的hashcode、age都为0，第一次用到hashcode时才会赋值
添加参数-xx:-UseBiasedLocking禁用偏向锁
撤销—调用对象hashCode
调用了对象的hashCode，但偏向锁的对象Mark Word中存储的是线程id，如果调用hashCode会导致偏向锁被撤销
轻量级锁会在锁记录hashCode；重量级锁会在Monitor中记录hashCode
在调用hashCode后使用偏向锁，记得去掉-XX: -UseBiasedLocking
撤销—其他线程使用对象
当有其他线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁
批量重偏向
如果对象被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程T1的对象仍有机会重新偏向T2，重偏向会重置对象的Thread ID
当撤销偏向锁阈值超过20次后，JVM会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程
原理之wait/notify
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notify All时唤醒，但唤醒后并不意味着立刻获得锁，仍需进入EntryList重新竞争
sleep(long n)和wait(long n)的区别
1、sleep是Thread方法，而wait是Object方法
2、sleep不需要强制和synchronized配合使用，但wait需要和synchronized一起使用
3、sleep在睡眠的同时，不会释放对象锁，wait在等待的时候会释放对象锁
4、线程状态都是TIMED_WAITING
什么时候适合使用wait
当线程 不满足某些条件 ，需要暂停运行时，可以使用 wait 。这样会 将对象的锁释放 ，让其他线程能够继续运行。如果此时使用 sleep， 会导致所有线程都进入阻塞 ，导致所有线程都没法运行，直到当前线程 sleep 结束后，运行完毕，才能得到执行。
使用wait/notify需要注意什么
当有多个线程在运行时，对象调用了 wait 方法，此时这些线程都会进入 WaitSet 中等待。如果这时使用了 notify 方法，可能会 造成虚假唤醒 （唤醒的不是满足条件的等待线程），这时就需要使用 notifyAll 方法
异步模式之保护性暂停
用在一个线程等待另一个线程的执行结果
要点：1、有一个结果需要从一个线程传递到另一个线程，让它们关联同一个GuardedObject
2、如果有结果不断从一个线程到另一个线程，可以使用队列消息 3、JDK中，join的现、Future的实现，采用此模式
4、因为要等待另一方的结果，因此归类到同步模式
多任务版 GuardedObject 图中 Futures 就好比居民楼一层的信箱（每个信箱有房间编号），左侧的 t0，t2，t4 就好比等待邮件的居民，右侧的 t1，t3，t5 就好比邮递员如果需要在多个类之间使用 GuardedObject 对象，作为参数传递不是很方便，因此设计一个用来解耦的中间类，这样不仅能够解耦【结果等待者】和【结果生产者】，还能够同时支持多个任务的管理。和生产者消费者模式的区别就是：这个生产者和消费者之间是一一对应的关系，但是生产者消费者模式并不是。rpc 框架的调用中就使用到了这种模式。
异步模式之生产者/消费者
要点：1、与前面的保护性暂停中的GuardObject不同，不需要产生结果和消费结果一一对应 2、消费队列可以用来平衡生产和消费的线程资源 3、生产者仅负责产生结果数据，不关心数据该如何处理，而消费者专心处理结果数据 4、消费队列是有容量限制的，满时不会再加入数据，空时不会再消耗数据 5、JDK各种阻塞队列，采用这种模式
“异步”的意思就是生产者产生消息之后消息没有被立刻消费，而“同步模式”中，消息在产生之后被立刻消费了。
Park&Unpark
LookSupport.park(); //暂停当前线程 LookSupport.unpark(); //恢复某个线程的运行
与Object的Wait&Notify相比
1、wait.notify和notifyAll必须配合Object Monitor一起使用，unpark不必
2、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，不那么精确
3、park&unpark可以先unpark，而wait¬ify不能先notify
先调用park再调用upark的过程
1、先调用 park
当前线程调用 Unsafe.park() 方法
检查 _counter ，本情况为 0，这时，获得 _mutex 互斥锁(mutex对象有个等待队列 _cond)
线程进入 _cond 条件变量阻塞
设置 _counter = 0
2、调用 upark
调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
