Java多线程知识小抄集(三)
本文主要整理博主遇到的Java多线程的相关知识点，适合速记，故命名为“小抄集”。本文没有特别重点，每一项针对一个多线程知识做一个概要性总结，也有一些会带一点例子，习题方便理解和记忆。
51. SimpleDateFormat非线程安全
当多个线程共享一个SimpleDateFormat实例的时候，就会出现难以预料的异常。
主要原因是parse()方法使用calendar来生成返回的Date实例，而每次parse之前，都会把calendar里的相关属性清除掉。问题是这个calendar是个全局变量，也就是线程共享的。因此就会出现一个线程刚把calendar设置好，另一个线程就把它给清空了，这时第一个线程再parse的话就会有问题了。
解决方案:1. 每次使用时创建一个新的SimpleDateFormat实例；2. 创建一个共享的SimpleDateFormat实例变量，并对这个变量进行同步；3. 使用ThreadLocal为每个线程都创建一个独享的SimpleDateFormat实例变量。
52. CopyOnWriteArrayList
在每次修改时，都会创建并重新发布一个新的容器父辈，从而实现可变现。CopyOnWriteArrayList的迭代器保留一个指向底层基础数组的引用，这个数组当前位于迭代器的起始位置，由于它不会被修改，因此在对其进行同步时只需确保数组内容的可见性。因此，多个线程可以同时对这个容器进行迭代，而不会彼此干扰或者与修改容器的线程相互干扰。“写时复制”容器返回的迭代器不会抛出ConcurrentModificationException并且返回的元素与迭代器创建时的元素完全一致，而不必考虑之后修改操作所带来的影响。显然，每当修改容器时都会复制底层数组，这需要一定的开销，特别是当容器的规模较大时，仅当迭代操作远远多于修改操作时，才应该使用“写入时赋值”容器。
53. 工作窃取算法（work-stealing）
工作窃取算法是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。在生产-消费者设计中，所有消费者有一个共享的工作队列，而在work-stealing设计中，每个消费者都有各自的双端队列，如果一个消费者完成了自己双端队列中的全部任务，那么它可以从其他消费者双端队列末尾秘密地获取工作。
优点：充分利用线程进行并行计算，减少了线程间的竞争。
缺点：在某些情况下还是存在竞争，比如双端队列（Deque）里只有一个任务时。并且该算法会消耗了更多的系统资源，比如创建多个线程和多个双端队列。
54. Future & FutureTask
FutureTask表示的计算是通过Callable来实现的，相当于一种可生产结果的Runnable，并且可以处于一下3种状态：等待运行，正在运行和运行完成。运行表示计算的所有可能结束方式，包括正常结束、由于取消而借宿和由于异常而结束等。当FutureTask进入完成状态后，它会永远停止在这个状态上。Future.get的行为取决于任务的状态，如果任务已经完成，那么get会立刻返回结果，否则get将阻塞知道任务进入完成状态，然后返回结果或者异常。FutureTask的使用方式如下：
public class Preloader {
//method1
private final static FutureTask<Object> future = new FutureTask<Object>(new Callable<Object>(){
@Override
public Object call() throws Exception
{
return "yes";
}
});
//method2
static ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(Runtime.getRuntime().availableProcessors());
private static final Future<Object> futureExecutor = executor.submit(new Callable<Object>(){
@Override
public Object call() throws Exception
{
return "no";
}
});
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException
{
executor.shutdown();
future.run();
System.out.println(future.get());
System.out.println(futureExecutor.get());
}
} 运行结果：yes no
Callable表示的任务可以抛出受检查或未受检查的异常，并且任何代码都可能抛出一个Error.无论任务代码抛出什么异常，都会被封装到一个ExecutionException中，并在Future.get中被重新抛出。
55. Executors
newFixedThreadPool：创建一个固定长度的线程池，每当提交一个任务时就创建一个线程，直到大道线程池的最大数量，这时线程池的规模将不再变化（如果某个线程由于发生了未预期的Exception而结束，那么线程池会补充一个新的线程）。（LinkedBlockingQueue）
newCachedThreadPool：创建一个可换成的线程池，如果线程池的当前规模超过了处理需求时，那么将回收空闲的线程，而当需求增加时，则可以添加新的线程，线程池的规模不存在任何限制。（SynchronousQueue）
newSingleThreadExecutor：是一个单线程的Executor，它创建单个工作者线程来执行任务，如果这个线程异常结束，会创建另一个线程来替代。能确保一招任务在队列中的顺序来串行执行。（LinkedBlockingQueue）
newScheduledThreadPool：创建了一个固定长度的线程池，而且以延迟或者定时的方式来执行任务，类似于Timer。
