2018-04-08 21:27:55 +08:00
<!-- GFM - TOC -->
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* [限期等待（ ） ](#限期等待timed-waiting )
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* [实现 Callable 接口 ](#实现-callable-接口 )
* [继承 Thread 类 ](#继承-thread-类 )
* [实现接口 VS 继承 Thread ](#实现接口-vs-继承-thread )
* [三、基础线程机制 ](#三基础线程机制 )
* [Executor ](#executor )
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* [四、中断 ](#四中断 )
* [InterruptedException ](#interruptedexception )
* [interrupted() ](#interrupted )
* [Executor 的中断操作 ](#executor-的中断操作 )
* [五、互斥同步 ](#五互斥同步 )
* [synchronized ](#synchronized )
* [ReentrantLock ](#reentrantlock )
* [synchronized 和 ReentrantLock 比较 ](#synchronized-和-reentrantlock-比较 )
* [六、线程之间的协作 ](#六线程之间的协作 )
* [join() ](#join )
* [wait() notify() notifyAll() ](#wait-notify-notifyall )
* [await() signal() signalAll() ](#await-signal-signalall )
* [BlockingQueue ](#blockingqueue )
* [七、线程不安全示例 ](#七线程不安全示例 )
* [八、Java 内存模型 ](#八java-内存模型 )
* [主内存与工作内存 ](#主内存与工作内存 )
* [内存间交互操作 ](#内存间交互操作 )
* [内存模型三大特性 ](#内存模型三大特性 )
* [先行发生原则 ](#先行发生原则 )
* [九、线程安全 ](#九线程安全 )
* [线程安全分类 ](#线程安全分类 )
* [线程安全的实现方法 ](#线程安全的实现方法 )
* [十、锁优化 ](#十锁优化 )
* [自旋锁与自适应自旋 ](#自旋锁与自适应自旋 )
* [锁消除 ](#锁消除 )
* [锁粗化 ](#锁粗化 )
* [轻量级锁 ](#轻量级锁 )
* [偏向锁 ](#偏向锁 )
* [九、多线程开发良好的实践 ](#九多线程开发良好的实践 )
* [参考资料 ](#参考资料 )
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# 一、线程状态转换
< div align = "center" > < img src = "../pics//ace830df-9919-48ca-91b5-60b193f593d2.png" / > < / div > < br >
## 新建（ ）
创建后尚未启动。
## 可运行（ ）
可能正在运行，也可能正在等待 CPU 时间片。
包含了操作系统线程状态中的 Running 和 Ready。
## 阻塞（ ）
等待获取一个排它锁，如果其线程释放了锁就会结束此状态。
## 无限期等待（ ）
等待其它线程显示地唤醒，否则不会被分配 CPU 时间片；
| 进入方法 | 退出方法 |
| --- | --- |
| 没有设置 Timeout 参数的 Object.wait() 方法 | Object.notify() Object.notifyAll() |
| 没有设置 Timeout 参数的 Thread.join() 方法 | 被调用的线程执行完毕 |
| LockSupport.park() 方法 | - |
## 限期等待（ ）
无需等待其它线程显示地唤醒，在一定时间之后会被系统自动唤醒。
| 进入方法 | 退出方法 |
| --- | --- |
| Thread.sleep() 方法 | 时间结束 |
| 设置了 Timeout 参数的 Object.wait() 方法 | 时间结束 / Object.notify() Object.notifyAll() |
| 设置了 Timeout 参数的 Thread.join() 方法 | 时间结束 / 被调用的线程执行完毕 |
| LockSupport.parkNanos() 方法 | - |
| LockSupport.parkUntil() 方法 | - |
## 死亡（ ）
可以是线程结束任务之后自己结束，或者产生了异常而结束。
# 二、使用线程
有三种使用线程的方法：
1. 实现 Runnable 接口；
2. 实现 Callable 接口；
3. 继承 Thread 类。
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。
## 实现 Runnable 接口
需要实现 run() 方法。
通过 Thread 调用 start() 方法来启动线程。
```java
public class MyRunnable implements Runnable {
public void run() {
// ...
}
}
```
```java
public static void main(String[] args) {
MyRunnable instance = new MyRunnable();
Thread thread = new Thread(instance);
thread.start();
}
```
## 实现 Callable 接口
与 Runnable 相比，
```java
public class MyCallable implements Callable< Integer > {
public Integer call() {
return 123;
}
}
```
```java
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
MyCallable mc = new MyCallable();
FutureTask< Integer > ft = new FutureTask< >(mc);
Thread thread = new Thread(ft);
thread.start();
System.out.println(ft.get());
}
```
## 继承 Thread 类
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。
```java
public class MyThread extends Thread {
public void run() {
// ...
