一、進(jìn)程
在多進(jìn)程設(shè)計(jì)中各進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)塊是相互獨(dú)立，彼此通過信號、管道進(jìn)行通信。而在多線程設(shè)計(jì)中，各線程不一定獨(dú)立，同一任務(wù)中的各線程共享程序段、數(shù)據(jù)段等資源。Java通過Package類(Java.lang.package)支持多進(jìn)程，通過Thread類支持多線程。
二、線程
多線程既有生產(chǎn)者消費(fèi)者，哲學(xué)家就餐，讀寫器或者簡單的有界緩沖區(qū)等應(yīng)用問題。也有死鎖，競態(tài)條件，內(nèi)存沖突和線程安全等并發(fā)問題。
為方便寫出線程安全的程序，Java提供線程安全類和并發(fā)工具，比如：同步容器、并發(fā)容器、隊(duì)列、同步工具類。
三、多線程環(huán)境解決方案及原理
基本上所有的并發(fā)模式都是采用串行訪問共享資源的方案解決線程沖突問題。
Java語言的同步機(jī)制，在底層實(shí)現(xiàn)有兩種方式：互斥和協(xié)同。在語言層面，就是內(nèi)置鎖synchronized和內(nèi)置條件隊(duì)列，即Object的wait()，notify()，notifyAll()方法。
顯式鎖為Lock，顯示條件隊(duì)列為Condition對象。
@TreadSafe
public class BoundedBuffer<V> extends BaseBoundedBuffer<V>{
public BoundedBuffer(int size){
super(size);
}
public synchronized void put(V v) throws InterruptedException{
while ( isFull){
wait();
}
doPut(v);
notifyAll();
}
public synchronized V take() throws InterruptedException{
while( isEmpty()){
wait();
}
V v = doTake();
notifyAll();
retur v;
}
}
四、鎖
synchronized
在Java語言中有兩種內(nèi)建的synchronized語法：synchronized語句、synchronized方法。
synchronized語句：當(dāng)源代碼被編譯成字節(jié)碼的時(shí)候，會(huì)在同步塊的入口位置和出口分別插入monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令。
synchronized方法：在Class文件的方法表中將該方法的access_flags字段中的synchronized標(biāo)志位設(shè)置為1。
每個(gè)對象都有一個(gè)鎖，也就是監(jiān)視器（monitor）。當(dāng)monitor被占有時(shí)表示它被鎖定。線程執(zhí)行monitorenter指令時(shí)嘗試獲取對象所對應(yīng)的monitor的所有權(quán)。
相同點(diǎn)：Lock能完成synchronized的相同功能。
| synchronized | java.util.concurrent.locks.Lock | |
|---|---|---|
| 原理 | 在對象頭設(shè)置標(biāo)記 | Lock接口的實(shí)現(xiàn)類只用volatile修飾的int變量保證每個(gè)線程都擁有對該int的可見性和原子修改。 |
| 自動(dòng)釋放鎖 | 必需手工在finally從句中釋放。 | |
可 定時(shí)，中斷、公平鎖、非阻塞
|
ReentrantLock
ReentrantLock利用CAS+CLH隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)。支持公平鎖和非公平鎖。
CAS：Compare and Swap，比較并交換。CLH隊(duì)列：帶頭結(jié)點(diǎn)的雙向非循環(huán)鏈表。
ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)：先通過CAS嘗試獲取鎖。如果鎖已經(jīng)被占據(jù)，就加入CLH隊(duì)列并被掛起。當(dāng)鎖被釋放后，排在CLH隊(duì)首的線程會(huì)被喚醒，然后CAS再次嘗試獲取鎖。在這個(gè)時(shí)候，非公平鎖：如果同時(shí)還有另一個(gè)線程進(jìn)來嘗試獲取，那么有可能會(huì)讓這個(gè)線程搶先獲取。公平鎖：如果同時(shí)還有另一個(gè)線程進(jìn)來嘗試獲取，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)自己不是在隊(duì)首的話，就會(huì)排到隊(duì)尾，由隊(duì)首的線程獲取到鎖。