56. ScheduledThreadPoolExecutor替代Timer
由第17项可知Timer有两个缺陷，在JDK5开始就很少使用Timer了，取而代之的可以使用ScheduledThreadPoolExecutor。使用实例如下：
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.ScheduledFuture;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class ScheduleThreadPoolTest {
private static ScheduledExecutorService exec = Executors.newScheduledThreadPool(2);
public static void method1()
{
exec.schedule(new Runnable(){
@Override
public void run()
{
System.out.println("1");
}}, 2, TimeUnit.SECONDS);
}
public static void method2()
{
ScheduledFuture<String> future = exec.schedule(new Callable<String>(){
@Override
public String call() throws Exception
{
return "Callable";
}}, 4, TimeUnit.SECONDS);
try
{
System.out.println(future.get());
}
catch (InterruptedException | ExecutionException e)
{
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args)
{
method1();
method2();
}
}运行结果：1 Callable
57. Callable & Runnable
Executor框架使用Runnable作为基本的任务表示形式。Runnable是一种有很大局限的抽象，虽然run能写入到日志文件或者将结果放入某个共享的数据结构，但它不能反悔一个值或抛出一个受检查的异常。
许多任务实际上都是存在延迟的计算——执行数据库查询，从网络上获取资源，或者计算某个复杂的功能。对于这些任务，Callable是一种更好的抽象：它认为主入口点（call()）将返回一个值，并可能抛出一个异常。
Runnable和Callable描述的都是抽象的计算任务。这些任务通常是有范围的，即都有一个明确的起始点，并且最终会结束。
58. CompletionService
如果想Executor提交了一组计算任务，并且希望在计算完成后获得结果，那么可以保留与每个任务关联的Future，然后反复使用get方法，同事将参数timeout指定为0，从而通过轮询来判断任务是否完成。这种方法虽然可行，但却有些繁琐。幸运的是，还有一种更好的方法：CompletionService。CompletionService将Executor和BlockingQueue的功能融合在一起。你可以将Callable任务提交给它来执行，然后使用类似于队列操作的take和poll等方法来获得已完成的结果，而这些结果会在完成时被封装为Future。ExecutorCompletionService实现了CompletionService,并将计算部分委托到一个Executor。代码示例如下：
int coreNum = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(coreNum);
CompletionService<Object> completionService = new ExecutorCompletionService<Object>(executor);
for(int i=0;i<coreNum;i++)
{
completionService.submit( new Callable<Object>(){
@Override
public Object call() throws Exception
{
return Thread.currentThread().getName();
}});
}
for(int i=0;i<coreNum;i++)
{
try
{
Future<Object> future = completionService.take();
System.out.println(future.get());
}
catch (InterruptedException | ExecutionException e)
{
e.printStackTrace();
}
}运行结果：
pool-1-thread-1
pool-1-thread-2
pool-1-thread-3
pool-1-thread-4可以通过ExecutorCompletionService(Executor executor, BlockingQueue
BlockingQueue<Future<Object>> bq = new LinkedBlockingQueue<Future<Object>>();
CompletionService<Object> completionService = new ExecutorCompletionService<Object>(executor,bq);ExecutorCompletionService的JDK源码只有100行左右，有兴趣的朋友可以看看。
59. 通过Future来实现取消
