java进阶1 -「线程」

一进程和线程

什么是进程

进程是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位。系统运行一个程序即是一个进程从创建, 运行到消亡的过程。

在 Java 中，当我们启动 main 函数时其实就是启动了一个 JVM 的进程，而 main 函数所在的线程就是这个进程中的一个线程，也称主线程。

如下图所示，在 Windows 中通过查看任务管理器的方式，我们就可以清楚看到 Windows 当前运行的进程（.exe 文件的运行）。

什么是线程

线程与进程相似，但线程是一个比进程更小的执行单位，线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。与进程不同的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源，但每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈.

总结： 线程是进程划分成的更小的运行单位。线程和进程最大的不同在于基本上各进程是独立的，而各线程则不一定，因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。

二线程状态机

阻塞和等待的区别

阻塞: 当一个线程试图获得对象锁(非juc库中的锁，即synchronized)，而该锁被其他线程持有，则该线程进入阻塞状态。它的特点是使用简单，由jvm调度器来决定唤醒自己，而不是需要由另一个线程来显式唤醒自己，不响应中断

等待: 当一个线程等待另一个线程通知调度器一个条件时，该线程进入等待状态。它的特点是需要等待另一个线程显式地唤醒自己，实现灵活，语意更丰富，可响应中断。例如: Object.wait(), Thread.join() 以及LockSupport.park()

需要强调的是虽然synchronized和JUC里的Lock都实现锁的功能，但线程进入的状态是不一样的。synchronized会让线程进入阻塞态，而JUC里的lock是用LockSupport.park()/unpark()来实现阻塞/唤醒的，会让线程进入等待态。但事实上，虽然等待锁时进入的状态不一样，但被唤醒后又都进入runnable态，从行为效果来看又是一样的。

三面试问题

1 谈谈对 sleep, yield, join, interrupt, suspend的理解

(1) sleep

让线程睡眠，交出cpu，让cpu去执行其他的任务。不会释放锁，也就是说如果当前线程持有对某个对象的锁，则即使调用sleep方法，其他线程也无法访问这个对象。

(2) yield

让线程交出cpu，让cpu去执行其他的线程。它跟sleep方法类似，同样不会释放锁。但是yield不能控制具体的交出cpu的时间。

注意调用yield方法并不会让线程进入阻塞状态，而是让线程重回就绪状态，它只需要等待重新获得cpu执行时间。

(3) join

join()实际是利用了wait()，只不过它不用等待notify()/notifyAll()，且不受其影响。它结束的条件是：1）等待时间到；2）目标线程已经run完（通过isAlive()来判断）。

join和synchronized的区别是: join在内部使用wait()方法进行等待，而synchronized关键字使用的是"对象监视器"作为同步。

public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException {
    long base = System.currentTimeMillis();
    long now = 0;

    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }
    
    //0则需要一直等到目标线程run完
    if (millis == 0) {
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {
        //如果目标线程未run完且阻塞时间未到，那么调用线程会一直等待。
        while (isAlive()) {
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}

(4) interrupt

此操作会中断等待中的线程，并将线程的中断标志位置位。如果线程在运行态则不会受此影响。

可以通过以下三种方式来判断中断：

1)isInterrupted()

此方法只会读取线程的中断标志位，并不会重置。

2)interrupted()

此方法读取线程的中断标志位，并会重置。

3)throw InterruptException

抛出该异常的同时，会重置中断标志位。

(5) suspend/resume

挂起线程，直到被resume，才会苏醒

但调用suspend()的线程和调用resume()的线程，可能会因为争锁的问题而发生死锁，所以JDK 7开始已经不推荐使用了。

2 java如何停止一个线程

Java提供了很丰富的API但没有为停止线程提供API。JDK 1.0本来有一些像stop(), suspend() 和 resume()的控制方法。但是由于潜在的死锁威胁，在后续的JDK版本中他们被弃用了，之后Java API的设计者就没有提供一个兼容且线程安全的方法来停止一个线程。当run() 或者 call() 方法执行完的时候线程会自动结束,如果要手动结束一个线程，你可以用volatile 布尔变量来退出run()方法的循环或者是取消任务来中断线程。

    private class Runner extends Thread{
    volatile boolean bExit = false;
  
    public void exit(boolean bExit){
        this.bExit = bExit;
    }
  
    @Override
    public void run(){
        while(!bExit){
            System.out.println("Thread is running");
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException ex) {
                    Logger.getLogger(ThreadTester.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);
                }
        }
    }
}

