[Java并发]-----第1章 并发编程线程基础

透彻理解Java并发编程

1. 什么是线程

​ 进程是代码在数据集合上的一次运行活动,是系统进行资源分配和调度的基本单位.线程则是进程的一个执行路径,一个进程中至少一个线程.进程中的多个线程共享进程的资源.

​ 操作系统在分配资源时是把资源分配给进程的,但是CPU资源是被分配给线程的.

​ 一个进程中有多个线程,多个线程共享进程的==堆==(存放对象实例)和==方法区==(类,常量和静态变量),每个线程有自己的==程序计数器==(记录下一步要执行的指令地址,用于记录当前线程执行的位置)和==栈==区域(储存该项成的局部变量,和方法调用帧栈).

2. 线程创建与运行

​ Java有三种创建线程的方式,分别为==实现Runnable接口的Run方法==(将接口对象传入Thread对象,运行Thread对象的start()方法),==继承Thread类==(执行start()方法)和==FutureTask方式==(实现Callable接口,泛型E为线程返回值的类型,将接口实例对象传入FutrueTask对象,再将FutrueTask对象传入Thread对象,执行start方法).

FutureTask方式:

public class CallerTask implements Callable{

        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("child thread");
            return "hello";
        }

        public static void main(String[] args) {
            FutureTask futureTask = new FutureTask<==wait()方法在挂起该线程的同时释放该线程的监视器锁>(new CallerTask());
            new Thread(futureTask).start();
            try{
                String result = futureTask.get();
                System.out.println(result);
            } catch (ExecutionException | InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

​ 其中实现Runnable接口的方法可以实现方法重用(接口中的方法不占多分空间,而多个Thread子类对象的每一个Run()方法都需要占用堆内存).

==优缺点:==

• ==继承Thread类:方便传参(成员变量,get(),set()方法)==
• ==实现Runnable接口:没有单继承的限制==
• ==FutureTask方法:线程的运行可以有返回值.==

3. 线程通知与等待

(1). wait()函数

​ 当一个线程调用了某个对象的wait()方法后,这个线程会被阻塞挂起.

1. 只有当其他线程调用了==此对象==的notify()或notifyAll()方法,该线程才能被返回
2. 当其他线程调用了==该线程==的interrupt()方法,该线程抛出异常返回

​ ==要使用某对象wait()函数,就必须实现得到了该对象的监视器锁==(也就是之前的线程锁),有两种途径:1.当前在该对象的==同步方法==(成员方法)中. 2.在该对象的==同步代码块==中.那就意味这,在调用wait()方法时,当前线程一定是被这个对象的监视器锁锁住的,那么==wait()方法在挂起该线程的同时释放该线程的监视器锁==.

​ 注意:如果一个线程同时拥有A,B两个对象的监视器锁,调用了对象A的wait()方法后并不会释放B对象的监视器锁.

​ 线程被挂起后是有可能无缘无故被唤醒的,这叫做虚假唤醒,通常在唤醒的条件上加while循环(取非)以避免这种情况.

(2). wait(long timeout)函数

​ 多了一个参数,这是一个毫秒(千分之一秒)数,当过了这个时间并且还没有被notify或者notifyAll()方法唤醒,那么该函数还是会因为超时而返回.

(3). notify()函数

​ 随机唤醒一个在该变量的wait()方法上挂起的线程(该对象可能挂了多个线程).和wait()方法一样,都需要会的该对象的监视器锁才能调用.

graph TB
    id0(因为wait方法挂起)
    id1(等待竞争监视器锁,所有因为wait方法被挂起的线程被挂起前一定拥有该对项的监视器锁,在被唤醒后还会因为没有该锁而被挂起)
    id2(继续执行)
    id0--notify方法-->id1
    id1--得到锁-->id2

(4). notifyAll方法

​ 会唤醒所有因为该共享变量的wait()方法而被挂起的线程.

