Java中的多線程你只要看這一篇就夠了

本文轉載自查看原文 2016-05-10 21:16 924364 java/ 服務端

引

如果對什么是線程、什么是進程仍存有疑惑，請先Google之，因為這兩個概念不在本文的范圍之內。

用多線程只有一個目的，那就是更好的利用cpu的資源，因為所有的多線程代碼都可以用單線程來實現。說這個話其實只有一半對，因為反應“多角色”的程序代碼，最起碼每個角色要給他一個線程吧，否則連實際場景都無法模擬，當然也沒法說能用單線程來實現：比如最常見的“生產者，消費者模型”。

很多人都對其中的一些概念不夠明確，如同步、並發等等，讓我們先建立一個數據字典，以免產生誤會。

多線程：指的是這個程序（一個進程）運行時產生了不止一個線程
並行與並發：
- 並行：多個cpu實例或者多台機器同時執行一段處理邏輯，是真正的同時。
- 並發：通過cpu調度算法，讓用戶看上去同時執行，實際上從cpu操作層面不是真正的同時。並發往往在場景中有公用的資源，那么針對這個公用的資源往往產生瓶頸，我們會用TPS或者QPS來反應這個系統的處理能力。

並發與並行

線程安全：經常用來描繪一段代碼。指在並發的情況之下，該代碼經過多線程使用，線程的調度順序不影響任何結果。這個時候使用多線程，我們只需要關注系統的內存，cpu是不是夠用即可。反過來，線程不安全就意味着線程的調度順序會影響最終結果，如不加事務的轉賬代碼：
```
void transferMoney(User from, User to, float amount){
  to.setMoney(to.getBalance() + amount);
  from.setMoney(from.getBalance() - amount);
}
```
同步：Java中的同步指的是通過人為的控制和調度，保證共享資源的多線程訪問成為線程安全，來保證結果的准確。如上面的代碼簡單加入@synchronized關鍵字。在保證結果准確的同時，提高性能，才是優秀的程序。線程安全的優先級高於性能。

好了，讓我們開始吧。我准備分成幾部分來總結涉及到多線程的內容：

扎好馬步：線程的狀態
內功心法：每個對象都有的方法（機制）
太祖長拳：基本線程類
九陰真經：高級多線程控制類

扎好馬步：線程的狀態

先來兩張圖：

線程狀態

線程狀態轉換

各種狀態一目了然，值得一提的是"blocked"這個狀態：
線程在Running的過程中可能會遇到阻塞(Blocked)情況

調用join()和sleep()方法，sleep()時間結束或被打斷，join()中斷,IO完成都會回到Runnable狀態，等待JVM的調度。
調用wait()，使該線程處於等待池(wait blocked pool),直到notify()/notifyAll()，線程被喚醒被放到鎖定池(lock blocked pool )，釋放同步鎖使線程回到可運行狀態（Runnable）
對Running狀態的線程加同步鎖(Synchronized)使其進入(lock blocked pool ),同步鎖被釋放進入可運行狀態(Runnable)。

此外，在runnable狀態的線程是處於被調度的線程，此時的調度順序是不一定的。Thread類中的yield方法可以讓一個running狀態的線程轉入runnable。

內功心法：每個對象都有的方法（機制）

synchronized, wait, notify 是任何對象都具有的同步工具。讓我們先來了解他們

monitor

他們是應用於同步問題的人工線程調度工具。講其本質，首先就要明確monitor的概念，Java中的每個對象都有一個監視器，來監測並發代碼的重入。在非多線程編碼時該監視器不發揮作用，反之如果在synchronized 范圍內，監視器發揮作用。

wait/notify必須存在於synchronized塊中。並且，這三個關鍵字針對的是同一個監視器（某對象的監視器）。這意味着wait之后，其他線程可以進入同步塊執行。

當某代碼並不持有監視器的使用權時（如圖中5的狀態，即脫離同步塊）去wait或notify，會拋出java.lang.IllegalMonitorStateException。也包括在synchronized塊中去調用另一個對象的wait/notify，因為不同對象的監視器不同，同樣會拋出此異常。

再講用法：

synchronized單獨使用：
- 代碼塊：如下，在多線程環境下，synchronized塊中的方法獲取了lock實例的monitor，如果實例相同，那么只有一個線程能執行該塊內容
```
public class Thread1 implements Runnable {
   Object lock;
   public void run() {  
       synchronized(lock){
         ..do something
       }
   }
}
```
- 直接用於方法：相當於上面代碼中用lock來鎖定的效果，實際獲取的是Thread1類的monitor。更進一步，如果修飾的是static方法，則鎖定該類所有實例。
```
public class Thread1 implements Runnable {
   public synchronized void run() {  
        ..do something
   }
}
```

synchronized, wait, notify結合:典型場景生產者消費者問題

/**
   * 生產者生產出來的產品交給店員
   */
  public synchronized void produce()
  {
      if(this.product >= MAX_PRODUCT)
      {
          try
          {
              wait();  
              System.out.println("產品已滿,請稍候再生產");
          }
          catch(InterruptedException e)
          {
              e.printStackTrace();
          }
          return;
      }

      this.product++;
      System.out.println("生產者生產第" + this.product + "個產品.");
      notifyAll();   //通知等待區的消費者可以取出產品了
  }