唤醒 _cond 条件变量中的 Thread_0
Thread_0 恢复运行
设置 _counter 为 0
先调用upark再调用park的过程
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
线程状态转换
情况一：NEW –> RUNNABLE
当调用了 t.start() 方法时，由 NEW –> RUNNABLE
情况二： RUNNABLE <–> WAITING
当调用了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，会在 WaitSet 等待队列中出现锁竞争，非公平竞争
竞争锁成功，t 线程从 WAITING –> RUNNABLE
竞争锁失败，t 线程从 WAITING –> BLOCKED
情况三：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
情况四： 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
情况五： 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
情况六：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
情况七：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
情况八：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
情况九：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
情况十： RUNNABLE <–> TERMINATED
当前线程所有代码运行完毕，进入 TERMINATED
活跃性：代码执行不完
无锁：一个线程需要同时获取多把锁，容易发生死锁
如：t1 线程获得 A 对象锁，接下来想获取 B 对象的锁 t2 线程获得 B 对象锁，接下来想获取 A 对象的锁
定位死锁：检测死锁可以使用jconsole工具，或使用jps定位进程id，再用jstack定位死锁
避免死锁的方法
在线程使用锁对象时， 顺序加锁 即可避免死锁
活锁：出现在两个线程相互改变对方的结束条件，最后谁也无法结束
死锁与活锁的区别
死锁是因为线程互相持有对象想要的锁，并且都不释放，最后到时 线程阻塞，停止运行的现 象。
活锁是因为线程间修改了对方的结束条件，而导致代码 一直在运行，却一直运行不完 的现象
ReentrantLock
特点：1、可中断 2、可以设置超时时间 3、可以设置为公平锁 4、支持多个条件变量 5、与synchronized一样，都支持可重入
可重入：指同一个线程如果首次获得了这把锁，因为它是这把锁的拥有者，因此有权利再次获取这把锁；如果是不可重入锁，那么第二次获得锁时，自己也会被锁挡住
可打断： 如果某个线程处于阻塞状态，可以调用其 interrupt 方法让其停止阻塞，获得锁失败， 简而言之就是：处于阻塞状态的线程，被打断了就不用阻塞了，直接停止运行
锁超时
使用 lock.tryLock 方法会返回获取锁是否成功。如果成功则返回 true ，反之则返回 false 。
并且 tryLock 方法可以指定等待时间，参数为：tryLock(long timeout, TimeUnit unit), 其中 timeout 为最长等待时间，TimeUnit 为时间单位
简而言之就是：获取锁失败了、获取超时了或者被打断了，不再阻塞，直接停止运行
条件变量
ReentrantLock的条件变量相较于synchronized支持多个条件变量
使用流程：1、await前需要获得锁 2、await执行后，会释放锁，进入conditionObject等待 3、await的线程被唤醒（或打断、超市）取重新竞争lock锁 4、竞争lock锁成功后，从await后继续执行
共享模型之内存
Java内存模型
Java Memory Model即JMM，定义了主存、工作内存抽象概念，底层对应着CPU寄存器、缓存、硬件内存、CPU指令优化等
JMM体现在以下几个方面
原子性：保证指令不会受到线程上下文切换的影响
可见性：保证指令不会受到CPU缓存的影响
有序性：保证指令不会受到CPU指令并行优化的影响
volatile（易变关键字）
可以用来修饰成员变量和静态成员变量，可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作volatile变量都是直接操作主存
synchronized既可以保证原子性，也同时保证代码块内变量的可见性，缺点是synchronized属于重量级操作，性能相对低
volatile的底层原理是内存屏障，对volatile变量的写指令后会加入写屏障，对volatile变量的读指令前会加入读屏障