3 在java中wait和sleep方法的不同

共同点：两者都可以暂停线程的执行。

区别：

sleep() 方法没有释放锁，而 wait() 方法释放了锁 。
wait() 通常被用于线程间交互/通信，sleep()通常被用于暂停执行。
wait() 方法被调用后，线程不会自动苏醒，需要别的线程调用同一个对象上的 notify()或者 notifyAll() 方法。sleep()方法执行完成后，线程会自动苏醒，或者也可以使用 wait(long timeout) 超时后线程会自动苏醒。
sleep() 是 Thread 类的静态本地方法，wait() 则是 Object 类的本地方法。为什么这样设计呢？下一个问题就会聊到。

4 为什么 wait() 方法不定义在 Thread 中？

wait() 是让获得对象锁的线程实现等待，会自动释放当前线程占有的对象锁。每个对象（Object）都拥有对象锁，既然要释放当前线程占有的对象锁并让其进入 WAITING 状态，自然是要操作对应的对象（Object）而非当前的线程（Thread）。

类似的问题：为什么 sleep() 方法定义在 Thread 中？

因为 sleep() 是让当前线程暂停执行，不涉及到对象类，也不需要获得对象锁。

5 为什么Thread类的sleep()和yield()方法是静态的

Thread类的sleep和yield都是作用在当前正在执行的线程上运行，所以其他处于等待状态的线程上调用这些方法是没有意义的。设置为静态表明在当前执行的线程上工作，避免开发错误地认为可以在其他非运行线程调用这些方法。

6 线程的优先级

Java中线程的优先级分为1-10这10个等级，如果小于1或大于10则JDK抛出IllegalArgumentException()的异常，默认优先级是5。在Java中线程的优先级具有继承性，比如A线程启动B线程，则B线程的优先级与A是一样的。注意程序正确性不能依赖线程的优先级高低，因为操作系统可以完全不理会Java线程优先级

7 java线程池中submit()和execute()方法有什么区别

两者都可以向线程池提交任务，execute()方法的返回类型是void, 它定义在Executor接口中，而submit()方法可以返回有计算结果得到Future对象，它定义在ExecutorService接口中，它扩展了Executor接口。

public interface ExecutorService extends Executor {
   ...
}

8 java中Runnable和Callable有什么不同

两者都代表那些要在不同的线程中执行的任务。Runnable从jdk1.0就开始有了，Callable是在jdk1.5增加的。它们的主要区别是Callable的call()方法可以返回值和抛出异常，而Runnable的run()没有这些功能。Callable可以装载有计算结果的Future对象。

9 守护进程及其典型应用

Java中有两种线程，一种是用户线程，另一种是守护线程。当进程中不存在非守护线程了，则守护线程自动销毁。通过setDaemon(true)设置线程为后台线程。注意thread.setDaemon(true)必须在thread.start()之前设置，否则会报IllegalThreadStateException异常, 你不能把正在运行的常规线程设置为守护线程；在Daemon线程中产生的新线程也是Daemon的.

