文章目錄

一、多線程的生命周期及五種基本狀態(tài)
二、Java多線程的創(chuàng)建及啟動(dòng)
1.繼承Thread類，重寫該類的run()方法
2.通過實(shí)現(xiàn)Runnable接口創(chuàng)建線程類
3.通過Callable和Future接口創(chuàng)建線程
三、Java內(nèi)存模型概念
四、內(nèi)存間的交互操作
五、volatile和synchronized的區(qū)別
寫在前面：提起多線程大部門同學(xué)可能都會(huì)皺起眉頭不知道多線程到底是什么、什么時(shí)候可以用到、用的時(shí)候是不是有共享變量問題等等一大堆問題。本篇文章將分為兩部分第一部分是講解多線程基礎(chǔ)、第二部分講解Java內(nèi)存模型。

一、多線程的生命周期及五種基本狀態(tài)

Java多線程生命周期，首先看下面這張經(jīng)典的圖，圖中基本上囊括了Java中多線程重要知識(shí)點(diǎn)。

Java線程具有五中基本狀態(tài)

• 新建狀態(tài)（New）：當(dāng)線程對(duì)象對(duì)創(chuàng)建后，即進(jìn)入了新建狀態(tài)，如：Thread t = new MyThread();

• 就緒狀態(tài)（Runnable）：當(dāng)調(diào)用線程對(duì)象的start()方法（t.start();），線程即進(jìn)入就緒狀態(tài)。處于就緒狀態(tài)的線程，只是說明此線程已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，隨時(shí)等待CPU調(diào)度執(zhí)行，并不是說執(zhí)行了t.start()此線程立即就會(huì)執(zhí)行；

• 運(yùn)行狀態(tài)（Running）：當(dāng)CPU開始調(diào)度處于就緒狀態(tài)的線程時(shí)，此時(shí)線程才得以真正執(zhí)行，即進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)。注：就緒狀態(tài)是進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)的唯一入口，也就是說，線程要想進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)執(zhí)行，首先必須處于就緒狀態(tài)中；

• 阻塞狀態(tài)（Blocked）：處于運(yùn)行狀態(tài)中的線程由于某種原因，暫時(shí)放棄對(duì)CPU的使用權(quán)，停止執(zhí)行，此時(shí)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到其進(jìn)入到就緒狀態(tài)，才有機(jī)會(huì)再次被CPU調(diào)用以進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)阻塞產(chǎn)生的原因不同，阻塞狀態(tài)又可以分為三種：

  1.等待阻塞：運(yùn)行狀態(tài)中的線程執(zhí)行wait()方法，使本線程進(jìn)入到等待阻塞狀態(tài)；

  2.同步阻塞 – 線程在獲取synchronized同步鎖失敗(因?yàn)殒i被其它線程所占用)，它會(huì)進(jìn)入同步阻塞狀態(tài)；

  3.其他阻塞 – 通過調(diào)用線程的sleep()或join()或發(fā)出了I/O請(qǐng)求時(shí)，線程會(huì)進(jìn)入到阻塞狀態(tài)。當(dāng)sleep()狀態(tài)超時(shí)、join()等待線程終止或者超時(shí)、或者I/O處理完畢時(shí)，線程重新轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)。

死亡狀態(tài)（Dead）：線程執(zhí)行完了或者因異常退出了run()方法，該線程結(jié)束生命周期。

二、Java多線程的創(chuàng)建及啟動(dòng)

Java中線程的創(chuàng)建常見有如三種基本形式

1.繼承Thread類，重寫該類的run()方法

繼承Thread類，重寫該類的run()方法

public class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0 ;i < 50;i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0;i<50;i++) {
            //調(diào)用Thread類的currentThread()方法獲取當(dāng)前線程
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
            if (i == 10) {
                new MyThread().start();
                new MyThread().start(); 
            }
        }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

...
main 48
main 49
Thread-0：0
Thread-0：1
Thread-0：2
Thread-0：3
Thread-0：4
Thread-1：0
...

