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<!-- GFM-TOC -->
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* [使用线程](#使用线程)
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* [1. 实现 Runnable 接口](#1-实现-runnable-接口)
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* [2. 实现 Callable 接口](#2-实现-callable-接口)
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* [3. 继承 Tread 类](#3-继承-tread-类)
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* [4. 实现接口 vs 继承 Thread](#4-实现接口-vs-继承-thread)
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* [Executor](#executor)
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* [基础线程机制](#基础线程机制)
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* [1. sleep()](#1-sleep)
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* [2. yield()](#2-yield)
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* [3. join()](#3-join)
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* [4. deamon](#4-deamon)
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* [线程之间的协作](#线程之间的协作)
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* [1. 线程通信](#1-线程通信)
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* [2. 线程同步](#2-线程同步)
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* [2.1 synchronized](#21-synchronized)
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* [2.2 Lock](#22-lock)
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* [2.3 BlockingQueue](#23-blockingqueue)
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* [线程状态](#线程状态)
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* [结束线程](#结束线程)
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* [1. 阻塞](#1-阻塞)
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* [2. 中断](#2-中断)
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* [原子性](#原子性)
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* [volatile](#volatile)
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* [1. 内存可见性](#1-内存可见性)
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* [2. 禁止指令重排](#2-禁止指令重排)
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* [多线程开发良好的实践](#多线程开发良好的实践)
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* [未完待续](#未完待续)
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* [参考资料](#参考资料)
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<!-- GFM-TOC -->
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# 使用线程
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有三种使用线程的方法：
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1. 实现 Runnable 接口；
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2. 实现 Callable 接口；
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3. 继承 Tread 类；
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实现 Runnable 和 Callable 接口的类只能当做一个可以在线程中运行的任务，不是真正意义上的线程，因此最后还需要通过 Thread 来调用。可以说任务是通过线程驱动从而执行的。
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## 1. 实现 Runnable 接口
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需要实现 run() 方法
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通过 Thread 调用 start() 方法来启动线程
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```java
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public class MyRunnable implements Runnable {
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public void run() {
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// ...
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}
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public static void main(String[] args) {
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MyRunnable instance = new MyRunnable();
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Tread thread = new Thread(instance);
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thread.start();
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}
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}
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```
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## 2. 实现 Callable 接口
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与 Runnable 相比，Callable 可以有返回值，返回值通过 FutureTask 进行封装。
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```java
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public class MyCallable implements Callable<Integer> {
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public Integer call() {
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// ...
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}
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public static void main(String[] args) {
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MyCallable mc = new MyCallable();
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FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(mc);
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Thread thread = new Thread(ft);
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thread.start();
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System.out.println(ft.get());
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}
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}
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```
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## 3. 继承 Tread 类
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同样也是需要实现 run() 方法，并且最后也是调用 start() 方法来启动线程。
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```java
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class MyThread extends Thread {
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public void run() {
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// ...
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}
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public static void main(String[] args) {
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MyThread mt = new MyThread();
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mt.start();
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}
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}
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```
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## 4. 实现接口 vs 继承 Thread
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实现接口会更好一些，因为：
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1. Java 不支持多重继承，因此继承了 Thread 类就无法继承其它类，但是可以实现多个接口。
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2. 类可能只要求可执行即可，继承整个 Thread 类开销会过大。
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# Executor
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Executor 管理多个异步任务的执行，而无需程序员显示地管理线程的生命周期。
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主要有三种 Excutor：
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1. CachedTreadPool：一个任务创建一个线程；
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2. FixedThreadPool：所有任务只能使用固定大小的线程；
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3. SingleThreadExecutor：相当于大小为 1 的 FixedThreadPool。
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```java
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ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
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for(int i = 0; i < 5; i++) {
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exec.execute(new MyRunnable());
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}
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```
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# 基础线程机制
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## 1. sleep()
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**Thread.sleep(millisec)** 方法会休眠当前正在执行的线程，millisec 单位为毫秒。也可以使用 TimeUnit.TILLISECONDS.sleep(millisec)。
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sleep() 可能会抛出 InterruptedException。因为异常不能跨线程传播回 main() 中，因此必须在本地进行处理。线程中抛出的其它异常也同样需要在本地进行处理。
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```java
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public void run() {
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try {
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// ...