}
}
```
```java
public static void main(String[] args) {
MyThread mt = new MyThread();
mt.start();
}
```
## 实现接口 VS 继承 Thread
实现接口会更好一些，因为：
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；
2. 类可能只要求可执行就行，继承整个 Thread 类开销会过大。
# 三、基础线程机制
## Executor
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。
主要有三种 Executor：
1. CachedTreadPool： ；
2. FixedThreadPool： ；
3. SingleThreadExecutor：
```java
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 5 ; i + + ) {
executorService.execute(new MyRunnable());
}
executorService.shutdown();
}
```
## Daemon
守护线程是程序运行时在后台提供服务的线程，不属于程序中不可或缺的部分。
当所有非守护线程结束时，程序也就终止，同时会杀死所有守护线程。
main() 属于非守护线程。
使用 setDaemon() 方法将一个线程设置为守护线程。
```java
public static void main(String[] args) {
Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
thread.setDaemon(true);
}
```
## sleep()
Thread.sleep(millisec) 方法会休眠当前正在执行的线程，
sleep() 可能会抛出 InterruptedException，
```java
public void run() {
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
```
## yield()
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。该方法只是对线程调度器的一个建议，而且也只是建议具有相同优先级的其它线程可以运行。
```java
public void run() {
Thread.yield();
}
```
# 四、中断
一个线程执行完毕之后会自动结束，如果在运行过程中发生异常也会提前结束。
## InterruptedException
通过调用一个线程的 interrupt() 来中断该线程，如果该线程处于阻塞、限期等待或者无限期等待状态，那么就会抛出 InterruptedException，
对于以下代码，在 Main 中启动一个线程之后再中断它，由于线程中调用了 Thread.sleep() 方法，因此会抛出一个 InterruptedException， ，
```java
public class InterruptExample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread1 = new MyThread1();
thread1.start();
thread1.interrupt();
System.out.println("Main run");
}
private static class MyThread1 extends Thread {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(2000);
System.out.println("Thread run");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
```
```html
Main run
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
at InterruptExample.lambda$main$0(InterruptExample.java:5)
at InterruptExample$$Lambda$1/713338599.run(Unknown Source)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
```
## interrupted()
如果一个线程的 run() 方法执行一个无限循环，并且没有执行 sleep() 等会抛出 InterruptedException 的操作，那么调用线程的 interrupt() 方法就无法使线程提前结束。
但是调用 interrupt() 方法会设置线程的中断标记，此时调用 interrupted() 方法会返回 true。因此可以在循环体中使用 interrupted() 方法来判断线程是否处于中断状态，从而提前结束线程。
```java
public class InterruptExample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread2 = new MyThread2();
thread2.start();
thread2.interrupt();
}
private static class MyThread2 extends Thread {
@Override
public void run() {
while (!interrupted()) {
// ..
}
System.out.println("Thread end");
}
}
}
```
```html
Thread end
```
## Executor 的中断操作
调用 Executor 的 shutdown() 方法会等待线程都执行完毕之后再关闭，但是如果调用的是 shutdownNow() 方法，则相当于调用每个线程的 interrupt() 方法。
以下使用 Lambda 创建线程，相当于创建了一个匿名内部线程。
```java
public class ExecutorInterruptExample {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(() -> {
try {
Thread.sleep(2000);
System.out.println("Thread run");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
executorService.shutdownNow();
System.out.println("Main run");
}
}
```
```html
Main run
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
at ExecutorInterruptExample.lambda$main$0(ExecutorInterruptExample.java:9)
at ExecutorInterruptExample$$Lambda$1/1160460865.run(Unknown Source)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
```
如果只想中断 Executor 中的一个线程，可以通过使用 submit() 方法来提交一个线程，它会返回一个 Future< ?> 对象，通过调用该对象的 cancel(true) 方法就可以中断线程。
```java
Future< ?> future = executorService.submit(() -> {
// ..
});
future.cancel(true);
```
# 五、互斥同步
Java 提供了两种锁机制来控制多个线程对共享资源的互斥访问，第一个是 JVM 实现的 synchronized，
## synchronized
**1. 同步一个代码块**
```java
public void func () {
synchronized (this) {
// ...
}
}
```
它只作用于同一个对象，如果调用两个对象上的同步代码块，就不会进行同步。
对于以下代码，使用 ExecutorService 执行了两个线程（这两个线程使用 Lambda 创建），由于调用的是同一个对象的同步语句块，因此这两个线程就需要进行同步，当一个线程进入同步语句块时，另一个线程就必须等待。
```java
public class SynchronizedExample {
public void func1() {
synchronized (this) {
for (int i = 0; i < 10 ; i + + ) {
System.out.print(i + " ");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(() -> e1.func1());
executorService.execute(() -> e1.func1());
}
}
```
```html
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
```
对于以下代码，两个线程调用了不同对象的同步代码块，因此这两个线程就不需要同步。从输出结果可以看出，两个线程交叉执行。
```java
public static void main(String[] args) {
SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(() -> e1.func1());
executorService.execute(() -> e2.func1());
}
```
```html
0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9
```
**2. 同步一个方法**
```java
public synchronized void func () {
// ...