  /**
   * 消費者從店員取產品
   */
  public synchronized void consume()
  {
      if(this.product <= MIN_PRODUCT)
      {
          try 
          {
              wait(); 
              System.out.println("缺貨,稍候再取");
          } 
          catch (InterruptedException e) 
          {
              e.printStackTrace();
          }
          return;
      }

      System.out.println("消費者取走了第" + this.product + "個產品.");
      this.product--;
      notifyAll();   //通知等待去的生產者可以生產產品了
  }

volatile

多線程的內存模型：main memory（主存）、working memory（線程棧），在處理數據時，線程會把值從主存load到本地棧，完成操作后再save回去(volatile關鍵詞的作用：每次針對該變量的操作都激發一次load and save)。

volatile

針對多線程使用的變量如果不是volatile或者final修飾的，很有可能產生不可預知的結果（另一個線程修改了這個值，但是之后在某線程看到的是修改之前的值）。其實道理上講同一實例的同一屬性本身只有一個副本。但是多線程是會緩存值的，本質上，volatile就是不去緩存，直接取值。在線程安全的情況下加volatile會犧牲性能。

太祖長拳：基本線程類

基本線程類指的是Thread類，Runnable接口，Callable接口
Thread 類實現了Runnable接口，啟動一個線程的方法：

　MyThread my = new MyThread();
　　my.start();

Thread類相關方法：

//當前線程可轉讓cpu控制權，讓別的就緒狀態線程運行（切換）
public static Thread.yield() 
//暫停一段時間
public static Thread.sleep()  
//在一個線程中調用other.join(),將等待other執行完后才繼續本線程。　　　　
public join()
//后兩個函數皆可以被打斷
public interrupte()

關於中斷：它並不像stop方法那樣會中斷一個正在運行的線程。線程會不時地檢測中斷標識位，以判斷線程是否應該被中斷（中斷標識值是否為true）。終端只會影響到wait狀態、sleep狀態和join狀態。被打斷的線程會拋出InterruptedException。
Thread.interrupted()檢查當前線程是否發生中斷，返回boolean
synchronized在獲鎖的過程中是不能被中斷的。

中斷是一個狀態！interrupt()方法只是將這個狀態置為true而已。所以說正常運行的程序不去檢測狀態，就不會終止，而wait等阻塞方法會去檢查並拋出異常。如果在正常運行的程序中添加while(!Thread.interrupted()) ，則同樣可以在中斷后離開代碼體

Thread類最佳實踐：
寫的時候最好要設置線程名稱 Thread.name，並設置線程組 ThreadGroup，目的是方便管理。在出現問題的時候，打印線程棧 (jstack -pid) 一眼就可以看出是哪個線程出的問題，這個線程是干什么的。

如何獲取線程中的異常

不能用try,catch來獲取線程中的異常

Runnable

與Thread類似

Callable

future模式：並發模式的一種，可以有兩種形式，即無阻塞和阻塞，分別是isDone和get。其中Future對象用來存放該線程的返回值以及狀態

ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);
 //submit方法有多重參數版本，及支持callable也能夠支持runnable接口類型.
Future future = e.submit(new myCallable());
future.isDone() //return true,false 無阻塞
future.get() // return 返回值，阻塞直到該線程運行結束

九陰真經：高級多線程控制類

以上都屬於內功心法，接下來是實際項目中常用到的工具了，Java1.5提供了一個非常高效實用的多線程包:java.util.concurrent, 提供了大量高級工具,可以幫助開發者編寫高效、易維護、結構清晰的Java多線程程序。

1.ThreadLocal類

用處：保存線程的獨立變量。對一個線程類（繼承自Thread)
當使用ThreadLocal維護變量時，ThreadLocal為每個使用該變量的線程提供獨立的變量副本，所以每一個線程都可以獨立地改變自己的副本，而不會影響其它線程所對應的副本。常用於用戶登錄控制，如記錄session信息。

實現：每個Thread都持有一個TreadLocalMap類型的變量（該類是一個輕量級的Map，功能與map一樣，區別是桶里放的是entry而不是entry的鏈表。功能還是一個map。）以本身為key，以目標為value。
主要方法是get()和set(T a)，set之后在map里維護一個threadLocal -> a，get時將a返回。ThreadLocal是一個特殊的容器。

2.原子類（AtomicInteger、AtomicBoolean……）

如果使用atomic wrapper class如atomicInteger，或者使用自己保證原子的操作，則等同於synchronized

//返回值為boolean
AtomicInteger.compareAndSet(int expect,int update)

該方法可用於實現樂觀鎖，考慮文中最初提到的如下場景：a給b付款10元，a扣了10元，b要加10元。此時c給b2元，但是b的加十元代碼約為：

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

AtomicReference
對於AtomicReference 來講，也許對象會出現，屬性丟失的情況，即oldObject == current，但是oldObject.getPropertyA != current.getPropertyA。
這時候，AtomicStampedReference就派上用場了。這也是一個很常用的思路，即加上版本號