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Thread.sleep(1000);
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// ...
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} catch(InterruptedException e) {
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System.err.println(e);
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}
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}
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```
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## 2. yield()
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对静态方法 **Thread.yield()** 的调用声明了当前线程已经完成了生命周期中最重要的部分，可以切换给其它线程来执行。
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```java
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public void run() {
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// ...
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Thread.yield();
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}
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```
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## 3. join()
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在线程中调用另一个线程的 **join()** 方法，会将当前线程挂起，直到目标线程结束。
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可以加一个超时参数。
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## 4. deamon
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后台线程（**deamon**）是程序运行时在后台提供服务的线程，并不属于程序中不可或缺的部分。
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当所有非后台线程结束时，程序也就终止，同时会杀死所有后台线程。
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main() 属于非后台线程。
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使用 setDaemon() 方法将一个线程设置为后台线程。
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# 线程之间的协作
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- **线程通信**：保证线程以一定的顺序执行；
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- **线程同步**：保证线程对临界资源的互斥访问。
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线程通信往往是基于线程同步的基础上完成的，因此很多线程通信问题也是线程同步问题。
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## 1. 线程通信
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**wait()、notify() 和 notifyAll()** 三者实现了线程之间的通信。
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wait() 会在等待时将线程挂起，而不是忙等待，并且只有在 notify() 或者 notifyAll() 到达时才唤醒。
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sleep() 和 yield() 并没有释放锁，但是 wait() 会释放锁。实际上，只有在同步控制方法或同步控制块里才能调用 wait() 、notify() 和 notifyAll()。
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这几个方法属于基类的一部分，而不属于 Thread。
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```java
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private boolean flag = false;
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public synchronized void after() {
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while(flag == false) {
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wait();
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// ...
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}
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}
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public synchronized void before() {
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flag = true;
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notifyAll();
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}
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```
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**wait() 和 sleep() 的区别**
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1. wait() 是 Object 类的方法，而 sleep() 是 Thread 的静态方法；
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2. wait() 会放弃锁，而 sleep() 不会。
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## 2. 线程同步
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给定一个进程内的所有线程，都共享同一存储空间，这样有好处又有坏处。这些线程就可以共享数据，非常有用。不过，在两个线程同时修改某一资源时，这也会造成一些问题。Java 提供了同步机制，以控制对共享资源的互斥访问。
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### 2.1 synchronized
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**同步一个方法**
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使多个线程不能同时访问该方法。
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```java
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public synchronized void func(String name) {
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// ...
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|
}
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```
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**同步一个代码块**
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```java
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public void func(String name) {
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synchronized(this) {
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|
// ...
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|
}
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}
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```
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### 2.2 Lock
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若要实现更细粒度的控制，我们可以使用锁（lock）。
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```java
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private Lock lock;
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public int func(int value) {
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lock.lock();
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// ...