写屏障保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中
读屏障保证在该屏障之后的，对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据
注：写屏障仅仅是保证之后的读能够读到最新的结果，但不能保证读跑到它前面去；有序性的保证也只是保证了本线程内相关代码不被重排序
happens-before
规定了对共享变量的写操作对其他线程的读操作可见，是可见性与有序性一套规则总结，抛开以下happens-before规则，JMM并不能保证一个线程对共享变量的写，对于其他线程对该共享变量的读可见
无锁
CAS的底层原理是lock cmpolxchg指令（X86架构），在单核CPU和多核CPU下都能保证比较—交换的原子性
在多核状态下，某个核执行到带lock的指令时，CPU会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的
CAS必须借助volatile才能读取到共享变量的最新值来实现比较并交换的效果
CAS特点
1、CAS和volatile可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核CPU的场景下
2、CAS是基于乐观锁的思想，不怕别的线程修改共享变量
3、CAS体现的是无锁并发、无阻塞并发，因为没有使用synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一，但如果竞争激烈，重试必然频繁发生，效率会受影响
原子数组
AtomicIntegerArray AtomicLongArray AtomicReferenceArray
方法内会启动10个线程，并发让数组所有元素总共自增10000次
参数1：提供数组，可以是线程不安全数组或线程安全数组 参数2：获取数组长度的方法
参数3：自增方法，回传array length index 参数4：打印数组的方法
源码之LongAdder
LongAdde有几个关键域
transient volatile Cell[] cells ; //累加单元数组，懒惰初始化 transient volatile long base; //基础值，如果没有竞争，则用cas累加这个域 transient volatile int cellsBusy; //在cells创建或扩容时，置为1，表示加锁
Unsafe
提供了非常底层的、内存操作、线程的方法，Unsafe对象不能直接调用，只能通过反射获得
不可变
设置final变量的原理
final变量的赋值会通过putfield指令来完成，同样在这条指令之后也会写入写屏障，保证在其他线程读到它的值时不会出现为0的情况
无状态
在web阶段学习时，设计Servlet时为了保证其线程安全，不要为Servlet设置线程安全，没有任何成员变量的类是安全的；成员变量保存的数据称为状态信息；没有成员变量称之为无状态
ThreadPoolExecutor构造方法
corePoolSize核心线程数据（最多保留的线程数） keepAliveTime 生存时间—针对救急线程 unit 时间单位—针对救济线程
workQueue 阻塞队列 threadFactory 线程工厂—可以为线程创建时起个好名字
handler 拒绝策略
线程池中刚开始没有线程，当一个任务提交给线程池后，线程池会创建一个新线程来执行任务，当线程数达到corePoolSize并没有线程空闲，这时再加入任务，新加的任务会被加入workQueue队列排队，直到有空闲的线程。如果队列选择了有界队列，那么任务超过了队列大小时，会创建maximumPoolSize—corePoolSize数目的线程来救济。如果线程到达maximumPoolSize仍有新任务这时会执行拒绝策略
当高峰过去后，超过corePoolSize的救急线程如果一段时间没有任务做，需要结束节省资源，这个时间由keepAliveTime核unit来控制
newFixedThreadPool（固定大小）
特点 1、核心线程数=最大线程数（没由救急线程被创建），因此也无需超时时间 2、阻塞队列是无界的，可以放任意数量的任务
适用于任务量已知，相对耗时的任务
newCachedThreadPool
特点 1、核心线程数是0，最大线程是Interger、MAX-VALUE，救急线程的空闲生存时间是60s，即全部都是救急线程且救急线程可以无限创建 2、队列采用了SynchronizedQueue，没有容量，没有线程来取放不进去
适用于任务数比较密集，任务执行时间短的情况
newSingleThreadExecutor
使用场景：多个任务排队执行。线程数固定为1，任务数多于1时，会放入无界队列排队。任务执行完毕，唯一的线程也不会被释放
特点 1、自己创建一个单线程串行执行任务，如果任务执行失败而终止，那没有任何补救措施，线程池还会新建一个线程，保证池的正常工作
2 、Executor.newSingleThreadExecutor()线程个数始终为1，不能修改