守护线程最典型的应用就是 GC (垃圾回收器)

User和Daemon两者几乎没有区别，唯一的不同之处就在于虚拟机的离开：如果 User Thread已经全部退出运行了，只剩下Daemon Thread存在了，虚拟机也就退出了。因为没有了被守护者，Daemon也就没有工作可做了，也就没有继续运行程序的必要了。垃圾回收线程就是一个经典的守护线程，当我们的程序中不再有任何运行的Thread,程序就不会再产生垃圾，垃圾回收器也就无事可做，所以当垃圾回收线程是JVM上仅剩的线程时，垃圾回收线程会自动离开。它始终在低级别的状态中运行，用于实时监控和管理系统中的可回收资源。

10 线程间的同步的方式有哪些？

线程同步是两个或多个共享关键资源的线程的并发执行。应该同步线程以避免关键的资源使用冲突。

下面是几种常见的线程同步的方式：

互斥锁(Mutex)：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。比如 Java 中的 synchronized 关键词和各种 Lock 都是这种机制。
读写锁（Read-Write Lock）：允许多个线程同时读取共享资源，但只有一个线程可以对共享资源进行写操作。
信号量(Semaphore)：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量。
屏障（Barrier）：屏障是一种同步原语，用于等待多个线程到达某个点再一起继续执行。当一个线程到达屏障时，它会停止执行并等待其他线程到达屏障，直到所有线程都到达屏障后，它们才会一起继续执行。比如 Java 中的 CyclicBarrier 是这种机制。
事件(Event) :Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步。

11 wait, notify, notifyAll用法

首先要明确，只能在synchronized同步方法或者同步代码块中使用这些。在执行wait方法后，当前线程释放锁(这点与sleep, yield不同)。调用了wait函数的线程会一直等待，直到有其他线程调用了同一个对象的notify或notifyAll方法。需要注意的是，被唤醒并不代表立刻获得对象的锁，要等待执行notify方法的线程执行完，也即退出synchronized代码块后，当前线程才会释放锁，进而wait状态的线程才可以获得该对象锁

不在同步代码块会有IllegalMonitorStateException异常(RuntimeException)

* @throws  IllegalMonitorStateException  if the current thread is not
*               the owner of the object's monitor.

notify方法只会(随机)唤醒一个正在等待的线程，而notifyAll方法会唤醒所有正在等待的线程。如果一个对象之前没有调用wait方法，那么调用notify方法是没有任何影响的

12 interrupted和isInterrupted的区别

interrupted 判断当时线程是否已经是中断状态，执行后清除状态标志

isInterrupted 判断当时线程是否已经是中断状态，执行后不清除状态标志

public static boolean interrupted() {
    return currentThread().isInterrupted(true);
}
public boolean isInterrupted() {
    return isInterrupted(false);
}
private native boolean isInterrupted(boolean ClearInterrupted);

13 单核 CPU 上运行多个线程效率一定会高吗？

单核 CPU 同时运行多个线程的效率是否会高，取决于任务的性质。一般来说有两种类型的任务：CPU密集型和IO密集型。CPU密集型的线程主要进行计算和逻辑处理，需要占用大量的CPU资源。IO密集型的线程主要进行输入输出操作，如读写文件、网络通信等，需要等待IO设备的响应，而不占用太多的CPU资源。

在单核CPU上，同一时刻只能有一个线程在运行，其他线程需要等待CPU的时间片分配。如果线程是CPU密集型的，那么多个线程同时运行会导致频繁的线程切换，增加了系统的开销，降低了效率。如果线程是IO 密集型的，那么多个线程同时运行可以利用CPU在等待IO时的空闲时间，提高了效率。

14 什么是线程死锁?如何避免死锁?(衍生问题众多)

认识线程死锁

线程死锁描述的是这样一种情况：多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于线程被无限期地阻塞，因此程序不可能正常终止。

如下图所示，线程 A 持有资源 2，线程 B 持有资源 1，他们同时都想申请对方的资源，所以这两个线程就会互相等待而进入死锁状态。

下面通过一个例子来说明线程死锁,代码模拟了上图的死锁的情况 (代码来源于《并发编程之美》)：

public class DeadLockDemo {
    private static Object resource1 = new Object();//资源 1
    private static Object resource2 = new Object();//资源 2

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                }
            }
        }, "线程 1").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource1");
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                }
            }
        }, "线程 2").start();
    }
}

输出

Thread[线程 1,5,main]get resource1
Thread[线程 2,5,main]get resource2
Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 2,5,main]waiting get resource1