4. 等待线程执行终止的join方法

​ 在主线程中使用,该方法会挂起主线程,当子线程执行完之后返回该方法.

5. 让线程睡眠的sleep方法

​ Thread类中有一个静态的Sleep方法,当一个执行中的线程调用了Thread的sleep方法,调用线程会暂停让出CPU的执行权,但==并不让出所拥有的监视器资源==.知道达到指定的睡眠时间后该函数返回,线程处于就绪状态.

6. 让出CPU执行权的yield方法

​ Thread类中有一个静态的yield方法,当一个线程运行这个方法时,实际上就是按时线程调度器让出当前自己的CPU使用权,然后立即处于就绪状态,参与线程轮换.

​ 与sleep的不同在于yield方法不会挂起当前线程.

7. 线程中断

​ ==Java中的线程中断是一种线程间的协作模式,通过修改线程对象中的一个标识(中断标识),在线程运行代码中检测该标识的值,并作出一些动作响应中断.==可以是退出线程也可以是yield,取决于代码实现.

三个方法:

• void interrupt()方法:中断该线程,将中断标记设置为true.
• boolean isInterrupted()方法:检测该线程是否被中断
• boolean interrupted()方法:静态方法,检测==当前调用该方法的线程==是否被中断,如果被中断,修改中断标记为false.

​ 另一种用法:当出于一些原因需要立刻唤醒某个线程(因wait()或sleep()方法被挂起)时,可以调用这个线程的interrupt()方法,强制抛出InterruptedException异常,并且返回,线程恢复到激活状态.

8. 理解线程上下文切换

​ CPU资源的分配采用时间片轮换的策略,也就是给每一个线程分配一个时间片,线程在时间片内占用CPU执行任务.当前线程使用完时间片后就会处于就绪状态,让出CPU供其他线程使用,这就是上下文切换.

​ 上下文切换的时机:当前线程的CPU时间片使用完,处于就绪状态,当前线程被其他线程中断.

9. 线程死锁

(1). 什么是线程死锁

​ 死锁指两个或两个以上的线程在执行过程中,因争夺资源而造成的互相等待的现象.

死锁产生的条件:

• ==互斥条件==:线程对已经获取到的资源进行排他性使用,即该资源只能由一个线程占用.(监视器锁只能由一个线程获取)
• ==请求并持有条件==:一个线程至少持有一个资源,并要获取其他新的资源,但这个资源已经被其他资源占有.(持有资源,等待别人占有的资源)
• ==不可剥夺条件==:线程获取到的资源在自己使用完之前不能被其他线程抢占.(保持自己的锁)
• ==环路等待条件==:发生死锁时,必然存在线程-资源的唤醒等待链.(那么两个线程就是相互等待)

(2). 如何避免线程死锁

​ 只需要破坏四个条件之一即可,但是目前只有请求并持有和环路等待条件是可以被破坏的.

10. 守护线程与用户线程

​ Java中的线程分为两类,分为==daemon线程==(守护线程,例如GC线程)和==user线程==(用户线程,例如main函数所在的主线程).

​ ==区分是当最后一个用户线程结束时,JVM会正常退出,不会考虑守护线程的运行.==言外之意,只要还存在一个用户线程,JVM就不会退出.(实质是:当main线程运行结束后,JVM会自启动一个叫DestroyJavaVM的线程,这个线程会等待所有用户线程结束,然后结束JVM进程)

​ 要创建守护线程只需要==设置线程的daemon参数为true==即可.

public static void main(String[] args){
    Thread deamonThread = new Thread(new Runnable(){
        public void run(){
            //do something
        }
    });
    
    //设置为守护线程
    deamonThread.setDeamon(true);
    deamonThread.start();
}

​ 如果希望在主线程结束后,JVM马上结束,可以将创建的线程设置为守护线程.