}
```
它和同步代码块一样，只作用于同一个对象。
**3. 同步一个类**
```java
public void func() {
synchronized (SynchronizedExample.class) {
// ...
}
}
```
作用于整个类，也就是说两个线程调用同一个类的不同对象上的这种同步语句，也需要进行同步。
```java
public class SynchronizedExample {
public void func2() {
synchronized (SynchronizedExample.class) {
for (int i = 0; i < 10 ; i + + ) {
System.out.print(i + " ");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(() -> e1.func2());
executorService.execute(() -> e2.func2());
}
}
```
```html
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
```
**4. 同步一个静态方法**
```java
public synchronized static void fun() {
// ...
}
```
作用于整个类。
## ReentrantLock
```java
public class LockExample {
private Lock lock = new ReentrantLock();
public void func() {
lock.lock();
try {
for (int i = 0; i < 10 ; i + + ) {
System.out.print(i + " ");
}
} finally {
lock.unlock(); // 确保释放锁，从而避免发生死锁。
}
}
}
```
```java
public static void main(String[] args) {
LockExample lockExample = new LockExample();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(() -> lockExample.func());
executorService.execute(() -> lockExample.func());
}
```
```html
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
```
ReentrantLock 是 java.util.concurrent（ ） ， ， ：
**1. 等待可中断**
当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情，可中断特性对处理执行时间非常长的同步块很有帮助。
**2. 可实现公平锁**
公平锁是指多个线程在等待同一个锁时， ； ， ， ，
**3. 锁绑定多个条件**
一个 ReentrantLock 对象可以同时绑定多个 Condition 对象，而在 synchronized 中，锁对象的 wait() 和 notify() 或 notifyAll() 方法可以实现一个隐含的条件，如果要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而 ReentrantLock 则无须这样做，只需要多次调用 newCondition() 方法即可。
## synchronized 和 ReentrantLock 比较
**1. 锁的实现**
synchronized 是 JVM 实现的，而 ReentrantLock 是 JDK 实现的。
**2. 性能**
从性能上来看，在新版本的 JDK 中对 synchronized 进行了很多优化，例如自旋锁等。目前来看它和 ReentrantLock 的性能基本持平了，因此性能因素不再是选择 ReentrantLock 的理由，而且 synchronized 有更大的优化空间，因此优先考虑 synchronized。
**3. 功能**
ReentrantLock 多了一些高级功能。
**4. 使用选择**
除非需要使用 ReentrantLock 的高级功能，否则优先使用 synchronized。这是因为 synchronized 是 JVM 实现的一种锁机制，
# 六、线程之间的协作
当多个线程可以一起工作去解决某个问题时，需要对它们进行协调，因为某些部分必须在其它部分之前完成。
## join()
在线程中调用另一个线程的 join() 方法，会将当前线程挂起，而不是忙等待，直到目标线程结束。
对于以下代码，虽然 b 线程先启动，但是因为在 b 线程中调用了 a 线程的 join() 方法，因此 b 线程会等待 a 线程结束才继续执行，因此最后能够保证 a 线程的输出先与 b 线程的输出。
```java
public class JoinExample {
private class A extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("A");
}
}
private class B extends Thread {
private A a;
B(A a) {
this.a = a;
}
@Override
public void run() {
try {
a.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("B");
}
}
public void test() {
A a = new A();
B b = new B(a);
b.start();
a.start();
}
public static void main(String[] args) {
JoinExample example = new JoinExample();
example.test();
}
}
```
```
A
B
```
## wait() notify() notifyAll()
调用 wait() 使得线程等待某个条件满足，线程在等待时会被挂起，当其他线程的运行使得这个条件满足时，其它线程会调用 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程。
它们都属于 Object 的一部分，而不属于 Thread。
只能用在同步方法或者同步控制块中使用，否则会在运行时抛出 IllegalMonitorStateExeception。
使用 wait() 挂起期间，线程会释放锁。这是因为，如果没有释放锁，那么其它线程就无法进入对象的同步方法或者同步控制块中，那么就无法执行 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程。
```java
public class WaitNotifyExample {
public synchronized void before() {
System.out.println("before");
notifyAll();
}
public synchronized void after() {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("after");
}
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
WaitNotifyExample example = new WaitNotifyExample();
executorService.execute(() -> example.after());
executorService.execute(() -> example.before());
}
}
```
```html
before
after
```
**wait() 和 sleep() 的区别**
1. wait() 是 Object 类的方法，而 sleep() 是 Thread 的静态方法；
2. wait() 会释放锁，
## await() signal() signalAll()
java.util.confurrent 类库中提供了 Condition 类来实现线程之间的协调，可以在 Condition 上调用 await() 方法时线程等待，其它线程调用 signal() 或 signalAll() 方法唤醒挂起的线程。