线程 A 通过 synchronized (resource1) 获得 resource1 的监视器锁，然后通过Thread.sleep(1000);让线程 A 休眠 1s 为的是让线程 B 得到执行然后获取到 resource2 的监视器锁。线程 A 和线程 B 休眠结束了都开始企图请求获取对方的资源，然后这两个线程就会陷入互相等待的状态，这也就产生了死锁。

上面的例子符合产生死锁的四个必要条件：

互斥条件：该资源任意一个时刻只由一个线程占用。
请求与保持条件：一个线程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
不剥夺条件: 线程已获得的资源在未使用完之前不能被其他线程强行剥夺，只有自己使用完毕后才释放资源。
循环等待条件: 若干线程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

如何预防和避免线程死锁?

如何预防死锁？ 破坏死锁的产生的必要条件即可：

破坏请求与保持条件：一次性申请所有的资源。
破坏不剥夺条件：占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源。
破坏循环等待条件：靠按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源，释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。

如何避免死锁？

避免死锁就是在资源分配时，借助于算法（比如银行家算法）对资源分配进行计算评估，使其进入安全状态。

安全状态 指的是系统能够按照某种线程推进顺序（P1、P2、P3……Pn）来为每个线程分配所需资源，直到满足每个线程对资源的最大需求，使每个线程都可顺利完成。称 <P1、P2、P3.....Pn> 序列为安全序列。

我们对线程 2 的代码修改成下面这样就不会产生死锁了。

new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                }
            }
        }, "线程 2").start();

输出

Thread[线程 1,5,main]get resource1
Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 1,5,main]get resource2
Thread[线程 2,5,main]get resource1
Thread[线程 2,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 2,5,main]get resource2

Process finished with exit code 0

我们分析一下上面的代码为什么避免了死锁的发生?

线程 1 首先获得到 resource1 的监视器锁,这时候线程 2 就获取不到了。然后线程 1 再去获取 resource2 的监视器锁，可以获取到。然后线程 1 释放了对 resource1、resource2 的监视器锁的占用，线程 2 获取到就可以执行了。这样就破坏了破坏循环等待条件，因此避免了死锁。

15 可以直接调用 Thread 类的 run 方法吗？

这是另一个非常经典的 Java 多线程面试问题，而且在面试中会经常被问到。很简单，但是很多人都会答不上来！

new 一个 Thread，线程进入了新建状态。调用 start()方法，会启动一个线程并使线程进入了就绪状态，当分配到时间片后就可以开始运行了。 start() 会执行线程的相应准备工作，然后自动执行 run() 方法的内容，这是真正的多线程工作。但是，直接执行 run() 方法，会把 run() 方法当成一个 main 线程下的普通方法去执行，并不会在某个线程中执行它，所以这并不是多线程工作。

总结：调用 start() 方法方可启动线程并使线程进入就绪状态，直接执行 run() 方法的话不会以多线程的方式执行。

16 进程间通信的方式

1. 管道( pipe )：管道是一种半双工（什么是半双工 https://tech.hqew.com/news_3834739）的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。

2. 有名管道 (named pipe) ：有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。

3. 信号量( semaphore ) ：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

4. 消息队列( message queue ) ：消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

5. 信号 ( signal ) ：信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

6. 共享内存( shared memory ) ：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号两，配合使用，来实现进程间的同步和通信。

7. 套接字( socket ) ：套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同机器间的进程通信。

17 高频设计题 - 有线程T1/T2/T3，如何确保T1执行之后执行T2，T2执行之后执行T3

a join方法

        final Thread T1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("T1...");
            }
        });
        final Thread T2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    T1.join();
                }catch (InterruptedException ex){
                    ex.printStackTrace();
                }
                System.out.println("T2...");
            }
        });
        final Thread T3 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    T2.join();
                }catch (InterruptedException ex){
                    ex.printStackTrace();
                }
                System.out.println("T3...");
            }
        });

        T3.start();
        T2.start();
        T1.start();

