《深入浅出Java多线程》笔记

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基础篇

一、进程与线程的基本概念

批处理操作系统内存里只能有一个程序，指令串行执行、效率低。于是引入进程（内存里分配了空间、正在运行的程序）的概念，加上CPU时间片轮转，实现了并发。后来人们不满于进程只能执行一个任务，引入线程的概念，于是QQ上可以一边聊天一边下载文件了。总结一下，就是进程让操作系统的并发性成为了可能，而线程让进程的内部并发成为了可能。

相比多进程，多线程实现并发有一些好处：

• 通常需要使用共享资源，线程间的通信比较简单
• 线程是轻量级的，系统开销更小

进程和线程的区别：

• 本质区别是是否单独占有内存地址空间及其它系统资源（比如I/O）
  • 进程单独占有一定的内存地址空间，数据共享复杂但是同步简单
  • 一个进程出现问题不会影响其他进程，可靠性高
  • 进程的创建和销毁不仅需要保存寄存器和栈信息，还需要资源的分配回收以及页调度，开销较大
• 进程是OS进行资源分配的基本单位，而线程是OS进行调度（CPU分配时间）的基本单位

上下文切换。上下文是指某一时间点CPU寄存器和程序计数器的内容。上下文记录着任务运行状态，切换会有时间消耗，进程间、线程间切换也有所不同，这部分操作系统里再详细讨论。

二、Java多线程入门类和接口

实现线程类：

• 继承Thread类，并重写run()方法
• 实现Runnable接口的run()方法

然后调用start()方法后，虚拟机会先为我们创建一个线程，然后等这个线程第一次得到时间片时再调用run()方法。两种实现方式相比较，实现接口更灵活、降低了耦合性、没有Thread类的诸多方法更轻量。

run()方法没有返回值，Callable接口与Future接口解决了这个问题，这是个“异步”模型。

Callable与Runnable类似，但提供的call()方法支持泛型的返回值。线程池submit实现了Callable接口的任务，返回Future，之后get。

Future接口对于具体的Runnable或者Callable任务的执行进行尝试取消、查询是否完成、获取结果。Future实现很复杂，JDK里提供了FutureTask类。FutureTask类实现了继承Runnable接口和Future接口的RunnableFuture接口，所以它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值。而且，FutureTask能够在高并发环境下确保任务只执行一次（运行状态为NEW才会执行）。

三、线程组和线程优先级

线程组是一个树状的结构，每个线程组下面可以有多个线程或者线程组。线程组可以起到统一控制线程的优先级和检查线程的权限的作用。每个Thread必然存在于一个ThreadGroup中，默认是父线程线程组。

Java中线程优先级只是给操作系统的参考值，最终还是由操作系统决定。

四、Java线程的状态及主要转化方法

在现在的操作系统中，线程是被视为轻量级进程的，所以操作系统线程的状态其实和操作系统进程的状态是一致的。

Java里：

• NEW：刚创建，还没调用start()
• RUNNABLE；ready+running
• BLOCKED：正在等待锁的释放以进入同步区
• WAITING：等待，需要被唤醒
• TIMED_WAITING：等待，定时自动唤醒
• TERMINATED：执行完毕，终止状态

Object.wait()释放锁，进入等待状态（WAITING），直到被唤醒；thread.join()，让此线程不释放锁、直到执行完毕（TERMINATED）。

PS: sleep方法是不会释放当前的锁的，而wait方法会。

五、Java线程间的通信

锁与同步：让线程按一定顺序执行

等待/通知机制：通过wait()、notify()、notifyAll()方法实现

信号量：Semaphore，volatile 变量可充当

管道：通过管道读写

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原理篇

六、Java内存模型基础知识

并发编程的两个关键问题：线程间如何同步？如何通信？Java中使用的是共享内存并发模型，通过读写内存中的公共状态进行隐式通信，必须显示指定某段代码在线程间互斥执行。

Java线程之间的通信由Java内存模型（简称JMM）控制。共享变量存在主内存中，每个线程有本地内存，存储着共享变量的副本。线程间通信需要 本地内存a -> 主内存 -> 本地内存b 。JMM规定，线程对共享变量的所有操作都必须在自己的本地内存中进行，不能直接从主内存中读取。

七、重排序与happens-before

指令重排提高性能，可以保证串行语义一致，但不能保证多线程间的语义也一致。

JMM的具体实现方针是：在不改变（单线程、正确同步的多线程）程序执行结果的前提下，尽量为编译期和处理器的优化打开方便之门（重排序）。

如果操作A happens-before操作B，那么操作A在内存上所做的操作对操作B都是可见的，不管它们在不在一个线程。

八、volatile

内存可见性，指的是线程之间的可见性，当一个线程修改了共享变量时，另一个线程可以读取到这个修改后的值。

volatile：

• 保证变量的内存可见性：写时，立即把该线程对应的本地内存中的共享变量的值刷新到主内存；读时，立即把xxx置为无效，从主内存中读取共享变量的值。
• 禁止volatile变量与普通变量重排序：生成字节码时，插入内存屏障。