使用 Lock 来获取一个 Condition 对象。
```java
public class AwaitSignalExample {
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition = lock.newCondition();
public void before() {
lock.lock();
try {
System.out.println("before");
condition.signalAll();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void after() {
lock.lock();
try {
condition.await();
System.out.println("after");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
AwaitSignalExample example = new AwaitSignalExample();
executorService.execute(() -> example.after());
executorService.execute(() -> example.before());
}
}
```
## BlockingQueue
java.util.concurrent.BlockingQueue 接口有以下阻塞队列的实现：
- **FIFO 队列** ： （ ）
- **优先级队列** ：
提供了阻塞的 take() 和 put() 方法：如果队列为空 take() 将阻塞，直到队列中有内容；如果队列为满 put() 将阻塞，指到队列有空闲位置。
它们响应中断，当收到中断请求的时候会抛出 InterruptedException，
是线程安全的。
**使用 BlockingQueue 实现生产者消费者问题**
```java
// 生产者
public class Producer implements Runnable {
private BlockingQueue< String > queue;
public Producer(BlockingQueue< String > queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is making product.");
String product = "Made By " + Thread.currentThread().getName();
try {
queue.put(product);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
```
```java
// 消费者
public class Consumer implements Runnable {
private BlockingQueue< String > queue;
public Consumer(BlockingQueue< String > queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
try {
String product = queue.take();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is consuming product." + "( " + product + " )");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
```
```java
// 客户端
public class Client {
public static void main(String[] args) {
BlockingQueue< String > queue = new LinkedBlockingQueue< >(5);
for (int i = 0; i < 2 ; i + + ) {
new Thread(new Consumer(queue), "Consumer-" + i).start();
}
for (int i = 0; i < 5 ; i + + ) {
// 只有两个 Product， ，
new Thread(new Producer(queue), "Producer-" + i).start();
}
for (int i = 2; i < 5 ; i + + ) {
new Thread(new Consumer(queue), "Consumer-" + i).start();
}
}
}
```
```html
// 运行结果
Producer-0 is making product.
Consumer-0 is consuming product.( Made By Producer-0 )
Producer-1 is making product.
Consumer-1 is consuming product.( Made By Producer-1 )
Producer-2 is making product.
Producer-3 is making product.
Producer-4 is making product.
Consumer-2 is consuming product.( Made By Producer-2 )
Consumer-3 is consuming product.( Made By Producer-3 )
Consumer-4 is consuming product.( Made By Producer-4 )
```
# 七、线程不安全示例
如果多个线程对同一个共享数据进行访问而不采取同步操作的话，那么操作的结果是不一致的。
以下代码演示了 1000 个线程同时对 cnt 执行自增操作，操作结束之后它的值为 997 而不是 1000。
```java
public class ThreadUnsafeExample {
private int cnt = 0;
public void add() {
cnt++;
}
public int get() {
return cnt;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threadSize = 1000;
ThreadUnsafeExample example = new ThreadUnsafeExample();
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < threadSize ; i + + ) {
executorService.execute(() -> {
example.add();
countDownLatch.countDown();
});
}
countDownLatch.await();
executorService.shutdown();
System.out.println(example.get());
}
}
```
```html
997
```
# 八、Java 内存模型
Java 内存模型视图屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让 Java 程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。
## 主内存与工作内存
处理器上的寄存器的读写的速度比内存快几个数量级，为了解决这种速度矛盾，在它们之间加入了高速缓存。
加入高速缓存带来了一个新的问题： ，
< div align = "center" > < img src = "../pics//68778c1b-15ab-4826-99c0-3b4fd38cb9e9.png" / > < / div > < br >
所有的变量都存储在主内存中，每个线程还有自己的工作内存，工作内存存储在高速缓存或者寄存器中，保存了该线程使用的变量的主内存副本拷贝。
线程只能直接操作工作内存中的变量，不同线程之间的变量值传递需要通过主内存来完成。
< div align = "center" > < img src = "../pics//47358f87-bc4c-496f-9a90-8d696de94cee.png" / > < / div > < br >
## 内存间交互操作
Java 内存模型定义了 8 个操作来完成主内存和工作内存的交互操作。