ExecutorService.submit将返回一个Future来描述任务。Future拥有一个cancel方法，该方法带有一个boolean类型的参数mayInterruptIfRunning，表示取消操作是否成功。如果mayInterruptIfRunning为true并且任务当前正在某个线程运行，那么这个线程能被中断。如果这个参数为false，那么意味着“若任务还没启动，就不要运行它”，这种方式应该用于哪些不处理中断的任务中。当Future.get抛出InterruptedException或TimeoutException时，如果你知道不再需要结果，那么就可以调用Futuure.cancel来取消任务。
60. 处理不可中断的阻塞
对于一下几种情况，中断请求只能设置线程的中断状态，除此之外没有其他任何作用。
- Java.io包中的同步Socket I/O：虽然InputStream和OutputStream中的read和write等方法都不会响应中断，但通过关闭底层的套接字，可以使得由于执行read或write等方法而被阻塞的线程抛出一个SocketException。
- Java.io包中的同步I/O：当中断一个仔仔InterruptibleChannel上等待的线程时会抛出ClosedByInterrptException并关闭链路。当关闭一个InterruptibleChannel时，将导致所有在链路操作上阻塞的线程都抛出AsynchronousCloseException。
- Selector的异步I/O：如果一个线程在调用Selector.select方法时阻塞了，那么调用close或wakeup方法会使线程抛出ClosedSelectorException并提前返回。
- 获得某个锁：如果一个线程由于等待某个内置锁而阻塞，那么将无法响应中断，因为线程认为它肯定会获得锁，所以将不会理会中断请求，但是在Lock类中提供了lockInterruptibly方法，该方法允许在等待一个锁的同时仍能响应中断。
61. 关闭钩子
JVM既可以正常关闭也可以强制关闭，或者说非正常关闭。关闭钩子可以在JVM关闭时执行一些特定的操作，譬如可以用于实现服务或应用程序的清理工作。关闭钩子可以在一下几种场景中应用：1. 程序正常退出（这里指一个JVM实例）；2.使用System.exit()；3.终端使用Ctrl+C触发的中断；4. 系统关闭；5. OutOfMemory宕机；6.使用Kill pid命令干掉进程（注：在使用kill -9 pid时，是不会被调用的）。使用方法（Runtime.getRuntime().addShutdownHook(Thread hook)）。更多内容可以参考JAVA虚拟机关闭钩子(Shutdown Hook)
62. 终结器finalize
终结器finalize：在回收器释放它们后，调用它们的finalize方法，从而保证一些持久化的资源被释放。在大多数情况下，通过使用finally代码块和显示的close方法，能够比使用终结器更好地管理资源。唯一例外情况在于：当需要管理对象，并且该对象持有的资源是通过本地方法获得的。但是基于一些原因（譬如对象复活），我们要尽量避免编写或者使用包含终结器的类。
63. 线程工厂ThreadFactory
每当线程池（ThreadPoolExecutor）需要创建一个线程时，都是通过线程功夫方法来完成的。默认的线程工厂方法将创建一个新的、非守护的线程，并且不包含特殊的配置信息。通过指定一个线程工厂方法，可以定制线程池的配置信息。在ThreadFactory中只定义了一个方法newThread，每当线程池需要创建一个新线程时都会调用这个方法。默认的线程工厂(DefaultThreadFactory 是Executors的内部类)如下：
static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
private final ThreadGroup group;
private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
private final String namePrefix;
DefaultThreadFactory() {
SecurityManager s = System.getSecurityManager();
group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
Thread.currentThread().getThreadGroup();
namePrefix = "pool-" +
poolNumber.getAndIncrement() +
"-thread-";
}
public Thread newThread(Runnable r) {
Thread t = new Thread(group, r,
namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
0);
if (t.isDaemon())
t.setDaemon(false);
if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
return t;
}
}通过implements ThreadFactory可以定制线程工厂。譬如，你希望为现场吃中的线程指定一个UncaughtExceptionHandler，或者实例化一个定制的Thread类用于执行调试信息的记录。
64. synchronized与ReentrantLock之间进行选择
由第21条可知ReentrantLock与synchronized想必提供了许多功能：定时的锁等待，可中断的锁等待、公平锁、非阻塞的获取锁等，而且从性能上来说ReentrantLock比synchronized略有胜出（JDK6起），在JDK5中是远远胜出，为嘛不放弃synchronized呢？ReentrantLock的危险性要比同步机制高，如果忘记在finnally块中调用unlock，那么虽然代码表面上能正常运行，但实际上已经埋下了一颗定时炸弹，并很可能伤及其他代码。仅当内置锁不能满足需求时，才可以考虑使用ReentrantLock.