其他参看 https://www.cnblogs.com/yy3b2007com/p/8784383.html

18 高频设计题 - 生产者消费者模型

最常用的有界生产者-消费者模型，简单概括如下：

生产者持续生产，直到缓冲区满，阻塞；缓冲区不满后，继续生产
消费者持续消费，直到缓冲区空，阻塞；缓冲区不空后，继续消费
生产者可以有多个，消费者也可以有多个

可通过如下条件验证模型实现的正确性：

同一产品的消费行为一定发生在生产行为之后
任意时刻，缓冲区大小不小于0，不大于限制容量

前置接口定义

消费者:

public abstract class AbstractConsumer implements Runnable {
    protected abstract void consume() throws InterruptedException;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                consume();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                break;
            }
        }
    }
}

生产者:

public abstract class AbstractProducer implements Runnable {
    protected abstract void produce() throws InterruptedException;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                produce();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                break;
            }
        }
    }
}

bean:

public interface Model {
    Runnable newRunnableConsumer();
    Runnable newRunnableProducer();
}


public class Task {
    private int no;
    public Task(int no) {
        this.no = no;
    }

    public int getNo() {
        return no;
    }
}

实现1 - blockingQueue

BlockingQueue的写法最简单。核心思想是，把并发和容量控制封装在缓冲区中。

public class BlockingQueueModel implements Model {
    private final BlockingQueue<Task> blockingQueue;
    BlockingQueueModel(int capacity) {
        this.blockingQueue = new LinkedBlockingQueue<>(capacity);
    }

    private final AtomicInteger taskNo = new AtomicInteger(0);

    @Override
    public Runnable newRunnableConsumer() {
        return new AbstractConsumer() {
            @Override
            public void consume() throws InterruptedException {
                Task task = blockingQueue.take();
                // 固定时间范围的消费，模拟相对稳定的服务器处理过程
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500 + (long) (Math.random() * 500));
                System.out.println("consume: " + task.getNo());
            }
        };
    }

    @Override
    public Runnable newRunnableProducer() {
        return new AbstractProducer() {
            @Override
            public void produce() throws InterruptedException {
                // 不定期生产，模拟随机的用户请求
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep((long) (Math.random() * 1000));
                Task task = new Task(taskNo.getAndIncrement());
                blockingQueue.put(task);
                System.out.println("produce: " + task.getNo());
            }
        };
    }

    public static void main(String[] args) {
        Model model = new BlockingQueueModel(3);
        Arrays.asList(1, 2).forEach(x -> new Thread(model.newRunnableConsumer()).start());
        Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5).forEach(x -> new Thread(model.newRunnableProducer()).start());
    }
}

运行结果：

由于数据操作和日志输出是两个事务，所以上述日志的绝对顺序未必是真实的数据操作顺序，但对于同一个任务号task.getNo，其consume日志一定出现在其produce日志之后，即：同一任务的消费行为一定发生在生产行为之后。

实现2 - wait和notify

Object类提供的wait()方法与notifyAll()方法。朴素的wait&&notify机制不那么灵活，但足够简单

public class WaitNotifyModel implements Model {

    private final Object BUFFER_LOCK = new Object();

    private final Queue<Task> queue = new LinkedList<>();
    private final int capacity;

    public WaitNotifyModel(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
    }

    private final AtomicInteger taskNo = new AtomicInteger(0);

    @Override
    public Runnable newRunnableConsumer() {
        return new AbstractConsumer() {
            @Override
            public void consume() throws InterruptedException {
                synchronized (BUFFER_LOCK) {
                    while (queue.isEmpty()) {
                        BUFFER_LOCK.wait();
                    }

                    Task task = queue.poll();
                    assert task != null;
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500 + (long) (Math.random() * 500));
                    System.out.println("consume: " + task.getNo());
                    BUFFER_LOCK.notifyAll();
                }
            }
        };
    }