< div align = "center" > < img src = "../pics//536c6dfd-305a-4b95-b12c-28ca5e8aa043.png" / > < / div > < br >
- read：
- load：
- use：
- assign：
- store：
- write：
- lock：
- unlock
## 内存模型三大特性
### 1. 原子性
Java 内存模型允许虚拟机将没有被 volatile 修饰的 64 位数据（ ， ）
2018-04-08 21:39:11 +08:00
有一个错误认识就是， ， ，
2018-04-08 21:27:55 +08:00
为了方便讨论，将内存间的交互操作简化为 3 个：
2018-04-08 21:39:11 +08:00
下图演示了两个线程同时对 cnt 变量进行操作， ，
2018-04-08 21:27:55 +08:00
2018-04-08 21:39:11 +08:00
< div align = "center" > < img src = "../pics//ef8eab00-1d5e-4d99-a7c2-d6d68ea7fe92.png" / > < / div > < br >
2018-04-08 21:27:55 +08:00
AtomicInteger 能保证多个线程修改的原子性。
2018-04-08 21:39:11 +08:00
< div align = "center" > < img src = "../pics//952afa9a-458b-44ce-bba9-463e60162945.png" / > < / div > < br >
2018-04-08 21:27:55 +08:00
使用 AtomicInteger 重写之前线程不安全的代码之后得到以下线程安全实现：
```java
public class AtomicExample {
private AtomicInteger cnt = new AtomicInteger();
public void add() {
cnt.incrementAndGet();
}
public int get() {
return cnt.get();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threadSize = 1000;
AtomicExample example = new AtomicExample();
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < threadSize ; i + + ) {
executorService.execute(() -> {
example.add();
countDownLatch.countDown();
});
}
countDownLatch.await();
executorService.shutdown();
System.out.println(example.get());
}
}
```
```html
1000
```
除了使用原子类之外，也可以使用 synchronized 互斥锁来保证操作的完整性， ： ，
```java
public class AtomicSynchronizedExample {
private int cnt = 0;
public synchronized void add() {
cnt++;
}
public synchronized int get() {
return cnt;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threadSize = 1000;
AtomicSynchronizedExample example = new AtomicSynchronizedExample();
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < threadSize ; i + + ) {
executorService.execute(() -> {
example.add();
countDownLatch.countDown();
});
}
countDownLatch.await();
executorService.shutdown();
System.out.println(example.get());
}
}
```
```html
1000
```
### 2. 可见性
可见性指当一个线程修改了共享变量的值，
2018-04-08 21:39:11 +08:00
volatile 可保证可见性。synchronized 也能够保证可见性，对一个变量执行 unlock 操作之前，
2018-04-08 21:27:55 +08:00
### 3. 有序性
有序性是指：在本线程内观察，所有操作都是有序的。在一个线程观察另一个线程，所有操作都是无序的，无序是因为发生了指令重排序。
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。
volatile 关键字通过添加内存屏障的方式来禁止指令重排，即重排序时不能把后面的指令放到内存屏障之前。
也可以通过 synchronized 来保证有序性，它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。
## 先行发生原则
上面提到了可以用 volatile 和 synchronized 来保证有序性。除此之外，
主要有以下这些原则：
### 1. 单一线程原则
> Single Thread rule
在一个线程内，在程序前面的操作先行发生于后面的操作。
< div align = "center" > < img src = "../pics//single-thread-rule.png" / > < / div > < br >
### 2. 管程锁定规则
> Monitor Lock Rule
一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。
< div align = "center" > < img src = "../pics//monitor-lock-rule.png" / > < / div > < br >
### 3. volatile 变量规则
> Volatile Variable Rule
对一个 volatile 变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。
< div align = "center" > < img src = "../pics//volatile-variable-rule.png" / > < / div > < br >
### 4. 线程启动规则
> Thread Start Rule
Thread 对象的 start() 方法先行发生于此线程的每一个动作。
< div align = "center" > < img src = "../pics//thread-start-rule.png" / > < / div > < br >
### 5. 线程加入规则
> Thread Join Rule
join() 方法返回先行发生于 Thread 对象的结束。
< div align = "center" > < img src = "../pics//thread-join-rule.png" / > < / div > < br >
### 6. 线程中断规则
> Thread Interruption Rule
对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过 Thread.interrupted() 方法检测到是否有中断发生。
### 7. 对象终结规则
> Finalizer Rule
一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的 finalize() 方法的开始。
### 8. 传递性
> Transitivity
如果操作 A 先行发生于操作 B， ，
# 九、线程安全
## 线程安全分类
线程安全不是一个非真即假的命题，可以将共享数据按照安全程度的强弱顺序分成以下五类：不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程对立。