Condition
Condition和Lock關(guān)聯(lián)使用，就像條件隊(duì)列和內(nèi)置鎖相關(guān)聯(lián)一樣。在相關(guān)聯(lián)的Lock上調(diào)用Lock.newCondition()創(chuàng)建Condition。
Condition比內(nèi)置條件隊(duì)列提供更豐富的功能：在每個(gè)鎖上可存在多個(gè)等待，條件等待是可中斷的或者不可中斷的、基于時(shí)限的，以及公平的或非公平的隊(duì)列操作。
與內(nèi)置條件隊(duì)列不同的是，對于每個(gè)Lock，可以有任意數(shù)量的Condition對象。Condition對象繼承了相關(guān)的Lock對象的公平性，對于公平的鎖，線程會(huì)依照FIFO順序從Condition.await中釋放。
注意：在Condition對象中，與wait,notify和notifyAll方法對應(yīng)的分別是await,signal,signalAll。但是，Condition繼承了Object，因而它也包含wait和notify方法。一定要確保使用的版本——await和signal。
鎖的高級特性
可重入：線程的可重入，是指外層函數(shù)獲得鎖之后，內(nèi)層也可以獲得鎖。ReentrantLock和synchronized都是可重入鎖。
驚群效應(yīng)（Herd Effect）：占有鎖的線程釋放后，所有等待獲取鎖的競爭者同時(shí)被喚醒，都嘗試搶占鎖。
公平鎖和非公平鎖：非公平鎖普遍比公平鎖開銷小。但如果必須要鎖的競爭者按順序獲得鎖，那么就需要實(shí)現(xiàn)公平鎖。
阻塞鎖和自旋鎖：阻塞鎖會(huì)有上下文切換，如果并發(fā)量比較高且臨界區(qū)的操作耗時(shí)比較短，那么造成的性能開銷就比較大。如果臨界區(qū)操作耗時(shí)比較長，一直保持自旋，也會(huì)對CPU造成更大的負(fù)荷。
鎖的對象
實(shí)例同步方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對象。
靜態(tài)同步方法，鎖是當(dāng)前對象的Class對象。
同步方法塊，鎖是synchonized括號里的對象。
死鎖
死鎖是指多個(gè)線程在執(zhí)行過程中，因爭奪資源而造成的一種互相等待的現(xiàn)象，若無外力作用，它們都將無法推進(jìn)下去。必須滿足以下四個(gè)條件才發(fā)生死鎖：
-
互斥：一個(gè)資源每次只能被一個(gè)線程使用。 -
請求與保持：一個(gè)線程因請求資源而阻塞時(shí)，不釋放已獲得的資源。 -
不剝奪：線程已獲得的資源，在末使用完之前，不能被強(qiáng)行剝奪。 -
循環(huán)等待：若干線程之間形成循環(huán)等待資源關(guān)系。
避免死鎖最簡單的方法就是阻止循環(huán)等待條件，將系統(tǒng)中所有的資源設(shè)置標(biāo)志位并排序，規(guī)定所有的進(jìn)程申請資源必須按順序進(jìn)行。
避免死鎖的通用經(jīng)驗(yàn)法則是：當(dāng)要訪問共享資源A、B、C 時(shí)，保證每個(gè)線程都按同樣的順序訪問共享資源。
活鎖
處于活鎖的線程的狀態(tài)是不斷改變的，活鎖可以認(rèn)為是一種特殊的饑餓。一個(gè)現(xiàn)實(shí)的活鎖例子是兩個(gè)人在走廊碰到，兩個(gè)人都試著避讓對方好讓彼此通過，但是因?yàn)楸茏尩姆较蚨家粯訉?dǎo)致最后誰都不能前進(jìn)。
饑餓
鎖降級
鎖降級是指寫鎖降級成讀鎖。如果當(dāng)前線程擁有寫鎖，然后將其釋放，最后獲取讀鎖，這種分段完成的過程不能稱之為鎖降級。鎖降級是指把持?。ó?dāng)前擁有的）寫鎖，再獲取到讀鎖，最后釋放（先前擁有的）寫鎖的過程。
鎖降級中的讀鎖是否有必要呢？答案是必要。主要是為了保證數(shù)據(jù)的可見性，如果當(dāng)前線程不獲取讀鎖而是直接釋放寫鎖，假設(shè)此刻另一個(gè)線程（T）獲取了寫鎖并修改了數(shù)據(jù)，那么當(dāng)前線程無法感知線程T的數(shù)據(jù)更新。如果當(dāng)前線程獲取讀鎖，即遵循鎖降級的步驟，則線程T將會(huì)被阻塞，直到當(dāng)前線程使用數(shù)據(jù)并釋放讀鎖之后，線程T才能獲取寫鎖進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。
