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还不懂 Java 中的多线程？

2019-07-08    
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还不懂 Java 中的多线程？

 

作者 | 纳达丶无忌

原文 | jianshu.com/p/40d4c7aebd66

前言

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正文

如果对什么是线程、什么是进程仍存有疑惑，请先 google 之，因为这两个概念不在本文的范围之内。

用多线程只有一个目的，那就是更好的利用 CPU 的资源，因为所有的多线程代码都可以用单线程来实现。说这个话其实只有一半对，因为反应“多角色”的程序代码，最起码每个角色要给他一个线程吧，否则连实际场景都无法模拟，当然也没法说能用单线程来实现：比如最常见的“生产者，消费者模型”。

很多人都对其中的一些概念不够明确，如同步、并发等等，让我们先建立一个数据字典，以免产生误会。

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并发与并行

void transferMoney(User from, User to, float amount){ to.setMoney(to.getBalance + amount); from.setMoney(from.getBalance - amount);}

好了，让我们开始吧。我准备分成几部分来总结涉及到多线程的内容：

1. 扎好马步：线程的状态

2. 内功心法：每个对象都有的方法（机制）

3. 太祖长拳：基本线程类

4. 九阴真经：高级多线程控制类

扎好马步：线程的状态

先来两张图：

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线程状态

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线程状态转换

各种状态一目了然，值得一提的是 "Blocked" 和 "Waiting" 这两个状态的区别：

Waiting 状态和Blocked 状态有点费解，我个人的理解是：Blocked 其实也是一种 wait ，等待的是 monitor ，但是和Waiting 状态不一样，举个例子，有三个线程进入了同步块，其中两个调用了 object.wait，进入了 Waiting 状态，这时第三个调用了 object.notifyAll ，这时候前两个线程就一个转移到了 Runnable,一个转移到了 Blocked。

从下文的 monitor 结构图来区别：每个 Monitor 在某个时刻，只能被一个线程拥有，该线程就是 “Active Thread”，而其它线程都是 “Waiting Thread”，分别在两个队列 “ Entry Set” 和 “Wait Set” 里面等候。在 “Entry Set” 中等待的线程状态 Blocked,从 jstack 的dump 中来看是 “Waiting for monitor entry”，而在 “Wait Set” 中等待的线程状态是 Waiting，表现在 jstack 的 dump 中是 “in Object.wait”。

此外，在 runnable 状态的线程是处于被调度的线程，此时的调度顺序是不一定的。Thread 类中的 yield 方法可以让一个 running 状态的线程转入 runnable。

内功心法：每个对象都有的方法（机制）

synchronized, wait, notify 是任何对象都具有的同步工具。让我们先来了解他们

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monitor

他们是应用于同步问题的人工线程调度工具。讲其本质，首先就要明确 monitor 的概念，Java 中的每个对象都有一个监视器，来监测并发代码的重入。在非多线程编码时该监视器不发挥作用，反之如果在 synchronized 范围内，监视器发挥作用。

wait/notify 必须存在于 synchronized 块中。并且，这三个关键字针对的是同一个监视器（某对象的监视器）。这意味着 wait之后，其他线程可以进入同步块执行。

当某代码并不持有监视器的使用权时（如图中5的状态，即脱离同步块）去 wait 或 notify，会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException。

也包括在 synchronized 块中去调用另一个对象的 wait/notify，因为不同对象的监视器不同，同样会抛出此异常。

再讲用法：


 

 

public class Thread1 implements Runnable { Object lock; public void run { synchronized(lock){ ..do something } } }


 

 

public class Thread1 implements Runnable { public synchronized void run { ..do something }}


 

 

/** * 生产者生产出来的产品交给店员 */ public synchronized void produce { if(this.product >= MAX_PRODUCT) { try { wait; System.out.println("产品已满,请稍候再生产"); } catch(InterruptedException e) { e.printStackTrace ; } return; }

this.product++; System.out.println("生产者生产第" + this.product + "个产品."); notifyAll; //通知等待区的消费者可以取出产品了 } /** * 消费者从店员取产品 */ public synchronized void consume { if(this.product <= MIN_PRODUCT) { try { wait; System.out.println("缺货,稍候再取"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace; } return; } System.out.println("消费者取走了第" + this.product + "个产品."); this.product--; notifyAll; //通知等待去的生产者可以生产产品了 }

volatile

多线程的内存模型：main memory（主存）、working memory（线程栈），在处理数据时，线程会把值从主存 load 到本地栈，完成操作后再 save 回去 (volatile 关键词的作用：每次针对该变量的操作都激发一次 load and save) 。