### 1. 不可变
不可变（ ） ， ， ， ， ，
不可变的类型：
- final 关键字修饰的基本数据类型；
- String
- 枚举类型
- Number 部分子类，如 Long 和 Double 等数值包装类型，
对于集合类型，可以使用 Collections.unmodifiableXXX() 方法来获取一个不可变的集合。
```java
public class ImmutableExample {
public static void main(String[] args) {
Map< String , Integer > map = new HashMap< >();
Map< String , Integer > unmodifiableMap = Collections.unmodifiableMap(map);
unmodifiableMap.put("a", 1);
}
}
```
```html
Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException
at java.util.Collections$UnmodifiableMap.put(Collections.java:1457)
at ImmutableExample.main(ImmutableExample.java:9)
```
Collections.unmodifiableXXX() 先对原始的集合进行拷贝，需要对集合进行修改的方法都直接抛出异常。
```java
public V put(K key, V value) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
```
多线程环境下，应当尽量使对象称为不可变，来满足线程安全。
### 2. 绝对线程安全
不管运行时环境如何，调用者都不需要任何额外的同步措施。
### 3. 相对线程安全
相对的线程安全需要保证对这个对象单独的操作是线程安全的，在调用的时候不需要做额外的保障措施，但是对于一些特定顺序的连续调用，就可能需要在调用端使用额外的同步手段来保证调用的正确性。
在 Java 语言中，大部分的线程安全类都属于这种类型，例如 Vector、HashTable、Collections 的 synchronizedCollection() 方法包装的集合等。
对于下面的代码，如果删除元素的线程删除了一个元素，而获取元素的线程试图访问一个已经被删除的元素，那么就会抛出 ArrayIndexOutOfBoundsException。
```java
public class VectorUnsafeExample {
private static Vector< Integer > vector = new Vector< >();
public static void main(String[] args) {
while (true) {
for (int i = 0; i < 100 ; i + + ) {
vector.add(i);
}
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(() -> {
for (int i = 0; i < vector.size ( ) ; i + + ) {
vector.remove(i);
}
});
executorService.execute(() -> {
for (int i = 0; i < vector.size ( ) ; i + + ) {
vector.get(i);
}
});
executorService.shutdown();
}
}
}
```
```html
Exception in thread "Thread-159738" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: Array index out of range: 3
at java.util.Vector.remove(Vector.java:831)
at VectorUnsafeExample.lambda$main$0(VectorUnsafeExample.java:14)
at VectorUnsafeExample$$Lambda$1/713338599.run(Unknown Source)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
```
如果要保证上面的代码能正确执行下去，就需要对删除元素和获取元素的代码进行同步。
```java
executorService.execute(() -> {
synchronized (vector) {
for (int i = 0; i < vector.size ( ) ; i + + ) {
vector.remove(i);
}
}
});
executorService.execute(() -> {
synchronized (vector) {
for (int i = 0; i < vector.size ( ) ; i + + ) {
vector.get(i);
}
}
});
```
### 4. 线程兼容
线程兼容是指对象本身并不是线程安全的， ， ，
### 5. 线程对立
线程对立是指无论调用端是否采取了同步措施，都无法在多线程环境中并发使用的代码。由于 Java 语言天生就具备多线程特性，线程对立这种排斥多线程的代码是很少出现的，而且通常都是有害的，应当尽量避免。
## 线程安全的实现方法
### 1. 互斥同步
synchronized 和 ReentrantLock。
### 2. 非阻塞同步
互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题， （ ）
从处理问题的方式上说， ， （ ） ， ， ， （ ， ） ， ： ， ， ， ， ； ， ， （ ， ） ， ， （ ）
乐观锁需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性， ， ： （ ， ）
CAS 指令需要有 3 个操作数，分别是内存位置（在 Java 中可以简单理解为变量的内存地址，用 V 表示）、旧的预期值（用 A 表示）和新值（用 B 表示）
J.U.C 包里面的整数原子类 AtomicInteger，
在下面的代码 1 中，使用了 AtomicInteger 执行了自增的操作。代码 2 是 incrementAndGet() 的源码，它调用了 unsafe 的 getAndAddInt() 。代码 3 是 getAndAddInt() 源码， ， ， ，
```java
// 代码 1
private AtomicInteger cnt = new AtomicInteger();
public void add() {
cnt.incrementAndGet();
}
```
```java
// 代码 2
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
```
```java
// 代码 3
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
```
ABA ：如果一个变量 V 初次读取的时候是 A 值，它的值被改成了 B， ， ，
### 3. 无同步方案
要保证线程安全，并不是一定就要进行同步，两者没有因果关系。同步只是保证共享数据争用时的正确性的手段，如果一个方法本来就不涉及共享数据，那它自然就无须任何同步措施去保证正确性，因此会有一些代码天生就是线程安全的。
**（ ） （ ）
这种代码也叫做纯代码（ ） ， ， （ ） ， ， ， ， ， ，
可重入代码有一些共同的特征，例如不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源、用到的状态量都由参数中传入、不调用非可重入的方法等。我们可以通过一个简单的原则来判断代码是否具备可重入性：如果一个方法，它的返回结果是可以预测的，只要输入了相同的数据，就都能返回相同的结果，那它就满足可重入性的要求，当然也就是线程安全的。
**（二）栈封闭**
多个线程方法同一个方法的局部变量时，不会出现线程安全问题，因为局部变量存储在栈中，属于线程私有的。
```java
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class StackClosedExample {