11. ThreadLocal

​ ==ThreadLocal意为线程本地变量==，是解决多线程安全问题的另一种途径。使用线程锁是用时间换取空间，而ThreadLocal则是使用空间换取时间效率。

​ ==ThreadLocal类可以在每一个线程中创建一个同名的变量，但是会在每一个线程中存储一个副本，在使用该变量时，会拿出副本进行使用。也就是说，相当于在每一个线程中都存储了属于线程自己的变量。访问该变量时不受其他线程的影响，该变量时该线程独有的。==

(1). ThreadLocal实现原理

​ ==ThreadLocal类中有一个成员变量ThreadLocals(类型为ThreadLocalMap,实际存放在Thread线程对象中,是ThreadLocal对象的成员变量)==,这个变量本来为null,使用时才会初始化.

​ ==每次使用ThreadLocal对象时,会先从当前线程的线程对象中取出ThreadLocalMap对象,这是一个map,然后以这个ThreadLocal对象为key,去存储value或者获取value.==

​ 对于不同的线程中,由于取得的是不同的ThreadLocalMap对象,所以取值互不干扰.对于一个线程内的不同ThreadLacal对象,由于访问map时的key不同,所以访问的值也不同

1). ThreadLocalMap getMap(Thread t)

​ 根据传入的线程对象获取线程中的ThreadLocalMap对象

2). T get()

​ 先获取当前线程,然后获取线程中的ThreadLocalMap对象,以this对象(ThreadLocal对象)为key,取出ThreadLocalMap中的value.

3). void set(T value)

​ 先获取当前线程,然后获取ThreadLocalMap对象,然后以当前的ThreadLocal对象为key,设置value.

(2). ThreadLocalMap类

​ 这是一个Map,但是与HashMap不同的是,ThreadLocalMap使用的是开放探测法(HashMap链地址法).就意味着大龄的变量存储在ThreadLocalMap对象中会使查询效率急剧下降.

(3). ThreadLocal内存泄漏问题

​ ThreadLocalMap的key使用了弱引用，==当key不被引用时，系统回收内存会自动清理key的内存(清理ThreadLocal对象)==。导致map中的value无法被访问，但问题在于map中的entry以属性的方式包含了object value。这样一来导致没有key可以访问这个value，但是==存在一条强引用链：CurrentThread->ThreadLocalMap->Entry->Value==。这条链是不能被GC（垃圾回收）自动回收的。这样就导致这些value数据既不能被访问而手动清理，也不会被被自动清理,就形成了内存泄露.

​ ThreadLocalMap内部Entry中key使用的是对ThreadLocal对象的弱引用，这为避免内存泄露是一个进步，因为如果是强引用，那么即使其他地方没有对ThreadLocal对象的引用，ThreadLocalMap中的ThreadLocal对象还是不会被回收，而如果是弱引用则这时候ThreadLocal引用是会被回收掉的，虽然对于的value还是不能被回收，这时候ThreadLocalMap里面就会存在key为null但是value不为null的entry项，虽然ThreadLocalMap提供了set,get,remove方法在一些时机下会对这些Entry项进行清理，但是这是不及时的，也不是每次都会执行的，所以一些情况下还是会发生内存泄露，所以在使用完毕后即使调用remove方法才是解决内存泄露的王道。

(4). ThreadLocal不支持继承性

​ 父线程的ThreadLocal对象在子线程中是获取不到的,因为这是两个Thread对象.

(5). InheritableThreadLocal类

​ 这个类是为了解决ThreadLocal类不支持继承而创造的,它继承自ThreadLocal类.提供了一个特性,可以让子线程访问父线程中设置的本地变量.

ThreadLocalMap源码:

/**
 * Construct a new map including all Inheritable ThreadLocals
 * from given parent map. Called only by createInheritedMap.
 *
 * @param parentMap the map associated with parent thread.
 */
private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {
    Entry[] parentTable = parentMap.table;
    deint len = parentTable.length;
    setThreshold(len);
    table = new Entry[len];

    for (int j = 0; j < len; j++) {
        Entry e = parentTable[j];
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            ThreadLocal