九、synchronized与锁

Java多线程的锁都是基于对象的。一个对象有四种锁状态，它们级别由低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。锁升级容易降级难。锁的信息存放在对象头里。有一个进程访问，就升级为偏向锁；另一个进程访问发现访问需要竞争，升级为轻量级锁，CAS竞争，失败者自旋；自旋多次、失败，升级为重量级锁，失败者阻塞。

十、乐观锁和悲观锁

乐观锁，“无锁”，所以不会导致死锁，适合读多写少。通常由CAS实现，Unsafe类里的native方法，atomic包里用于原子操作的类。

CAS实现原子操作的三大问题：

• ABA问题：先检查引用和时间戳。
• 长时间自旋浪费资源：让JVM支持处理器提供的pause指令，自旋失败睡眠一段时间。
• 只能保证一个共享变量的原子操作：多个变量存入对象，进行对象的原子操作；使用锁。

十一、AQS

AQS，AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器，一个用来构建锁和同步器的框架。模板方法模式！

两种资源共享（同步）模式：独占模式（ReentrantLock），共享模式（Semaphore/CountDownLatch）。ReadWriteLock同时属于两种。

AQS的设计基于模板方法模式，有一些方法必须要子类去实现：是否独占、尝试获取/释放资源的方法。

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JDK工具篇

十二、线程池原理

为什么要使用线程池？

• 创建/销毁线程消耗资源，可以复用已创建的线程
• 控制并发数量（主），数量过多会造成服务器崩溃
• 统一管理线程

ThreadPoolExecutor构造方法，5必须+2非必须：

• int corePoolSize：核心线程数最大值
• int maximumPoolSize：线程总数最大值（=核心+非核心线程）
• long keepAliveTime：非核心线程闲置超时时长（超时则销毁）
• TimeUnit unit：keepAliveTime的单位（从天到微毫秒）
• BlockingQueue workQueue：阻塞队列，维护着等待执行的Runnable任务对象
• ThreadFactory threadFactory：批量创建线程，统一设置参数
• RejectedExecutionHandler handler：拒绝处理策略，线程数量大于最大线程数时

创建新线程时需要线程池全局锁ReentrantLock。

十三、阻塞队列

阻塞队列是线程安全的队列访问方式，一般用于生产者-消费者模式，由Lock+Condition实现。

put和take的流程：自旋获取锁——>判断队列是否可用（非空、非满）——>可用（不可用，阻塞、释放锁，直到被唤醒，然后拿到锁），执行任务，唤醒一个线程。

十四、锁接口和类

synchronized的不足之处，这些都是java.util.concurrent.locks包下的锁可以解决的。：

• 如果临界区是只读操作，其实可以多线程一起执行，但使用synchronized的话，同一时间只能有一个线程执行。
• 无法知道线程有没有成功获取到锁
• 使用synchronized，如果临界区因为IO或者sleep方法等原因阻塞了，而当前线程又没有释放锁，就会导致所有线程等待。

锁的分类：可重入锁与不可重入锁、公平锁与非公平锁、读写锁和排它锁。synchronized是可重入锁。

抽象类：AQS等。接口：Condition/Lock/ReadWriteLock。实现类：ReentrantLock，可重入锁，支持公平锁和非公平锁；ReentrantReadWriteLock等。

十五、并发容器集合

Vector和HashTable对方法加锁，是线程安全的容器类，但使用时还需要客户端加锁。

包括阻塞队列、并发容器、CopyOnWrite容器。

ConcurrentHashMap

• JDK1.7中，粒度更细的加锁机制——分段锁，Segment（一种可重入锁）+ HashEntry（存储键值对数据），Segment的结构和HashMap类似（数组+链表）；
• JDK1.8中两点优化：链表在长度达到8的时候转化为红黑树，提升查询效率；在头结点加synchronized锁，配合CAS自旋避免不必要的锁开销，进一步提升并发性能。

十六、CopyOnWrite容器

写时复制

• 优点：在并发的场景下对容器进行"读操作"而不需要"加锁"，从而达到读写分离的目的。
• 缺点：写操作复制一份，内存压力大；读取的是老数据。

比如CopyOnWriteArrayList，实现方式是：写时，加锁，复制容器，进行写操作，指向新容器，释放锁。及时性不高，只能保证最终数据一致性。

十七、通信工具类

十八、Fork/Join框架

一种多线并发处理框架，不同之处是使用了工作窃取算法（线程执行完自己队列的任务从其他线程队列尾部窃取任务执行）。适合执行能被递归地拆解成子任务的工作，将大任务分解成若干个小任务，最后将各个小任务的结果结合起来得到大任务的结果，分而治之，充分利用多核CPU。

由于这方面内容接触少，更多信息略。

十九、Java 8 Stream并行计算原理

从Java 8 开始，我们可以使用Stream接口以及lambda表达式进行“流式计算”。Stream的并行计算底层其实是使用的Fork/Join框架。

二十、计划任务（定时任务）

ScheduledThreadPoolExecutor：在给定的延迟之后运行任务；周期性重复执行任务。略。