讀寫鎖ReentrantReadWriteLock
讀寫鎖有兩個(gè)鎖，一個(gè)是讀操作相關(guān)的鎖，稱為共享鎖；另一個(gè)是寫操作相關(guān)的鎖，也叫排它鎖。多個(gè)讀鎖之間不互斥，讀鎖與寫鎖互斥，寫鎖與寫鎖互斥。讀寫鎖是用來提升并發(fā)程序性能的鎖分離技術(shù)的成果。
悲觀鎖
悲觀鎖假設(shè)最壞的情況，并且只有在確保其他線程不會(huì)干擾（通過獲取正確的鎖）的情況下才能執(zhí)行下去。
常見實(shí)現(xiàn)如獨(dú)占鎖。
安全性高，但在中低并發(fā)程度下的效率低。
樂觀鎖
樂觀鎖借助沖突檢查機(jī)制來判斷在更新過程中是否存在其他線程的干擾，如果存在，這個(gè)操作將失敗，并且可以重試（也可以不重試）。
常見實(shí)現(xiàn)如CAS等。
部分樂觀鎖削弱了一致性，但提高了中低并發(fā)程度下的效率。
五、java線程間通信之條件隊(duì)列
條件隊(duì)列中存儲的是"處于等待狀態(tài)的線程"，這些線程在等待某種條件變成真。正如每個(gè)Java對象都可以作為一個(gè)鎖，每個(gè)對象同樣可以作為一個(gè)條件隊(duì)列，這個(gè)對象的wait,notify,notifgAll就構(gòu)成了內(nèi)部條件隊(duì)列的API。對象的內(nèi)置鎖與條件隊(duì)列是相互關(guān)聯(lián)的。要調(diào)用條件隊(duì)列的任何一個(gè)方法，必須先持有該對對象上的鎖。
"條件隊(duì)列中的線程一定是執(zhí)行不下去了才處于等待狀態(tài)"，這個(gè)"執(zhí)行不下去的條件"叫做"條件謂詞"。
wait()方法的返回并不一定意味著正在等待的條件謂詞變成真了。
舉個(gè)列子：假設(shè)現(xiàn)在有三個(gè)線程在等待同一個(gè)條件謂詞變成真，然后另外一個(gè)線程調(diào)用了notifyAll()方法。此時(shí)，只能有一個(gè)線程離開條件隊(duì)列，另外兩個(gè)線程將仍然需要處于等待狀態(tài)，這就是在代碼中使用while(conditioin is not true){this.wait();}而不使用if(condition id not true){this.wait();}的原因。
另外一種情況是：同一個(gè)條件隊(duì)列與多個(gè)條件謂詞互相關(guān)聯(lián)。這個(gè)時(shí)候，當(dāng)調(diào)用此條件隊(duì)列的notifyAll()方法時(shí)，某些條件謂詞根本就不會(huì)變成真。
在本文的例子中，可以看到使用while而不是if來判斷條件謂詞是否為空，就是基于以上幾種原因的考慮。用一句話來概括：“每當(dāng)線程被從wait中喚醒時(shí)，都必須再次測試條件謂詞”，切記，下面是條件等待的標(biāo)準(zhǔn)形式：
void xxxMethod() throws InterruptedException{
synchronized(lock){
while(!conditionPredition)
lock.wait();
doSomething();
}
}
六、線程
終止線程的三種方法
- 使用
volatile 布爾變量作為退出標(biāo)志，使線程正常退出，也就是當(dāng)run方法完成后線程終止。 - 使用stop方法強(qiáng)行終止線程，不推薦此方法，因?yàn)閟top和suspend及resume都是作廢過期的方法，使用它們可能造成數(shù)據(jù)狀態(tài)不一致。
- 使用
interrupt方法中斷線程。（推薦）
線程狀態(tài)
- 新建狀態(tài): 用new語句創(chuàng)建的線程對象處于新建狀態(tài)，此時(shí)它和其它的java對象一樣，僅在堆中被分配了內(nèi)存。
- 就緒狀態(tài)(New): 創(chuàng)建了線程后，調(diào)用它的start()方法，該線程就進(jìn)入就緒狀態(tài)。處于這個(gè)狀態(tài)的線程位于可運(yùn)行池中，等待獲得CPU的使用權(quán)。
- 運(yùn)行狀態(tài)(Runnable): 處于這個(gè)狀態(tài)的線程占用CPU，執(zhí)行程序的代碼。
- 阻塞狀態(tài)(Blocked): 當(dāng)線程處于阻塞狀態(tài)時(shí)，java虛擬機(jī)不會(huì)給線程分配CPU，直到線程重新進(jìn)入就緒狀態(tài)，它才有機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)到運(yùn)行狀態(tài)。