    @Override
    public Runnable newRunnableProducer() {
        return new AbstractProducer() {
            @Override
            public void produce() throws InterruptedException {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep((long) (Math.random() * 1000));
                synchronized (BUFFER_LOCK) {
                    while (queue.size() == capacity) {
                        BUFFER_LOCK.wait();
                    }
                    Task task = new Task(taskNo.getAndIncrement());
                    queue.offer(task);
                    System.out.println("produce: " + task.getNo());
                    BUFFER_LOCK.notifyAll();
                }
            }
        };
    }

    public static void main(String[] args) {
        Model model = new BlockingQueueModel(3);
        Arrays.asList(1, 2).forEach(x -> new Thread(model.newRunnableConsumer()).start());
        Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5).forEach(x -> new Thread(model.newRunnableProducer()).start());
    }
}

View Code

实现3 - lock和condition

java.util.concurrent包提供的Lock && Condition，对于实现二的简单变形

public class LockConditionModel implements Model {

    private final Lock BUFFER_LOCK = new ReentrantLock();
    private final Condition CONDITION = BUFFER_LOCK.newCondition();
    private final Queue<Task> queue = new LinkedList<>();

    private final int capacity;

    public LockConditionModel(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
    }

    private final AtomicInteger taskNo = new AtomicInteger(0);

    @Override
    public Runnable newRunnableConsumer() {
        return new AbstractConsumer() {
            @Override
            public void consume() throws InterruptedException {
                BUFFER_LOCK.lockInterruptibly();
                try {
                    while (queue.isEmpty()) {
                        CONDITION.await();
                    }

                    Task task = queue.poll();
                    assert task != null;
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500 + (long) (Math.random() * 500));
                    System.out.println("consume: " + task.getNo());
                    CONDITION.signalAll();
                } finally {
                    BUFFER_LOCK.unlock();
                }
            }
        };
    }

    @Override
    public Runnable newRunnableProducer() {
        return new AbstractProducer() {
            @Override
            public void produce() throws InterruptedException {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep((long) (Math.random() * 1000));

                BUFFER_LOCK.lockInterruptibly();

                try {
                    while (queue.size() == capacity) {
                        CONDITION.await();
                    }
                    Task task = new Task(taskNo.getAndIncrement());
                    queue.offer(task);
                    System.out.println("produce: " + task.getNo());
                    CONDITION.signalAll();
                } finally {
                    BUFFER_LOCK.unlock();
                }
            }
        };
    }

    public static void main(String[] args) {
        Model model = new BlockingQueueModel(3);
        Arrays.asList(1, 2).forEach(x -> new Thread(model.newRunnableConsumer()).start());
        Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5).forEach(x -> new Thread(model.newRunnableProducer()).start());
    }
}

View Code

实现4 - 更高并发性能的lock和condition

实现三有一个问题，通过实践可以发现，实现二，三的效率明显低于实现一，并发瓶颈很明显，因为在锁 BUFFER_LOCK 看来，任何消费者线程与生产者线程都是一样的。换句话说，同一时刻，最多只允许有一个线程（生产者或消费者，二选一）操作缓冲区 buffer。

而实际上，如果缓冲区是一个队列的话，“生产者将产品入队”与“消费者将产品出队”两个操作之间没有同步关系，可以在队首出队的同时，在队尾入队。理想性能可提升至两倍。

去掉这个瓶颈

那么思路就简单了：需要两个锁 CONSUME_LOCK与PRODUCE_LOCK，CONSUME_LOCK控制消费者线程并发出队，PRODUCE_LOCK控制生产者线程并发入队；相应需要两个条件变量NOT_EMPTY与NOT_FULL，NOT_EMPTY负责控制消费者线程的状态（阻塞、运行），NOT_FULL负责控制生产者线程的状态（阻塞、运行）。以此让优化消费者与消费者（或生产者与生产者）之间是串行的；消费者与生产者之间是并行的。

public class LockConditionPreferModel implements Model {

    private final Lock CONSUMER_LOCK = new ReentrantLock();
    private final Condition NOT_EMPTY_CONDITION = CONSUMER_LOCK.newCondition();

    private final Lock PRODUCER_LOCK = new ReentrantLock();
    private final Condition NOT_FULL_CONDITION = PRODUCER_LOCK.newCondition();
    private AtomicInteger bufLen = new AtomicInteger(0);
    private final Buffer<Task> buffer = new Buffer<>();

    private final int capacity;

    public LockConditionPreferModel(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
    }

    private final AtomicInteger taskNo = new AtomicInteger(0);