public void add100() {
int cnt = 0;
for (int i = 0; i < 100 ; i + + ) {
cnt++;
}
System.out.println(cnt);
}
public static void main(String[] args) {
StackClosedExample example = new StackClosedExample();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(() -> example.add100());
executorService.execute(() -> example.add100());
executorService.shutdown();
}
}
```
```html
100
100
```
**（ ） （ ）
如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行。如果能保证，我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。
符合这种特点的应用并不少见，大部分使用消费队列的架构模式（如“生产者-消费者”模式）都会将产品的消费过程尽量在一个线程中消费完，其中最重要的一个应用实例就是经典 Web 交互模型中的“一个请求对应一个服务器线程”（ ） ，
可以使用 java.lang.ThreadLocal 类来实现线程本地存储功能。
对于以下代码， ， ， ，
```java
public class ThreadLocalExample {
public static void main(String[] args) {
ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
Thread thread1 = new Thread(() -> {
threadLocal.set(1);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(threadLocal.get());
threadLocal.remove();
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
threadLocal.set(2);
threadLocal.remove();
});
thread1.start();
thread2.start();
}
}
```
```html
1
```
为了理解 ThreadLocal， ：
```java
public class ThreadLocalExample1 {
public static void main(String[] args) {
ThreadLocal threadLocal1 = new ThreadLocal();
ThreadLocal threadLocal2 = new ThreadLocal();
Thread thread1 = new Thread(() -> {
threadLocal1.set(1);
threadLocal2.set(1);
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
threadLocal1.set(2);
threadLocal2.set(2);
});
thread1.start();
thread2.start();
}
}
```
它所对应的底层结构图为：
< div align = "center" > < img src = "../pics//3646544a-cb57-451d-9e03-d3c4f5e4434a.png" / > < / div > < br >
每个 Thread 都有一个 TreadLocal.ThreadLocalMap 对象，
```java
/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
* by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
```
当调用一个 ThreadLocal 的 set(T value) 方法时，先得到当前线程的 ThreadLocalMap 对象，然后将 ThreadLocal->value 键值对插入到该 Map 中。
```java
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
```
get() 方法类似。
```java
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings ("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
return setInitialValue();
}
```
ThreadLocal 从理论上讲并不是用来解决多线程并发问题的，因为根本不存在多线程竞争。在一些场景 (尤其是使用线程池) 下，由于 ThreadLocal.ThreadLocalMap 的底层数据结构导致 ThreadLocal 有内存泄漏的情况，尽可能在每次使用 ThreadLocal 后手动调用 remove()，以避免出现 ThreadLocal 经典的内存泄漏甚至是造成自身业务混乱的风险。
# 十、锁优化
高效并发是从 JDK 1.5 到 JDK 1.6 的一个重要改进， ， （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） ， ，
## 自旋锁与自适应自旋
前面我们讨论互斥同步的时候，提到了互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态完成，这些操作给系统的并发性能带来了很大的压力。同时，虚拟机的开发团队也注意到在许多应用上，共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。如果物理机器有一个以上的处理器，能让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面请求锁的那个线程 “稍等一下”，但不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待，我们只需让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。
自旋等待本身虽然避免了线程切换的开销，但它是要占用处理器时间的，因此，如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好。反之，如果锁被占用的时候很长，那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源，而不会做任何有用的工作，反而会带来性能上的浪费。因此，自旋等待的时间必须要有一定的限度，如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁，就应当使用传统的方式去挂起线程了。自旋次数的默认值是 10 次，用户可以使用参数 -XX:PreBlockSpin 来更改。
在 JDK 1.6 中引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不再固定了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间，比如 100 个循环。另外，如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。有了自适应自旋，随着程序运行和性能监控信息的不断完善，虚拟机对程序锁的状况预测就会越来越准确，虚拟机就会变得越来越“聪明”了。
## 锁消除
锁消除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持，如果判定在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到，那就可以把他们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。
