多线程高并发编程(1) -- 基础及详解

背景:

  进程和线程的区别:

  进程的内存大小为:堆内存+线程数量*栈内存线程数量 =( 最大地址空间[MaxProcessMemory] - JVM堆内存 - 系统保留内存[ReservedOsMemory] )/ ThreadStackSize(XSS)从中可以看出,线程的数量随栈内存的增多而减少。

  线程是程序执行的一个路径,每一个线程都有自己的局部变量表、程序计数器(指向正在执行的指令指针)以及各自的生命周期。当启动了一个Java虚拟机(JVM)时,从操作系统开始就会创建一个新的进程(JVM进程),JVM进程将会派生或者创建很多线程。

  • 一个线程的创建肯定是由另一个线程完成的;
  • 被创建线程的父线程是创建它的线程;

  线程会带来额外的开销,如CPU调度时间、并发控制开销等;每个线程在自己的工作内存交互,加载和存储主内存控制不当会造成数据不一致。

一.线程创建方式:

  • 构造Thread类:实现线程的执行单元run有两种方式,分别是下面

    • 继承Thread,重写run方法:Thread实现了Runnable接口,使用start开启线程,start开启后线程会加入调度器,然后调用run方法,start会调用start0本地方法跟OS进行交互运行;下面是start源码解析

      /**
       * Causes this thread to begin execution; the Java Virtual Machine
       * calls the <code>run</code> method of this thread.
       * 开启线程,JVM会调用run方法【start使用了模板方法】
       * <p>
       * It is never legal to start a thread more than once.
       * 不能两次启动线程,否则报IllegalThreadStateException异常
       * In particular, a thread may not be restarted once it has completed
       * execution.
       * 一个线程生命周期结束,也就是到了TERMINATED状态,再次调用start方法是不允许的,
       * 也就是TERMINATED状态没法回到RUNNABLE/RUNNING状态。
       *
       * @exception  IllegalThreadStateException  if the thread was already
       *               started.
       * @see        #run()
       * @see        #stop()
       */
      public synchronized void start() {//线程安全的
          /**
           * This method is not invoked for the main method thread or "system"
           * group threads created/set up by the VM. Any new functionality added
           * to this method in the future may have to also be added to the VM.
           * 这个方法不会被主线程调用或通过虚拟机系统线程组创建起来。未来任何添加到该方法里的新功能可能需要加入到虚拟机中
           *
           * A zero status value corresponds to state "NEW".
      * 线程被构造后的new状态,threadStatus的属性值是0
      */ if (threadStatus != 0) throw new IllegalThreadStateException(); /* Notify the group that this thread is about to be started * so that it can be added to the group's list of threads * and the group's unstarted count can be decremented.
      * 通知线程组新线程将要启动,以便它可以添加到线程组列表并且线程组没有开始计数
      */ group.add(this);//加入线程组 boolean started = false; try { start0();//调用本地方法 started = true; } finally { try { if (!started) {//启动失败 group.threadStartFailed(this);//线程启动失败,从组中移除该线程 } } catch (Throwable ignore) { /* do nothing. If start0 threw a Throwable then it will be passed up the call stack */ } } }
      void add(Thread t) {
      synchronized (this) {
      if (destroyed) {//线程组状态校验
      throw new IllegalThreadStateException();
      }
      if (threads == null) {
      threads = new Thread[4];//初始化长度为4的线程组
      } else if (nthreads == threads.length) {
      threads = Arrays.copyOf(threads, nthreads * 2);//数组满了就扩容2倍
      }
      threads[nthreads] = t;//当前线程添加到线程组中

      // This is done last so it doesn't matter in case the
      // thread is killed
      nthreads++;//线程数+1

      // The thread is now a fully fledged member of the group, even
      // though it may, or may not, have been started yet. It will prevent
      // the group from being destroyed so the unstarted Threads count is
      // decremented.
      nUnstartedThreads--;//未启动线程数-1
      }
      }
      private native void start0();//本地方法调用重写的run方法
      void threadStartFailed(Thread t) {
      synchronized(this) {
      remove(t);//移除当前线程
      nUnstartedThreads++;//没有启动的线程数量+1
      }
      }

      //=======================测试============================
      Thread t = new Thread(){
        @Override
        public void run(){
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
      };
      t.start();
      t.start();//不能两次启动,第二次启动是不允许的,报IllegalThreadStateException,此时该线程是处于运行状态
      //=======================测试============================== Thread t = new Thread(){ @Override public void run(){ try { TimeUnit.SECONDS.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }; t.start(); TimeUnit.SECONDS.sleep(10);//设置休眠时间,上面的线程的生命周期已经终止,下面再次启动报IllegalThreadStateException t.start();
    • 实现Runnable接口,重写run方法并且将Runnable实例用作构造Thread的参数【单继承有局限性,推荐使用接口】:将线程的控制(start)和业务逻辑(run)的运行彻底分离开来,使用的是策略模式;Thread的run方法是不能共享的,但Runnbale的run方法可以共享,使用同一个Runnable的实例构造不同的Thread实例;把实现类对象(实现Runnable接口的类的实例化)放入代理类对象(Thread构造方法)中,使用的是代理模式;下面是静态代理的代码解释:

      public class StaticProxy {
          public static void main(String[] args) {
              new Weeding(new Me()).happyMarry();
      //        new Thread(对象).start();类似
          }
      }
      
      interface Marry {
          void happyMarry();
      }
      //真实角色
      class Me implements Marry {
          @Override
          public void happyMarry() {
              System.out.println("me will marry!");
          }
      }
      //代理对象
      class Weeding implements Marry{
          //真实角色
          private Marry marry;
          public Weeding(Marry marry){
              this.marry=marry;
          }
          @Override
          public void happyMarry() {
              System.out.println("start");
              marry.happyMarry();
              System.out.println("end");
          }
      }
  • 实现Callable接口,重写call方法,Future获取返回值:Callable能接受一个泛型,然后在call方法中返回一个指定类型的值;

    public interface Callable<V> {
        V call() throws Exception;
    } 
    //线程池队列开启线程,不会产生脏读数据
    //使用步骤:
    //1.创建目标对象new
    //2.创建执行服务线程池
    //3.提交执行submit
    //4.获取结构get
    //5.关闭服务shutdownNow
    public class MyThread implements Callable {
        private static int count = 20;
    
        public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
            MyThread m1 = new MyThread();
            MyThread m2 = new MyThread();
            MyThread m3 = new MyThread();
            MyThread m4 = new MyThread();
            ScheduledExecutorService service = new ScheduledThreadPoolExecutor(2,
                    new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("schedule-pool-%d").daemon(true).build());
            Future submit = service.submit(m1);
            Future submit1 = service.submit(m2);
            Future submit2 = service.submit(m3);
            Future submit3 = service.submit(m4);
            System.out.println(submit.get());
            System.out.println(submit1.get());
            System.out.println(submit2.get());
            System.out.println(submit3.get());
            service.shutdown();
    
        }
    
        @Override
        public Object call() throws Exception {
            count--;
            return count;
        }
    }
  • 匿名内部类;

            new Thread(){//相当于继承Thread的方式
                public void run(){
                    System.out.println("thread1 start ... ");
                }
            }.start();
    
    
            new Thread(new Runnable() {//相当于实现Runnable接口的方式
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("thread2 start .... ");
                }
            }).start();
  • 定时器(Timer);

            Timer timer = new Timer();//创建时间器
            timer.schedule(new TimerTask() {//使用schedule,参数为定时器任务并重写run方法
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("timer task is run");
                }
            }, 0, 1000);
  • 线程池(内部使用队列,所以加入线程池的线程是顺序执行):使用execute和重写Runnbale的run方法;

    ScheduledExecutorService service = new ScheduledThreadPoolExecutor(2,
                    new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("schedule-pool-%d").daemon(true).build());
            service.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("run test");
                }
            });
  • lambda表达式;

            new Thread(()-> {
                for(int i = 1 ; i<10 ; i++){
                    System.out.println("It is a lambda function!");
                }
    
            }).start();
  • Spring方式(@Async注解);

        @Test
        public void test() {
            run();
        }
        @Async
        public void run(){
            System.out.println("Async Test");
        }

二.线程生命周期

  • new新生状态:当用new创建一个Thread对象时,此时它并不处于执行状态,因为没有调用star启动该线程,那么线程的状态为new状态,也就是说,它只是Thread对象的状态,在没有start之前,该线程是不存在的

  • runnable就绪状态:线程对象进入runnable就绪状态必须调用start方法,那么此时才是真正地在JVM进程中创建了一个线程就绪状态不会直接进入阻塞状态和死亡状态,即使是在线程的执行逻辑中调用wait、sleep或其他block的IO操作等,也必须先获得CPU的调度执行权才可以,严格来说,就绪状态的线程只能意外终止或进入运行状态;

  • running运行状态:一旦CPU通过轮询或其他方式从任务可执行队列中选中了线程,此时它才能真正地执行自己的逻辑代码一个正在running状态的线程事实上也是一个runnable的,但是反过来则不成立;

 

  • sleep:使当前线程进入指定毫秒级的休眠,暂停执行,但不会放弃monitor锁的所有权,即不会释放锁资源;使用TimeUnit来替代Thread.sleep,省去了时间单位的换算步骤;

  • yield:属于一种启发式的方法,其会提醒调度器我愿意放弃当前的CPU资源,如果CPU的资源不紧张,则会忽略这种提醒;yield只是一个提示(hint),CPU调度器并不会担保每次都能满足yield提示;

  • sleep和yield的区别:

    • sleep会导致当前线程暂停指定的时间,没有CPU时间片的消耗;

    • yield只是对CPU调度器的一个提示,如果CPU调度器没有忽略这个提示,它会导致线程上下文的切换;