    @Override
    public Runnable newRunnableConsumer() {
        return new AbstractConsumer() {
            @Override
            public void consume() throws InterruptedException {
                int newBufSize;
                CONSUMER_LOCK.lockInterruptibly();
                try {
                    while (bufLen.get() == 0) {
                        System.out.println("buffer is empty...");
                        NOT_EMPTY_CONDITION.await();
                    }

                    Task task = buffer.poll();
                    newBufSize = bufLen.decrementAndGet();
                    assert task != null;
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500 + (long) (Math.random() * 500));
                    System.out.println("consume: " + task.getNo());
                    if (newBufSize > 0) {
                        NOT_EMPTY_CONDITION.signalAll();
                    }
                } finally {
                    CONSUMER_LOCK.unlock();
                }

                if (newBufSize < capacity) {
                    PRODUCER_LOCK.lockInterruptibly();
                    try {
                        NOT_FULL_CONDITION.signalAll();
                    } finally {
                        PRODUCER_LOCK.unlock();
                    }
                }
            }
        };
    }

    @Override
    public Runnable newRunnableProducer() {
        return new AbstractProducer() {
            @Override
            public void produce() throws InterruptedException {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep((long) (Math.random() * 1000));
                int newBufSize;
                PRODUCER_LOCK.lockInterruptibly();

                try {
                    while (bufLen.get() == capacity) {
                        System.out.println("buffer is full...");
                        NOT_FULL_CONDITION.await();
                    }
                    Task task = new Task(taskNo.getAndIncrement());
                    buffer.offer(task);
                    newBufSize = bufLen.incrementAndGet();
                    System.out.println("produce: " + task.getNo());
                    NOT_FULL_CONDITION.signalAll();
                } finally {
                    PRODUCER_LOCK.unlock();
                }

                if (newBufSize > 0) {
                    CONSUMER_LOCK.unlock();
                    try {
                        NOT_EMPTY_CONDITION.signalAll();
                    } finally {
                        CONSUMER_LOCK.unlock();
                    }
                }
            }
        };
    }

    private static class Buffer<E> {
        private Node head;
        private Node tail;

        Buffer() {
            head = tail = new Node(null);
        }

        private void offer(E e) {
            tail.next = new Node(e);
            tail = tail.next;
        }

        private E poll() {
            head = head.next;
            E e = head.item;
            head.item = null;
            return e;
        }

        private class Node {
            E item;
            Node next;

            Node(E item) {
                this.item = item;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Model model = new BlockingQueueModel(3);
        Arrays.asList(1, 2).forEach(x -> new Thread(model.newRunnableConsumer()).start());
        Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5).forEach(x -> new Thread(model.newRunnableProducer()).start());
    }
}

View Code

需要注意的是，由于需要同时在UnThreadSafe的缓冲区 buffer 上进行消费与生产，我们不能使用实现二、三中使用的队列了，需要自己实现一个简单的缓冲区 Buffer。Buffer要满足以下条件：

在头部出队，尾部入队
在poll()方法中只操作head
在offer()方法中只操作tail

实现要点：

1. 持有两种锁

2. 每次生产(/消费)结束会检验数据状态更新另一种锁，当然更新的过程要用相应的锁同步。

还能进一步优化吗

我们已经优化掉了消费者与生产者之间的瓶颈，还能进一步优化吗？

如果可以，必然是继续优化消费者与消费者（或生产者与生产者）之间的并发性能。然而，消费者与消费者之间必须是串行的，因此，并发模型上已经没有地方可以继续优化了。

不过在具体的业务场景中，一般还能够继续优化。如：

并发规模中等，可考虑使用CAS代替重入锁
模型上不能优化，但一个消费行为或许可以进一步拆解、优化，从而降低消费的延迟
一个队列的并发性能达到了极限，可采用“多个队列”（如分布式消息队列等）