這是代碼運(yùn)行后的結(jié)果，從圖中可以看出：

1、有三個(gè)線程：main、Thread-0 、Thread-1

2、Thread-0 、Thread-1兩個(gè)線程輸出的成員變量 i 的值不連續(xù)（這里的 i 是實(shí)例變量而不是局部變量）。因?yàn)椋和ㄟ^繼承Thread類實(shí)現(xiàn)多線程時(shí)，每個(gè)線程的創(chuàng)建都要?jiǎng)?chuàng)建不同的子類對(duì)象，導(dǎo)致Thread-0 、Thread-1兩個(gè)線程不能共享成員變量 i ；

3、線程的執(zhí)行是搶占式，并沒有說Thread-0 或者Thread-1一直占用CPU（這也與線程優(yōu)先級(jí)有關(guān)，這里Thread-0 、Thread-1線程優(yōu)先級(jí)相同，關(guān)于線程優(yōu)先級(jí)的知識(shí)這里不做展開）

2.通過實(shí)現(xiàn)Runnable接口創(chuàng)建線程類

定義一個(gè)類實(shí)現(xiàn)Runnable接口；創(chuàng)建該類的實(shí)例對(duì)象obj；將obj作為構(gòu)造器參數(shù)傳入Thread類實(shí)例對(duì)象，這個(gè)對(duì)象才是真正的線程對(duì)象

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0 ;i < 50 ;i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：" +i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
       for (int i = 0;i < 50;i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" +i);
            if (i == 10) {
                MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
                new Thread(myRunnable).start();
                new Thread(myRunnable).start();
            }
        }
        //java8 labdam方式
         new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        },"線程3").start();
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

...
main：46
main：47
main：48
main：49
Thread-0：28
Thread-0：29
Thread-0：30
Thread-1：30
...

1、線程1和線程2輸出的成員變量i是連續(xù)的，也就是說通過這種方式創(chuàng)建線程，可以使多線程共享線程類的實(shí)例變量，因?yàn)檫@里的多個(gè)線程都使用了同一個(gè)target實(shí)例變量。但是，當(dāng)你使用我上述的代碼運(yùn)行的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)結(jié)果有些并不連續(xù)，這是因?yàn)槎鄠€(gè)線程訪問同一資源時(shí)，如果資源沒有加鎖，那么會(huì)出現(xiàn)線程安全問題（這是線程同步的知識(shí)，這里不展開）；
2、java8 可以使用lambda方式創(chuàng)建多線程。

3.通過Callable和Future接口創(chuàng)建線程

創(chuàng)建Callable接口實(shí)現(xiàn)類，并實(shí)現(xiàn)call()方法，該方法將作為線程執(zhí)行體，且該方法有返回值，再創(chuàng)建Callable實(shí)現(xiàn)類的實(shí)例；使用FutureTask類來包裝Callable對(duì)象，該FutureTask對(duì)象封裝了該Callable對(duì)象的call()方法的返回值；使用FutureTask對(duì)象作為Thread對(duì)象的target創(chuàng)建并啟動(dòng)新線程；調(diào)用FutureTask對(duì)象的get()方法來獲得子線程執(zhí)行結(jié)束后的返回值

public class MyCallable implements Callable<Integer> {
    private int i = 0;
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        int sum = 0;
        for (; i < 100; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
            sum += i;
        }
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 創(chuàng)建MyCallable對(duì)象
        Callable<Integer> myCallable = new MyCallable();
        //使用FutureTask來包裝MyCallable對(duì)象
        FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<Integer>(myCallable);
        for (int i = 0;i<50;i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            if (i == 30) {
                Thread thread = new Thread(ft);
                thread.start();
            }
        }
        System.out.println("主線程for循環(huán)執(zhí)行完畢..");
        Integer integer = ft.get();
        System.out.println("sum = "+ integer);
    }
}

call()方法的返回值類型與創(chuàng)建FutureTask對(duì)象時(shí)<>里的類型一致。

三、Java內(nèi)存模型概念

在并發(fā)編程中，我們需要處理兩個(gè)關(guān)鍵問題：線程之間如何通信及線程之間如何同步（這里的線程是指并發(fā)執(zhí)行的活動(dòng)實(shí)體）。通信是指線程之間以何種機(jī)制來交換信息。在命令式編程中，線程之間的通信機(jī)制有兩種：共享內(nèi)存和消息傳遞。