3.Lock類　

lock: 在java.util.concurrent包內。共有三個實現：

ReentrantLock
ReentrantReadWriteLock.ReadLock
ReentrantReadWriteLock.WriteLock

主要目的是和synchronized一樣，兩者都是為了解決同步問題，處理資源爭端而產生的技術。功能類似但有一些區別。

區別如下：

lock更靈活，可以自由定義多把鎖的枷鎖解鎖順序（synchronized要按照先加的后解順序）
提供多種加鎖方案，lock 阻塞式, trylock 無阻塞式, lockInterruptily 可打斷式， 還有trylock的帶超時時間版本。
本質上和監視器鎖（即synchronized是一樣的）
能力越大，責任越大，必須控制好加鎖和解鎖，否則會導致災難。
和Condition類的結合。
性能更高，對比如下圖：

synchronized和Lock性能對比

ReentrantLock　　　　
可重入的意義在於持有鎖的線程可以繼續持有，並且要釋放對等的次數后才真正釋放該鎖。
使用方法是：

1.先new一個實例

static ReentrantLock r=new ReentrantLock();

2.加鎖

r.lock()或r.lockInterruptibly();

此處也是個不同，后者可被打斷。當a線程lock后，b線程阻塞，此時如果是lockInterruptibly，那么在調用b.interrupt()之后，b線程退出阻塞，並放棄對資源的爭搶，進入catch塊。（如果使用后者，必須throw interruptable exception 或catch）　　　　

3.釋放鎖　　　

r.unlock()

必須做！何為必須做呢，要放在finally里面。以防止異常跳出了正常流程，導致災難。這里補充一個小知識點，finally是可以信任的：經過測試，哪怕是發生了OutofMemoryError，finally塊中的語句執行也能夠得到保證。

ReentrantReadWriteLock

可重入讀寫鎖（讀寫鎖的一個實現）　

　ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock()
　　ReadLock r = lock.readLock();
　　WriteLock w = lock.writeLock();

兩者都有lock,unlock方法。寫寫，寫讀互斥；讀讀不互斥。可以實現並發讀的高效線程安全代碼

4.容器類

這里就討論比較常用的兩個：

BlockingQueue
ConcurrentHashMap

BlockingQueue
阻塞隊列。該類是java.util.concurrent包下的重要類，通過對Queue的學習可以得知，這個queue是單向隊列，可以在隊列頭添加元素和在隊尾刪除或取出元素。類似於一個管　　道，特別適用於先進先出策略的一些應用場景。普通的queue接口主要實現有PriorityQueue（優先隊列），有興趣可以研究

BlockingQueue在隊列的基礎上添加了多線程協作的功能：

BlockingQueue

除了傳統的queue功能（表格左邊的兩列）之外，還提供了阻塞接口put和take，帶超時功能的阻塞接口offer和poll。put會在隊列滿的時候阻塞，直到有空間時被喚醒；take在隊　列空的時候阻塞，直到有東西拿的時候才被喚醒。用於生產者-消費者模型尤其好用，堪稱神器。

常見的阻塞隊列有：

ArrayListBlockingQueue
LinkedListBlockingQueue
DelayQueue
SynchronousQueue

ConcurrentHashMap
高效的線程安全哈希map。請對比hashTable , concurrentHashMap, HashMap

5.管理類

管理類的概念比較泛，用於管理線程，本身不是多線程的，但提供了一些機制來利用上述的工具做一些封裝。
了解到的值得一提的管理類：ThreadPoolExecutor和 JMX框架下的系統級管理類 ThreadMXBean
ThreadPoolExecutor
如果不了解這個類，應該了解前面提到的ExecutorService，開一個自己的線程池非常方便：

ExecutorService e = Executors.newCachedThreadPool();
    ExecutorService e = Executors.newSingleThreadExecutor();
    ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);
    // 第一種是可變大小線程池，按照任務數來分配線程，
    // 第二種是單線程池，相當於FixedThreadPool(1)
    // 第三種是固定大小線程池。
    // 然后運行
    e.execute(new MyRunnableImpl());

該類內部是通過ThreadPoolExecutor實現的，掌握該類有助於理解線程池的管理，本質上，他們都是ThreadPoolExecutor類的各種實現版本。請參見javadoc：

ThreadPoolExecutor參數解釋

翻譯一下：

corePoolSize:池內線程初始值與最小值，就算是空閑狀態，也會保持該數量線程。
maximumPoolSize:線程最大值，線程的增長始終不會超過該值。
keepAliveTime：當池內線程數高於corePoolSize時，經過多少時間多余的空閑線程才會被回收。回收前處於wait狀態
unit：
時間單位，可以使用TimeUnit的實例，如TimeUnit.MILLISECONDS　
workQueue:待入任務（Runnable）的等待場所，該參數主要影響調度策略，如公平與否，是否產生餓死(starving)
threadFactory:線程工廠類，有默認實現，如果有自定義的需要則需要自己實現ThreadFactory接口並作為參數傳入。

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