补充一下LinkedBlockingQueue在新增和删除时候的各个方法的区别:

一般情况建议用offer和poll，是即时操作，如果带时间的offer和poll相当于限时的同步等待

永久的同步等待使用put和take（@see 上面的实现一）

19 高频设计题 - 交替打印A，B

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
        Condition condition = lock.newCondition();
        AtomicBoolean isA = new AtomicBoolean(true);
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
 
                lock.lock();
                try {
                    while (!isA.get()) {
                        //不是自己打印的标志就释放锁
                        try {
                            condition.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            throw new RuntimeException(e);
                        }
                    }
                    System.out.print("A");
                    isA.set(false);
                    condition.signalAll();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }).start();
 
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                lock.lock();
                try {
                    while (isA.get()) {
                        //不是自己打印的标志就释放锁
                        try {
                            condition.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            throw new RuntimeException(e);
                        }
                    }
                    System.out.print("B");
                    isA.set(true);
                    condition.signalAll();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }).start();
 
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> queueA = new LinkedBlockingQueue<>(1);
        BlockingQueue<Integer> queueB = new LinkedBlockingQueue<>(1);
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    queueA.put(i);
                    System.out.print("A");
                    queueB.put(i);
                }catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        }).start();
 
        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    queueB.take();
                    System.out.print("B");
                    queueA.take();
                }catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        }).start();
    }
}

posted @ 2018-03-26 11:53 balfish 阅读(416) 评论(0) 收藏举报

刷新页面返回顶部

宇宙唯心

mountain tall~

java进阶1 -「线程」

一进程和线程

什么是进程

什么是线程

二线程状态机

阻塞和等待的区别

三面试问题

1 谈谈对 sleep, yield, join, interrupt, suspend的理解

2 java如何停止一个线程

3 在java中wait和sleep方法的不同

4 为什么 wait() 方法不定义在 Thread 中？

5 为什么Thread类的sleep()和yield()方法是静态的

6 线程的优先级

7 java线程池中submit()和execute()方法有什么区别

8 java中Runnable和Callable有什么不同

9 守护进程及其典型应用

10 线程间的同步的方式有哪些？

11 wait, notify, notifyAll用法

12 interrupted和isInterrupted的区别

13 单核 CPU 上运行多个线程效率一定会高吗？

14 什么是线程死锁?如何避免死锁?(衍生问题众多)

认识线程死锁

如何预防和避免线程死锁?

15 可以直接调用 Thread 类的 run 方法吗？

16 进程间通信的方式

17 高频设计题 - 有线程T1/T2/T3，如何确保T1执行之后执行T2，T2执行之后执行T3

18 高频设计题 - 生产者消费者模型

19 高频设计题 - 交替打印A，B

公告

宇宙唯心

mountain tall~

java进阶1 -「线程」

一 进程和线程

什么是进程

什么是线程

二 线程状态机

阻塞和等待的区别

三 面试问题

1 谈谈对 sleep, yield, join, interrupt, suspend的理解

2 java如何停止一个线程

3 在java中wait和sleep方法的不同

4 为什么 wait() 方法不定义在 Thread 中？

5 为什么Thread类的sleep()和yield()方法是静态的

6 线程的优先级

7 java线程池中submit()和execute()方法有什么区别

8 java中Runnable和Callable有什么不同

9 守护进程及其典型应用

10 线程间的同步的方式有哪些？

11 wait, notify, notifyAll用法

12 interrupted和isInterrupted的区别

13 单核 CPU 上运行多个线程效率一定会高吗？

14 什么是线程死锁?如何避免死锁?(衍生问题众多)

认识线程死锁

如何预防和避免线程死锁?

15 可以直接调用 Thread 类的 run 方法吗？

16 进程间通信的方式

17 高频设计题 - 有线程T1/T2/T3，如何确保T1执行之后执行T2，T2执行之后执行T3

18 高频设计题 - 生产者消费者模型

19 高频设计题 - 交替打印A，B

公告

一进程和线程

二线程状态机

三面试问题