也许读者会有疑问，变量是否逃逸，对于虚拟机来说需要使用数据流分析来确定，但是程序自己应该是很清楚的，怎么会在明知道不存在数据争用的情况下要求同步呢？答案是有许多同步措施并不是程序员自己加入的。同步的代码在 Java 程序中的普遍程度也许超过了大部分读者的想象。下面段非常简单的代码仅仅是输出 3 个字符串相加的结果，无论是源码字面上还是程序语义上都没有同步。
```java
public static String concatString(String s1, String s2, String s3) {
return s1 + s2 + s3;
}
```
我们也知道，由于 String 是一个不可变的类，对字符串的连接操作总是通过生成新的 String 对象来进行的，因此 Javac 编译器会对 String 连接做自动优化。在 JDK 1.5 之前，会转化为 StringBuffer 对象的连续 append() 操作，在 JDK 1.5 及以后的版本中，会转化为 StringBuilder 对象的连续 append() 操作，即上面的代码可能会变成下面的样子：
```java
public static String concatString(String s1, String s2, String s3) {
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append(s1);
sb.append(s2);
sb.append(s3);
return sb.toString();
}
```
每个 StringBuffer.append() 方法中都有一个同步块，锁就是 sb 对象。虚拟机观察变量 sb， ，
## 锁粗化
原则上，我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小：只在共享数据的实际作用域中才进行同步。这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。
大部分情况下，上面的原则都是正确的，但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。
上一节的示例代码中连续的 append() 方法就属于这类情况。如果虚拟机探测到由这样的一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。对于上一节的示例代码就是扩展到第一个 append() 操作之前直至最后一个 append() 操作之后，这样只需要加锁一次就可以了。
## 轻量级锁
轻量级锁是 JDK 1.6 之中加入的新型锁机制，它名字中的“轻量级”是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的，因此传统的锁机制就称为“重量级”锁。首先需要强调一点的是，轻量级锁并不是用来代替重要级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。
要理解轻量级锁，以及后面会讲到的偏向锁的原理和运作过程，必须从 HotSpot 虚拟机的对象（ ） （ ） ， ， （ ） （ ） ， ， ， ， ，
简单地介绍了对象的内存布局后，我们把话题返回到轻量级锁的执行过程上。在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标志位为 “01” 状态） （ ） ， ） ， （ ） ，
< div align = "center" > < img src = "../pics//8cc671f0-7134-44b1-a7b5-6d24fe55e1c1.jpg" / > < / div > < br >
如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧， ， ， ， ， ， ，
上面描述的是轻量级锁的加锁过程，它的解锁过程也是通过 CAS 操作来进行的，如果对象的 Mark Word 仍然指向着线程的锁记录，那就用 CAS 操作把对象当前的 Mark Word 和线程中复制的 Displaced Mark Word 替换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。
轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用 CAS 操作避免了使用互斥量的开销，但如果存在锁竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了 CAS 操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。
## 偏向锁
偏向锁也是 JDK 1.6 中引入的一项锁优化，它的目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用 CAS 操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连 CAS 操作都不做了。
偏向锁的“偏”，就是偏心的“偏”、偏袒的“偏”，它的意思是这个锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。
假设当前虚拟机启用了偏向锁（启用参数 -XX:+UseBiasedLocking， ） ， ， ， ，
当有另外一个线程去尝试获取这个锁时， ， （ ） （ ） （ ） ，
< div align = "center" > < img src = "../pics//390c913b-5f31-444f-bbdb-2b88b688e7ce.jpg" / > < / div > < br >
偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。它同样是一个带有效益权衡（ ） ， ， ， ， ，
# 九、多线程开发良好的实践
1. 给线程起个有意义的名字，这样可以方便找 Bug；
2. 因为锁花费的代价很高，应该尽可能减小同步范围；
3. 多用同步类少用 wait 和 notify。首先，
4. 多用并发集合少用同步集合。并发集合比同步集合的可扩展性更好，例如应该使用 ConcurrentHashMap 而不是 Hashttable。
# 参考资料
- BruceEckel. Java 编程思想: 第 4 版 [M]. 机械工业出版社, 2007.
- 周志明. 深入理解 Java 虚拟机 [M]. 机械工业出版社, 2011.
- [Threads and Locks ](https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se6/html/Threads.doc.html )
- [线程通信 ](http://ifeve.com/thread-signaling/#missed_signal )
- [Java 线程面试题 Top 50 ](http://www.importnew.com/12773.html )
- [BlockingQueue ](http://tutorials.jenkov.com/java-util-concurrent/blockingqueue.html )
- [thread state java ](https://stackoverflow.com/questions/11265289/thread-state-java )
- [CSC 456 Spring 2012/ch7 MN ](http://wiki.expertiza.ncsu.edu/index.php/CSC_456_Spring_2012/ch7_MN )
- [Java - Understanding Happens-before relationship ](https://www.logicbig.com/tutorials/core-java-tutorial/java-multi-threading/happens-before.html )
- [6장 Thread Synchronization ](https://www.slideshare.net/novathinker/6-thread-synchronization )
- [How is Java's ThreadLocal implemented under the hood? ](https://stackoverflow.com/questions/1202444/how-is-javas-threadlocal-implemented-under-the-hood/15653015 )