65. Happens-Before规则
程序顺序规则：如果程序中操作A在操作B之前，那么在线程中A操作将在B操作之前。
监视器锁规则：一个unlock操作现行发生于后面对同一个锁的lock操作。
volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的“后面”同样是指时间上的先后顺序。
线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
线程终止规则：线程的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等于段检测到线程已经终止执行。
线程中断规则：线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生。
终结器规则：对象的构造函数必须在启动该对象的终结器之前执行完成。
传递性：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。
注意：如果两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着java平台的具体实现必须要按照Happens-Before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法。
66. as-if-serial
不管怎么重排序，程序执行结果不能被改变。
67. ABA问题
ABA问题发生在类似这样的场景：线程1转变使用CAS将变量A的值替换为C，在此时，线程2将变量的值由A替换为C，又由C替换为A，然后线程1执行CAS时发现变量的值仍为A，所以CAS成功。但实际上这时的现场已经和最初的不同了。大多数情况下ABA问题不会产生什么影响。如果有特殊情况下由于ABA问题导致，可用采用AtomicStampedReference来解决，原理：乐观锁+version。可以参考下面的案例来了解其中的不同。
public class ABAQuestion {
private static AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(100);
private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef = new AtomicStampedReference<Integer>(100,0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
Thread thread1 = new Thread(new Runnable(){
@Override
public void run()
{
atomicInt.compareAndSet(100, 101);
atomicInt.compareAndSet(101, 100);
}
});
Thread thread2 = new Thread(new Runnable(){
@Override
public void run()
{
try
{
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
}
catch (InterruptedException e)
{
e.printStackTrace();
}
boolean c3 = atomicInt.compareAndSet(100, 101);
System.out.println(c3);
}
});
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
Thread thread3 = new Thread(new Runnable(){
@Override
public void run()
{
try
{
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
}
catch (InterruptedException e)
{
e.printStackTrace();
}
atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp()+1);
atomicStampedRef.compareAndSet(101, 100, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp()+1);
}
});
Thread thread4 = new Thread(new Runnable(){
@Override
public void run()
{
int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
try
{
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
}
catch (InterruptedException e)
{
e.printStackTrace();
}
boolean c3 = atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp+1);
System.out.println(c3);
}
});
thread3.start();
thread4.start();
}
}输出结果：true false
持续更新中~
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Java多线程知识小抄集(一)
Java多线程知识小抄集(二)
参考资料
1. 《Java多线程编程核心技术》高洪岩著。
2. 《Java并发编程的艺术》方腾飞 等著。
3. 《Java并发编程实战》Brian Goetz等著。
4. 深入JDK源码之ThreadLocal类
5. JAVA多线程之扩展ThreadPoolExecutor
6. Comparable与Comparator浅析
7. JAVA多线程之UncaughtExceptionHandler——处理非正常的线程中止
8. JAVA线程间协作：Condition
9. JAVA线程间协作：wait.notify.notifyAll
10. Java中的锁
11. Java守护线程概述
12. Java SimpleDateFormat的线程安全性问题
13. JAVA虚拟机关闭钩子(Shutdown Hook)