3、 Executor.newFixedThreadPool(1)初始时为1，以后还可以修改，对外暴露的是ThreadPoolExecutor对象，可以强转后调用setCorePoolSize等方法进行修改
关闭线程池
shutdown
线程池状态为SHUTDOWN，不会接受新任务，但已提交任务会执行完。此方法不会阻塞调用线程的执行
shutdownNow
线程池状态变为STOP，不会接收新任务，会将队列中的任务返回，并用interrupt的方式中断正在执行的任务
任务调度线程池
在任务调度线程池功能加入之前，可以使用java.util.Timer来实现定时功能，Timer的优点在于简单易用，但由于所有任务都是由同一个线程来调度，因此所有任务都是串行执行的，同一时间只能有一个任务在执行，前一个任务的延迟或异常都将会影响到之后的任务
Fork/Join
JDK1.7加入的新的线程池实现，体现的是一种分治思想，适用于能够进行任务拆分的密集型运算
任务拆分是将一个大任务拆分为算法上相同的小任务，直至不能拆分可以直接求解。与递归相关的计算，如归并排序，费波纳实数列，都可以用分治思想进行求解
Fork/Join在分治的基础上加入了多线程，可以把每个任务的分解和合并交给不同的线程来完成，进一步提升了运算效率
Fork/Join默认会创建与CPU核心数大小相同的线程池
JUC
AQS原理
概述：全称是AbstractQueuedSynchronized，是阻塞式锁和相关的同步器工具的框架
特点 1、用state属性表示资源的状态（分独占模式和共享模式），子类需要定义如何维护这个状态，控制如何获取锁和释放锁
getState获取state状态 setState设置state状态 compareAndSetState乐观锁机制设置state状态
2、独占模式是只有一个线程能够访问资源，共享模式允许多个线程访问类源
3、提供了基于FIFO的等待队列，类似于Monitor的EntryList
4、条件变量来实现等待、唤醒机制，支持多个条件变量，类似于Monitor的WaitSet，子类主要实现这样一些方法（默认抛出UnsupportedOperationException）
读写锁
ReentrantReadwriteLock：当读操作远远高于写操作时，使用读写锁让读—读可以并发，提高性能。类似于数据库中的select...from...lock in share mode，提供一个数据容器类内部分别使用读锁保护数据的read()方法，写锁保护数据的write()方法
读锁不支持条件变量
重入时升级不支持：即持有读锁的情况下去获取写锁会导致获取写锁永久等待
重入时降级支持：即持有写锁的情况下去获取读锁
StampedLock
该类自JDK8加入，为了进一步优化读性能，特点是在使用读锁、写锁时都必须配合戳使用
加解读锁
long stamp = lock.readLock();
lock.unlockRead(stamp);
加解写锁
long stamp = lock.writeLock();
lock.unlockWrite(stamp);
乐观读，StampedLock支持tryOptimisticRead()方法，读取完毕后需要做一次戳校验，如果检验通过，表示这期间没有写操作，数据可以安全使用，如果校验没通过，需要重新获取读锁，保证数据安全
long stamp = lock.tryOptimisticRead(); //验戳
if (!lock.validate(stamp)){ //锁升级
}
stampedLock:不支持条件变量，不支持可重入
Semaphore
信号量，用来限制能同时访问共享资源的线程上限
Semaphore应用
使用Semaphore限流，在访问高峰期时，让请求线程阻塞，高峰期过去再释放许可，只适合限制单机线程数量，并且仅是限制线程数，而不是限制资源数
用 Semaphore实现简单连接池，对比享元模式下的实现（用wait notify），性能和可读性更好
CountdownLatch
用来进行线程同步协作，等待所有线程完成倒计时。其中构造参数用来初始化等待计数值，await()用来等待计数归零，countDown()用来让计数减一
CyclicBarrier
循环栅栏，用来进行线程协作，等待线程满足某个计数。构造时设置计数个数，每个线程执行到某个需要“同步”的时刻调用await()方法进行等待，当等待的线程满足计数个数时，继续执行
Blocking大部分实现基于锁，并提供用来阻塞的方法
CopyOnWrite之类容器修改开销相对较重
Concurrent类型的容器：内部很多操作使用cas优化，一般可以提供较高吞吐量。遍历时若一致性，例如，当利用迭代器遍历时，如果容器发生修饰，迭代器可以继续进行遍历，这时内容是旧的。求大小弱一致性，size操作未必是100%准确。遍历时如果发生了修饰，对于非安全容器来说，使用fail-fast让遍历立即失败，抛出ConcurrentModificationException，不再继续遍历