在共享內(nèi)存的并發(fā)模型里，線程之間共享程序的公共狀態(tài)，線程之間通過寫-讀內(nèi)存中的公共狀態(tài)來隱式進(jìn)行通信。在消息傳遞的并發(fā)模型里，線程之間沒有公共狀態(tài)，線程之間必須通過明確的發(fā)送消息來顯式進(jìn)行通信。

堆內(nèi)存在線程之間共享（本文使用“共享變量”這個(gè)術(shù)語代指實(shí)例域，靜態(tài)域和數(shù)組元素）。局部變量（Local variables），方法定義參數(shù)（java語言規(guī)范稱之為formal method parameters）和異常處理器參數(shù)（exception handler parameters）不會(huì)在線程之間共享，它們不會(huì)有內(nèi)存可見性問題，也不受內(nèi)存模型的影響。

主內(nèi)存和工作內(nèi)存解釋

主內(nèi)存（main memory）： 類的實(shí)例所存在的區(qū)域，所有的實(shí)例都存在主存儲(chǔ)器內(nèi)，并且實(shí)例的字段也位于這里。主存儲(chǔ)器為所有的線程所共享，主內(nèi)存主要對(duì)應(yīng)于Java堆中對(duì)象的實(shí)例數(shù)據(jù)部分。

工作內(nèi)存（working memory）： 每個(gè)線程各自獨(dú)立所擁有的作業(yè)區(qū)，在working memory中，存有main memory中的部分拷貝，稱之為工作拷貝（working copy）。

Java線程之間的通信由Java內(nèi)存模型（本文簡稱為JMM）控制，JMM決定一個(gè)線程對(duì)共享變量的寫入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線程可見。從抽象的角度來看，JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系：線程之間的共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存（main memory）中，每個(gè)線程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存（local memory），本地內(nèi)存中存儲(chǔ)了該線程以讀/寫共享變量的副本。本地內(nèi)存是JMM的一個(gè)抽象概念，并不真實(shí)存在。它涵蓋了緩存，寫緩沖區(qū)，寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化。Java內(nèi)存模型的抽象示意圖如下：

從上圖來看，線程A與線程B之間如要通信的話，必須要經(jīng)歷下面2個(gè)步驟：

1. 首先，線程A把本地內(nèi)存A中更新過的共享變量刷新到主內(nèi)存中去。
2. 然后，線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A之前已更新過的共享變量。

下面通過示意圖來說明這兩個(gè)步驟：

如上圖所示，本地內(nèi)存A和B有主內(nèi)存中共享變量x的副本。假設(shè)初始時(shí)，這三個(gè)內(nèi)存中的x值都為0。
1、線程A在執(zhí)行時(shí)，把更新后的x值（假設(shè)值為1）臨時(shí)存放在自己的本地內(nèi)存A中。當(dāng)線程A和線程B需要通信時(shí)，線程A首先會(huì)把自己本地內(nèi)存中修改后的x值刷新到主內(nèi)存中，此時(shí)主內(nèi)存中的x值變?yōu)榱?。
2、線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A更新后的x值，此時(shí)線程B的本地內(nèi)存的x值也變?yōu)榱?。
從整體來看，這兩個(gè)步驟實(shí)質(zhì)上是線程A在向線程B發(fā)送消息，而且這個(gè)通信過程必須要經(jīng)過主內(nèi)存。JMM通過控制主內(nèi)存與每個(gè)線程的本地內(nèi)存之間的交互，來為java程序員提供內(nèi)存可見性保證。

四、內(nèi)存間的交互操作

主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間的交互操作定義了8種原子性操作。具體如下：

• lock(鎖定):作用于主內(nèi)存的變量，將一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一條線程獨(dú)占狀態(tài)