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volatile

针对多线程使用的变量如果不是 volatile 或者 final 修饰的，很有可能产生不可预知的结果（另一个线程修改了这个值，但是之后在某线程看到的是修改之前的值）。其实道理上讲同一实例的同一属性本身只有一个副本。但是多线程是会缓存值的，本质上，volatile 就是不去缓存，直接取值。在线程安全的情况下加 volatile 会牺牲性能。

太祖长拳：基本线程类

基本线程类指的是 Thread 类，Runnable 接口，Callable 接口

Thread 类实现了 Runnable 接口，启动一个线程的方法：


 

 

MyThread my = new MyThread; my.start;

Thread类相关方法


 

 

//当前线程可转让 cpu 控制权，让别的就绪状态线程运行（切换）public static Thread.yield//暂停一段时间public static Thread.sleep //在一个线程中调用 other.join,将等待other执行完后才继续本线程。 public join//后两个函数皆可以被打断public interrupte

关于中断：它并不像 stop 方法那样会中断一个正在运行的线程。线程会不时地检测中断标识位，以判断线程是否应该被中断（中断标识值是否为 true ）。终端只会影响到 wait 状态、sleep 状态和 join 状态。被打断的线程会抛出 InterruptedException。

Thread.interrupted 检查当前线程是否发生中断，返回boolean

synchronized 在获锁的过程中是不能被中断的。

中断是一个状态！interrupt方法只是将这个状态置为 true 而已。所以说正常运行的程序不去检测状态，就不会终止，而 wait 等阻塞方法会去检查并抛出异常。如果在正常运行的程序中添加while(!Thread.interrupted) ，则同样可以在中断后离开代码体

Thread类最佳实践：

写的时候最好要设置线程名称 Thread.name，并设置线程组 ThreadGroup，目的是方便管理。在出现问题的时候，打印线程栈 (jstack -pid) 一眼就可以看出是哪个线程出的问题，这个线程是干什么的。

如何获取线程中的异常

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不能用try,catch来获取线程中的异常

Runnable

与 Thread 类似

Callable

future 模式：并发模式的一种，可以有两种形式，即无阻塞和阻塞，分别是 isDone 和 get。其中 Future 对象用来存放该线程的返回值以及状态


 

 

ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);//submit 方法有多重参数版本，及支持 callable 也能够支持runnable 接口类型. Future future = e.submit(new myCallable);future.isDone //return true,false 无阻塞 future.get // return 返回值，阻塞直到该线程运行结束

九阴真经：高级多线程控制类

以上都属于内功心法，接下来是实际项目中常用到的工具了，Java1.5 提供了一个非常高效实用的多线程包: java.util.concurrent, 提供了大量高级工具,可以帮助开发者编写高效、易维护、结构清晰的 Java 多线程程序。

1.ThreadLocal类

用处：保存线程的独立变量。对一个线程类（继承自 Thread )当使用 ThreadLocal 维护变量时，ThreadLocal 为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。常用于用户登录控制，如记录 session 信息。

实现：每个Thread 都持有一个 TreadLocalMap 类型的变量（该类是一个轻量级的 Map，功能与 map 一样，区别是桶里放的是 entry 而不是 entry 的链表。功能还是一个 map 。）以本身为 key，以目标为 value。主要方法是 get 和 set(T a)，set 之后在 map 里维护一个threadLocal -> a，get 时将 a 返回。ThreadLocal 是一个特殊的容器。

2.原子类（AtomicInteger、AtomicBoolean……）

如果使用 atomic wrApper class 如 atomicInteger，或者使用自己保证原子的操作，则等同于 synchronized


 

 

//返回值为 booleanAtomicInteger.compareAndSet(int expect,int update)

该方法可用于实现乐观锁，考虑文中最初提到的如下场景：a 给 b 付款10元，a 扣了 10 元，b 要加 10 元。此时 c 给 b 2 元，但是 b的加十元代码约为：


 

if(b.value.compareAndSet(old, value)){ return ;}else{ //try again // if that fails, rollback and log}

AtomicReference

对于 AtomicReference 来讲，也许对象会出现，属性丢失的情况，即 oldObject == current，但是 oldObject.getPropertyA != current.getPropertyA。这时候，AtomicStampedReference 就派上用场了。这也是一个很常用的思路，即加上版本号