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lock.unlock();
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}
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```
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### 2.3 BlockingQueue
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java.util.concurrent.BlockingQueue 接口有以下阻塞队列的实现：
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- **FIFO 队列**：LinkedBlockingQueue、ArrayListBlockingQueue（固定长度）
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- **优先级队列**：PriorityBlockingQueue
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提供了阻塞的 take() 和 put() 方法：如果队列为空 take() 将一直阻塞到队列中有内容，如果队列为满 put() 将阻塞到队列有空闲位置。它们响应中断，当收到中断请求的时候会抛出 InterruptedException，从而提前结束阻塞状态。
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**使用 BlockingQueue 实现生产者消费者问题**
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```java
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// 生产者
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import java.util.concurrent.BlockingQueue;
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public class Producer implements Runnable {
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private BlockingQueue<String> queue;
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public Producer(BlockingQueue<String> queue) {
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this.queue = queue;
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}
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@Override
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public void run() {
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System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is making product...");
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String product = "made by " + Thread.currentThread().getName();
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try {
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queue.put(product);
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} catch (InterruptedException e) {
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e.printStackTrace();
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}
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}
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}
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```
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```java
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// 消费者
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import java.util.concurrent.BlockingQueue;
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public class Consumer implements Runnable{
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private BlockingQueue<String> queue;
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public Consumer(BlockingQueue<String> queue) {
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this.queue = queue;
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}
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@Override
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public void run() {
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try {
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String product = queue.take();
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System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is consuming product " + product + "...");
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} catch (InterruptedException e) {
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|
e.printStackTrace();
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|
}
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}
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}
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```
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```java
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// 客户端
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import java.util.concurrent.BlockingQueue;
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import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
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public class Client {
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public static void main(String[] args) {
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BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>(5);
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for (int i = 0; i < 2; i++) {
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new Thread(new Consumer(queue), "Producer" + i).start();
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}
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for (int i = 0; i < 5; i++) {
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// 只有两个 Product，因此只能消费两个，其它三个消费者被阻塞
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|
new Thread(new Producer(queue), "Consumer" + i).start();
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|
|
}
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|||
|
|
for (int i = 2; i < 5; i++) {
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|||
|
|
new Thread(new Consumer(queue), "Producer" + i).start();
|
|||
|
|
}
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|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
|
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```
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```html
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// 运行结果
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Consumer0 is making product...
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Producer0 is consuming product made by Consumer0...
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Consumer1 is making product...
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Producer1 is consuming product made by Consumer1...
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Consumer2 is making product...
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|
|
Consumer3 is making product...
|
|||
|
|
Consumer4 is making product...
|
|||
|
|
Producer2 is consuming product made by Consumer2...
|
|||
|
|
Producer3 is consuming product made by Consumer3...
|
|||
|
|
Producer4 is consuming product made by Consumer4...
|
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```
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# 线程状态
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JDK 从 1.5 开始在 Thread 类中增添了 State 枚举，包含以下六种状态：