• unlock(解鎖):作用于主內(nèi)存的變量，將一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來

• read(讀取):作用于主內(nèi)存的變量，把一個(gè)變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中

• load(載入):作用于工作內(nèi)存的變量，把read傳輸?shù)淖兞恐捣湃牖蛘呖截惖焦ぷ鲀?nèi)存的變量副本

• use(使用):作用于工作內(nèi)存的變量，表示線程引用工作內(nèi)存中的變量值，將工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳遞給執(zhí)行引擎

• assign(賦值):作用于工作內(nèi)存的變量，表示線程將指定的值賦值給工作內(nèi)存中的某個(gè)變量。

• store(存儲(chǔ)):作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳送給主內(nèi)存中

• write(寫入):作用于主內(nèi)存的變量，將store傳遞的變量值放入到主內(nèi)存中對(duì)應(yīng)的變量里

下面圖片能幫我們加深印象

五、volatile和synchronized的區(qū)別

首先需要理解線程安全的兩個(gè)方面：執(zhí)行控制和內(nèi)存可見。

執(zhí)行控制的目的是控制代碼執(zhí)行（順序）及是否可以并發(fā)執(zhí)行。

內(nèi)存可見控制的是線程執(zhí)行結(jié)果在內(nèi)存中對(duì)其它線程的可見性。根據(jù)Java內(nèi)存模型的實(shí)現(xiàn)，線程在具體執(zhí)行時(shí)，會(huì)先拷貝主存數(shù)據(jù)到線程本地（CPU緩存），操作完成后再把結(jié)果從線程本地刷到主存。

synchronized關(guān)鍵字解決的是執(zhí)行控制的問題，它會(huì)阻止其它線程獲取當(dāng)前對(duì)象的監(jiān)控鎖，這樣就使得當(dāng)前對(duì)象中被synchronized關(guān)鍵字保護(hù)的代碼塊無法被其它線程訪問，也就無法并發(fā)執(zhí)行。更重要的是，synchronized還會(huì)創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)存屏障，內(nèi)存屏障指令保證了所有CPU操作結(jié)果都會(huì)直接刷到主存中，從而保證了操作的內(nèi)存可見性，同時(shí)也使得先獲得這個(gè)鎖的線程的所有操作，都happens-before于隨后獲得這個(gè)鎖的線程的操作。

volatile關(guān)鍵字解決的是內(nèi)存可見性的問題，會(huì)使得所有對(duì)volatile變量的讀寫都會(huì)直接刷到主存，即保證了變量的可見性。這樣就能滿足一些對(duì)變量可見性有要求而對(duì)讀取順序沒有要求的需求。

使用volatile關(guān)鍵字僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)原始變量(如boolen、 short 、int 、long等)操作的原子性，但需要特別注意， volatile不能保證復(fù)合操作的原子性。

對(duì)于volatile關(guān)鍵字，當(dāng)且僅當(dāng)滿足以下所有條件時(shí)可使用：

1. 對(duì)變量的寫入操作不依賴變量的當(dāng)前值，或者你能確保只有單個(gè)線程更新變量的值。
2. 該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中

volatile和synchronized的區(qū)別

• volatile本質(zhì)是在告訴jvm當(dāng)前變量在寄存器（工作內(nèi)存）中的值是不確定的，需要從主存中讀;synchronized則是鎖定當(dāng)前變量，只有當(dāng)前線程可以訪問該變量，其他線程被阻塞住。
• volatile僅能使用在變量級(jí)別；synchronized則可以使用在變量、方法、和類級(jí)別的
• volatile僅能實(shí)現(xiàn)變量的修改可見性，不能保證原子性；而synchronized則可以保證變量的修改可見性和原子性
• volatile不會(huì)造成線程的阻塞；synchronized可能會(huì)造成線程的阻塞。
• volatile標(biāo)記的變量不會(huì)被編譯器優(yōu)化；synchronized標(biāo)記的變量可以被編譯器優(yōu)化。