    • sleep会使线程短暂block,会在给定的时间内释放CPU资源

    • yield会使running状态的线程进入runnable状态(如果CPU调度器没有忽略这个提示的话);

    • sleep几乎百分之百地完成了给定时间的休眠,但yield的提示并不能一定担保;

    • 一个线程sleep另一个线程interrupt会捕获到中断信号,而yield则不会;

  • join:join某个线程A,会使当前线程B进入等待,直到线程A结束生命周期;可以使用join来达到线程顺序执行的效果

  • wait:表示线程一直等待,直到其他线程通知,与sleep不同的是它会释放锁;调用wait会加入wait set中,notify会随机唤醒一个,notifyAll会弹出所有线程;

  • notify:唤醒一个处于等待状态的线程;

  • notifyAll:唤醒同一个对象上所有调用wait方法的线程,优先级高的线程优先调度

  • synchronized:同步,内置锁、互斥锁、可重入锁,锁定共享资源(共享资源对象不能为null,使用static修饰保持对象引用地址只有一份),依赖JVM,JVM指令是monitor enter和monitor exit;synchronized的指令严格遵守java happens-before规则,一个monitor exit指令之前必定要有一个monitor enter;不可中断锁,适合竞争不激烈,可读性好

    • 锁信息存在对象头中:

      • Mark Word

        • 线程id

        • Epoch

        • 对象的分代年龄信息

        • 是否是偏向锁

        • 锁标志位

      • Class Metadata Address

    • 使用范围:
      • 修饰代码块:大括号括起来的代码,作用于调用的对象
            @Override
            public void run() {
                synchronized (this) {//类A实现了Runnable,重写了run方法,实例化对象a,b分别加入到Thread构造方法中并开启线程,this是两个不同的对象
                    System.out.println(this.hashCode());
                }
            }
                MyThread thread = new MyThread();
                MyThread thread2 = new MyThread();
                Thread t1 = new Thread(thread, "t1");
                Thread t2 = new Thread(thread2, "t2");
                Thread t3 = new Thread(thread, "t3");
                Thread t4 = new Thread(thread, "t4");
        
                t1.start();
                t2.start();
                t3.start();
                t4.start();
        ===========结果=================
        693024158
        1259146238
        1259146238
        1259146238
      • 修饰方法:整个方法,作用于调用的对象
            @Override
            public synchronized void run() {//类A实现了Runnable,重写了run方法,实例化对象a,b分别加入到Thread构造方法中并开启线程,this是两个不同的对象
                System.out.println(this.hashCode());
            }
                MyThread thread = new MyThread();
                MyThread thread2 = new MyThread();
                Thread t1 = new Thread(thread, "t1");
                Thread t2 = new Thread(thread2, "t2");
                Thread t3 = new Thread(thread, "t3");
                Thread t4 = new Thread(thread, "t4");
        
                t1.start();
                t2.start();
                t3.start();
                t4.start();
        ===============结果===================
        487590100
        697138600
        697138600
        697138600
      • 修饰静态方法:整个静态方法,作用于所有对象
            @Override
            public void run() {
                    test1();
            }
            public static synchronized void test1(){
                System.out.println(MyThread.class.hashCode());
            }
                MyThread thread = new MyThread();
                MyThread thread2 = new MyThread();
                Thread t1 = new Thread(thread, "t1");
                Thread t2 = new Thread(thread2, "t2");
                Thread t3 = new Thread(thread, "t3");
                Thread t4 = new Thread(thread, "t4");
        
                t1.start();
                t2.start();
                t3.start();
                t4.start();
        ===============结果===================
        6566818
        6566818
        6566818
        6566818
      • 修饰类:括号括起来的部分,作用于所有对象
            @Override
            public void run() {
                    test1();
            }
            public static  void test1(){
                synchronized (MyThread.class) {
                    System.out.println(MyThread.class.hashCode());
                }
            }
                MyThread thread = new MyThread();
                MyThread thread2 = new MyThread();
                Thread t1 = new Thread(thread, "t1");
                Thread t2 = new Thread(thread2, "t2");
                Thread t3 = new Thread(thread, "t3");
                Thread t4 = new Thread(thread, "t4");
        
                t1.start();
                t2.start();
                t3.start();
                t4.start();
        ==========结果=============
        6566818
        6566818
        6566818
        6566818
  • Lock:显示锁,依赖特殊的CPU指令;可中断锁,多样化同步,竞争激烈时能维持常态;
    public class MyLock implements Lock {//自定义Lock
        private boolean isLocked = false;
        @Override
        public void lock() {
            while (isLocked){//已经获得锁
                try {
                    wait();//等待
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            isLocked=true;//获锁成功
    
        }
    
        @Override
        public void unlock() {
            isLocked = false;//释放锁
            notify();//唤醒等待线程
        }
    }

     

posted @ 2020-04-15 15:59  码猿手  阅读(...)  评论(...编辑  收藏
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