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1. **NEW**（新建）
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2. **RUNNABLE**（当线程正在运行或者已经就绪正等待 CPU 时间片）
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3. **BLOCKED**（阻塞，线程在等待获取对象同步锁）
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4. **Waiting**（调用不带超时的 wait() 或 join()）
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5. **TIMED_WAITING**（调用 sleep()、带超时的 wait() 或者 join()）
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6. **TERMINATED**（死亡）
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<br><div align="center"> <img src="https://github.com/CyC2018/InterviewNotes/blob/master/pics//19f2c9ef-6739-4a95-8e9d-aa3f7654e028.jpg"/> </div><br>
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# 结束线程
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## 1. 阻塞
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一个线程进入阻塞状态可能有以下原因：
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1. 调用 Thread.sleep() 方法进入休眠状态；
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2. 通过 wait() 使线程挂起，直到线程得到 notify() 或 notifyAll() 消息（或者 java.util.concurrent 类库中等价的 signal() 或 signalAll() 消息；
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3. 等待某个 I/O 的完成；
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4. 试图在某个对象上调用其同步控制方法，但是对象锁不可用，因为另一个线程已经获得了这个锁。
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## 2. 中断
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使用中断机制即可终止阻塞的线程。
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使用 **interrupt()** 方法来中断某个线程，它会设置线程的中断状态。Object.wait(), Thread.join() 和 Thread.sleep() 三种方法在收到中断请求的时候会清除中断状态，并抛出 InterruptedException。
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应当捕获这个 InterruptedException 异常，从而做一些清理资源的操作。
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**不可中断的阻塞**
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不能中断 I/O 阻塞和 synchronized 锁阻塞。
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**Executor 的中断操作**
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Executor 避免对 Thread 对象的直接操作，但是使用 interrupt() 方法必须持有 Thread 对象。Executor 使用 shutdownNow() 方法来中断所有它里面的所有线程，shutdownNow() 方法会发送 interrupt() 调用给所有线程。
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如果只想中断一个线程，那么使用 Executor 的 submit() 而不是 executor() 来启动线程，就可以持有线程的上下文。submit() 将返回一个泛型 Futrue，可以在它之上调用 cancel()，如果将 true 传递给 cancel()，那么它将会发送 interrupt() 调用给特定的线程。
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**检查中断**
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通过中断的方法来终止线程，需要线程进入阻塞状态才能终止。如果编写的 run() 方法循环条件为 true，但是该线程不发生阻塞，那么线程就永远无法终止。
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interrupt() 方法会设置中断状态，可以通过 interrupted() 方法来检查中断状，从而判断一个线程是否已经被中断。
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interrupted() 方法在检查完中断状态之后会清除中断状态，这样做是为了确保一次中断操作只会产生一次影响。
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# 原子性
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对于除 long 和 double 之外的基本类型变量的读写，可以看成是具有原子性的，以不可分割的步骤操作内存。
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JVM 将 64 位变量（long 和 double）的读写当做两个分离的 32 位操作来执行，在两个操作之间可能会发生上下文切换，因此不具有原子性。可以使用 **volatile** 关键字来定义 long 和 double 变量，从而获得原子性。
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**AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference** 等特殊的原子性变量类提供了下面形式的原子性条件更新语句，使得比较和更新这两个操作能够不可分割地执行。
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```java
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boolean compareAndSet(expectedValue, updateValue);
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```
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AtomicInteger 使用举例：
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```java
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private AtomicInteger ai = new AtomicInteger(0);
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public int next() {
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return ai.addAndGet(2)
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}
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```
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原子性具有很多复杂问题，应当尽量使用同步而不是原子性。
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# volatile
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保证了内存可见性和禁止指令重排，没法保证原子性。
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## 1. 内存可见性
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普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的。
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volatile 关键字会保证每次修改共享变量之后该值会立即更新到内存中，并且在读取时会从内存中读取值。
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synchronized 和 Lock 也能够保证内存可见性。它们能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。不过只有对共享变量的 set() 和 get() 方法都加上 synchronized 才能保证可见性，如果只有 set() 方法加了 synchronized，那么 get() 方法并不能保证会从内存中读取最新的数据。
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## 2. 禁止指令重排
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在 Java 内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。
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volatile 关键字通过添加内存屏障的方式来进制指令重排，即重排序时不能把后面的指令放到内存屏障之前。
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可以通过 synchronized 和 Lock 来保证有序性，它们保证每个时刻只有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。
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# 多线程开发良好的实践
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- 给线程命名；
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- 最小化同步范围；
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- 优先使用 volatile；
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- 尽可能使用更高层次的并发工具而非 wait 和 notify() 来实现线程通信，如 BlockingQueue, Semeaphore；
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- 多用并发容器，少用同步容器，并发容器壁同步容器的可扩展性更好。
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- 考虑使用线程池
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- 最低限度的使用同步和锁，缩小临界区。因此相对于同步方法，同步块会更好。
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# 未完待续
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# 参考资料
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- Java 编程思想
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- [Java 线程面试题 Top 50](http://www.importnew.com/12773.html)
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- [Java 面试专题 - 多线程 & 并发编程 ](https://www.jianshu.com/p/e0c8d3dced8a)
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- [可重入内置锁](https://github.com/francistao/LearningNotes/blob/master/Part2/JavaConcurrent/%E5%8F%AF%E9%87%8D%E5%85%A5%E5%86%85%E7%BD%AE%E9%94%81.md)
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