Java多線程學習

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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”的程式碼，最起碼每個角色要給他一個線程吧，否則連實際情境都無法類比，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，讓我們先建立一個資料字典，以免產生誤會。多線程：指的是這個程式（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執行個體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調度演算法，讓使用者看上去同時執行，實際上從cpu操作層面不是真正的同時。並發往往在情境中有公用的資源，那麼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。並發與並行安全執行緒：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記憶體，cpu是不是夠用即可。反過來，線程不安全就意味著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，保證共用資源的多線程訪問成為安全執行緒，來保證結果的準確。如上面的代碼簡單加入@synchronized關鍵字。在保證結果準確的同時，提高效能，才是優秀的程式。安全執行緒的優先順序高於效能。好了，讓我們開始吧。我準備分成幾部分來總結涉及到多線程的內容：紮好馬步：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：進階多線程式控制制類紮好馬步：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瞭然，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。讓我們先來瞭解他們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 範圍內，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）。這意味著wait之後，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（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塊中的方法擷取了lock執行個體的monitor，如果執行個體相同，那麼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，實際擷取的是Thread1類的monitor。更進一步，如果修飾的是static方法，則鎖定該類所有執行個體。public class Thread1 implements Runnable { public synchronized void run() { ..do something }}synchronized, wait, notify結合:典型情境生產者消費者問題/** * 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多線程的記憶體模型：main memory（主存）、working memory（線程棧），在處理資料時，線程會把值從主存load到本地棧，完成操作後再save回去(volatile關鍵詞的作用：每次針對該變數的操作都激發一次load and save)。volatile針對多線程使用的變數如果不是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，但是之後在某線程看到的是修改之前的值）。其實道理上講同一執行個體的同一屬性本身只有一個副本。但是多線程是會緩衝值的，本質上，volatile就是不去緩衝，直接取值。線上程安全的情況下加volatile會犧牲效能。太祖長拳：基本線程類基本線程類指的是Thread類，Runnable介面，Callable介面Thread 類實現了Runnable介面，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執行完後才繼續本線程。 public join()//後兩個函數皆可以被打斷public interrupte()中斷關於中斷：它並不像stop方法那樣會中斷一個正在啟動並執行線程。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booleansynchronized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。所以說正常啟動並執行程式不去檢測狀態，就不會終止，而wait等阻塞方法會去檢查並拋出異常。如果在正常啟動並執行程式中添加while(!Thread.interrupted()) ，則同樣可以在中斷後離開代碼體Thread類最佳實務：寫的時候最好要設定線程名稱 Thread.name，並設定線程組 ThreadGroup，目的是方便管理。在出現問題的時候，列印線程棧 (jstack -pid) 一眼就可以看出是哪個線程出的問題，這個線程是幹什麼的。如何擷取線程中的異常不能用try,catch來擷取線程中的異常Runnable與Thread類似Callablefuture模式：併發模式的一種，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傳回值以及狀態ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3); //submit方法有多重參數版本，及支援callable也能夠支援runnable介面類型.Future future = e.submit(new myCallable());future.isDone() //return true,false 無阻塞future.get() // return 傳回值，阻塞直到該線程運行結束九陰真經：進階多線程式控制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, 提供了大量進階工具,可以協助開發人員編寫高效、易維護、結構清晰的Java多線程程式。1.ThreadLocal類用處：儲存線程的獨立變數。對一個線程類（繼承自Thread)當使用ThreadLocal維護變數時，ThreadLocal為每個使用該變數的線程提供獨立的變數副本，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。常用於使用者登入控制，如記錄session資訊。實現：每個Thread都持有一個TreadLocalMap類型的變數（該類是一個輕量級的Map，功能與map一樣，區別是桶裡放的是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之後在map裡維護一個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(原子封裝類)如atomicInteger(原子整數)，或者使用自己保證原子的操作，則等同於synchronized//傳回值為booleanAtomicInteger.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情境：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(原子引用)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，即加上版本號碼3.Lock類 lock: 在java.util.concurrent包內。共有三個實現：ReentrantLockReentrantReadWriteLock.ReadLockReentrantReadWriteLock.WriteLock主要目的是和synchronized一樣， 兩者都是為瞭解決同步問題，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要按照先加的後解順序）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的帶逾時時間版本。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。效能更高，對比如：synchronized和Lock效能對比ReentrantLock 可重新進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後才真正釋放該鎖。使用方法是：1.先new一個執行個體static ReentrantLock r=new ReentrantLock();2.加鎖 r.lock()或r.lo ckInterruptibly(); 此處也是個不同，後者可被打斷。當a線程lock後，b線程阻塞，此時如果是lockInterruptibly，那麼在調用b.interrupt()之後，b線程退出阻塞，並放棄對資源的爭搶，進入catch塊。（如果使用後者，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裡面。以防止異常跳出了正常流程，導致災難。這裡補充一個小知識點，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可重新進入讀寫鎖（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安全執行緒代碼4.容器類這裡就討論比較常用的兩個：BlockingQueueConcurrentHashMapBlockingQueue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情境。普通的queue介面主要實現有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，還提供了阻塞介面put和take，帶逾時功能的阻塞介面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：ArrayListBlockingQueueLinkedListBlockingQueueDelayQueueSynchronousQueueConcurrentHashMap高效的安全執行緒雜湊map。請對比hashTable , concurrentHashMap, HashMap5.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。瞭解到的值得一提的管理類：ThreadPoolExecutor和 JMX架構下的系統級管理類 ThreadMXBeanThreadPoolExecutor如果不瞭解這個類，應該瞭解前面提到的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。 // 然後運行 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，經過多少時間多餘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的執行個體，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，有預設實現，如果有自訂的需要則需要自己實現ThreadFactory介面並作為參數傳入。

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