阻塞狀態(tài)分為三種情況
1） 位于對象等待池中的阻塞狀態(tài): 當(dāng)線程運(yùn)行時(shí)，如果執(zhí)行了某個(gè)對象的wait()方法，JVM就會(huì)把這個(gè)線程放到這個(gè)對象的等待池中。
2） 位于對象鎖中的阻塞狀態(tài): 當(dāng)線程運(yùn)行時(shí)，試圖獲得某個(gè)對象的同步鎖時(shí)，如果該對象的同步鎖已經(jīng)被其他的線程占用，JVM就會(huì)把這個(gè)線程放到這個(gè)對象的瑣池中。
3） 其它的阻塞狀態(tài): 當(dāng)前線程執(zhí)行了sleep()方法，或者調(diào)用了其它線程的join()方法，或者發(fā)出了I/O請求時(shí)，就會(huì)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)中。
Waiting, Time_waiting
5. 死亡狀態(tài)(Terminated): 當(dāng)線程退出run()方法，就進(jìn)入死亡狀態(tài)，該線程結(jié)束了生命周期。要么正常退出、要么遇到異常退出。
如果希望明確地讓一個(gè)線程給另外一個(gè)線程運(yùn)行的機(jī)會(huì)，可以采取以下的辦法
1、調(diào)整線程的優(yōu)先級。
2、讓處于運(yùn)行狀態(tài)的線程調(diào)用Thread.sleep()方法，或者調(diào)用Thread.yield()方法，或者調(diào)用另一個(gè)線程的join()方法。
線程中斷
線程中斷是重要的線程協(xié)作機(jī)制。如果在循環(huán)體中，出現(xiàn)類似wait()或者sleep()的操作，則只能通過中斷來識別。
競態(tài)條件
當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)修改同一數(shù)據(jù)對象時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生不正確的結(jié)果，這時(shí)候就存在一個(gè)競爭條件（race condition）。
如果首先要執(zhí)行的程序競爭失敗排到了后面執(zhí)行，那么整個(gè)程序就會(huì)出現(xiàn)不確定的bugs。這種bugs很難發(fā)現(xiàn)而且會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，因?yàn)榫€程間是隨機(jī)競爭。
線程通信
Java.lang.Object類中提供兩個(gè)用于線程通信的方法
1、wait(): 線程釋放對象的鎖，JVM會(huì)把該線程放到對象的等待池中。該線程等待其它線程喚醒。
2、notify(): 執(zhí)行該方法的線程喚醒在對象的等待池中等待的一個(gè)線程，JVM從對象的等待池中隨機(jī)選擇一個(gè)線程，把它轉(zhuǎn)到對象的鎖池中。
線程睡眠：當(dāng)線程在運(yùn)行中執(zhí)行了sleep()方法時(shí)，會(huì)放棄CPU，轉(zhuǎn)到阻塞狀態(tài)，不會(huì)釋放它所持有的鎖。
等待其它線程的結(jié)束：調(diào)用另一個(gè)線程的join()方法，當(dāng)前運(yùn)行的線程將轉(zhuǎn)到阻塞狀態(tài)，直到另一個(gè)線程運(yùn)行結(jié)束，它才恢復(fù)運(yùn)行。
join與synchronized的區(qū)別是：join在內(nèi)部使用wait()方法進(jìn)行等待，而synchronized關(guān)鍵字使用的是“對象監(jiān)視器”做為同步。
多線程使用建議
- 起個(gè)有意義的名字
方便debug或追蹤。 - 避免鎖定，縮小同步的范圍
鎖花費(fèi)的代價(jià)高昂且上下文切換耗費(fèi)時(shí)間空間，試試最低限度的使用同步和鎖，縮小臨界區(qū)。因此相對于同步方法更喜歡同步塊，擁有對鎖的絕對控制權(quán)。 - 多用同步類，少用wait 和 notify
CountDownLatch, Semaphore, CyclicBarrier 和 Exchanger 這些同步類簡化了編碼操作，而用wait和notify很難實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜控制流的控制。 - 多用并發(fā)集合，少用同步集合
并發(fā)集合比同步集合的可擴(kuò)展性更好。