3.Lock类

lock: 在 java.util.concurrent 包内。共有三个实现：

主要目的是和 synchronized 一样， 两者都是为了解决同步问题，处理资源争端而产生的技术。功能类似但有一些区别。

区别如下：

1.lock 更灵活，可以自由定义多把锁的枷锁解锁顺（synchronized 要按照先加的后解顺序）

2.提供多种加锁方案，lock 阻塞式, trylock 无阻塞式, lockInterruptily 可打断式， 还有 trylock 的带超时时间版本

3.本质上和监视器锁（即 synchronized 是一样的）

4.能力越大，责任越大，必须控制好加锁和解锁，否则会导致灾难。

5.和 Condition 类的结合。

6.性能更高，对比如下图：

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synchronized和Lock性能对比

ReentrantLock

可重入的意义在于持有锁的线程可以继续持有，并且要释放对等的次数后才真正释放该锁。

使用方法是：

1.先 new 一个实例


 

 

static ReentrantLock r=new ReentrantLock;

2.加锁


 

r.lock或 r.lockInterruptibly;

此处也是个不同，后者可被打断。当 a 线程 lock 后，b 线程阻塞，此时如果是 lockInterruptibly，那么在调用 b.interrupt 之后，b 线程退出阻塞，并放弃对资源的争抢，进入 catch 块。（如果使用后者，必须 throw interruptable exception 或 catch）

3.释放锁


 

 

r.unlock

必须做！何为必须做呢，要放在 finally 里面。以防止异常跳出了正常流程，导致灾难。这里补充一个小知识点，finally 是可以信任的：经过测试，哪怕是发生了 OutofMemoryError ，finally 块中的语句执行也能够得到保证。

ReentrantReadWriteLock

可重入读写锁（读写锁的一个实现）


 

 

ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLockReadLock r = lock.readLock; WriteLock w = lock.writeLock;

两者都有 lock,unlock 方法。写写，写读互斥；读读不互斥。可以实现并发读的高效线程安全代码

4.容器类

这里就讨论比较常用的两个：

BlockingQueue

阻塞队列。该类是 java.util.concurrent 包下的重要类，通过对 Queue 的学习可以得知，这个 queue 是单向队列，可以在队列头添加元素和在队尾删除或取出元素。类似于一个管道，特别适用于先进先出策略的一些应用场景。普通的 queue 接口主要实现有 PriorityQueue（优先队列），有兴趣可以研究

BlockingQueue 在队列的基础上添加了多线程协作的功能：

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BlockingQueue

除了传统的 queue 功能（表格左边的两列）之外，还提供了阻塞接口 put 和 take，带超时功能的阻塞接口 offer 和 poll。put 会在队列满的时候阻塞，直到有空间时被唤醒；take 在队 列空的时候阻塞，直到有东西拿的时候才被唤醒。用于生产者-消费者模型尤其好用，堪称神器。

常见的阻塞队列有：

** ConcurrentHashMap**

高效的线程安全哈希 map。请对比 hashTable , concurrentHashMap, HashMap

5.管理类

管理类的概念比较泛，用于管理线程，本身不是多线程的，但提供了一些机制来利用上述的工具做一些封装。

了解到的值得一提的管理类：ThreadPoolExecutor 和 JMX框架下的系统级管理类 ThreadMXBean

ThreadPoolExecutor

如果不了解这个类，应该了解前面提到的 ExecutorService，开一个自己的线程池非常方便


 

 

ExecutorService e = Executors.newCachedThreadPool; ExecutorService e =Executors.newSingleThreadExecutor; ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3); // 第一种是可变大小线程池，按照任务数来分配线程， // 第二种是单线程池，相当于 FixedThreadPool(1) // 第三种是固定大小线程池。 // 然后运行 e.execute(new MyRunnableImpl);

该类内部是通过 ThreadPoolExecutor 实现的，掌握该类有助于理解线程池的管理，本质上，他们都是 ThreadPoolExecutor 类的各种实现版本。请参见 javadoc：

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ThreadPoolExecutor参数解释

翻译一下：

corePoolSize: 池内线程初始值与最小值，就算是空闲状态，也会保持该数量线程。

maximumPoolSize: 线程最大值，线程的增长始终不会超过该值。

keepAliveTime: 当池内线程数高于 corePoolSize 时，经过多少时间多余的空闲线程才会被回收。回收前处于 wait 状态

unit：

时间单位，可以使用 TimeUnit 的实例，如 TimeUnit.MILLISECONDS

workQueue: 待入任务（Runnable）的等待场所，该参数主要影响调度策略，如公平与否，是否产生饿死 (starving)

threadFactory: 线程工厂类，有默认实现，如果有自定义的需要则需要自己实现 ThreadFactory 接口并作为参数传入。

请注意：该类十分常用，作者80%的多线程问题靠他。

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