多线程 (上) - 学习笔记

前置知识

什么是线程和进程?

进程: 是程序的一次执行,一个在内存中运行的应用程序。每个进程都有自己独立的一块内存空间，一个进程可以有多个线程，比如在Windows系统中，一个运行的xx.exe就是一个进程。
线程: 进程中的一个执行流（控制单元 / 执行任务），负责当前进程中程序的执行。一个进程至少有一个线程，一个进程可以运行多个线程，多个线程可共享数据。

线程的优点

1. 轻量, 创建一个线程的代价要比进程小的多
2. 线程之间的切换, 对比进程, OS 要做的工作小很多
3. 线程运行, 占用资源比进程少很多
4. 能充分利用多处理器的可并行数量
5. 在等待慢速 I/O 操作同时, 可执行其他任务
6. 计算密集型应用, 可将计算分解到多个线程中实现, 以便在多处理器系统上运行
7. I/O 密集型应用, 可将 I/O 操作重叠, 一个线程等待多个不同的 I/O 操作, 以提高性能.

二者的区别和联系

• 进程是包含线程的. 每个进程至少有一个线程存在，即主线程。
• 进程和进程之间不共享内存空间. 同一个进程的线程之间共享同一个内存空间.
• 进程是系统分配资源的最小单位，线程是系统调度的最小单位。
• 进程有自己的内存地址空间, 线程只独享指令流执行的必要资源, 如寄存器和栈
• 线程的创建, 切换, 终止效率更高 .

更轻量的追求

人们不满足于线程的轻量, 因此又有了 “线程池” (ThreadPool) 和 “协程” (Coroutine) .

ThreadPool : 是一种利用池化技术思想来实现线程管理的技术, 主要是为了复用线程.
简单理解就是, 创建了一个容器, 容器里面放的是一定量的线程, 每次使用线程的时候, 不用创建, 直接从容器中取一个线程用, 用完之后不用销毁, 再放到回容器里去,以备下次使用

协程运行在线程之上, 属于是在线程基础之上通过分时复用的方式运行多个协程.
即一个线程包括多个协程, 协程可以当更小的线程取用, 并且协程的状态切换比线程更轻量 .

Java 线程和 OS 线程的关系

线程是 OS 的概念, OS 内核实现了线程这样的机制, 并且对用户层提供了一些 API 以供使用.
Java 标准库中的 Thread 类可以视为是对 OS 提供的 API , 进行了进一步的抽象和封装, 以便使用 .

运行 DEMO

运行代码

import java.util.Random;

public class test1 {
    private static class MyThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            Random random = new Random();
            while(true) {
                // 打印线程名称
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                try {
                    // 随机停止 0-9 秒
                    Thread.sleep(random.nextInt(10));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t1 = new MyThread();
        MyThread t2 = new MyThread();
        MyThread t3 = new MyThread();

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        Random random = new Random();
        while(true) {
            // 打印线程名称
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            try {
                // 随机停止 0-9 秒
                Thread.sleep(random.nextInt(10));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

运行结果

main
Thread-0
Thread-2
Thread-1
Thread-1
Thread-0
main
Thread-2
Thread-2
Thread-1
Thread-1
main
Thread-0
Thread-0
Thread-0
Thread-1
main
Thread-1
Thread-2
Thread-0
...

从运行结果可以看出, 主线程与子线程之间的运行顺序完全随机 .

线程创建

继承 Thread 类

1. 线程类继承 Thread

private static class MyThread extends Thread{
   @Override
    public void run() {
        System.out.println("线程运行 逻辑");
    }
}

2. 创建线程类的实例

MyThread t = new MyThread();  //此时只是声明了我要创建子线程, 并没有真正的去分配资源啥的

3.调用 start 方法, 才真的在操作系统的底层创建出一个线程

t.start(); //真正给线程分配资源

实现 Runnable 接口

1. 实现 Runnable 接口

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("线程运行 逻辑");
    }
}

2. 创建 Thread 类实例, 调用 Thread 时构造方法将 Runnable 对象作为 target 参数 .

Thread t = new Thread(new MyRunnable());

3. 调用 start 方法, 才真的在操作系统的底层创建出一个线程

t.start();

对比上述两种方式, 若要表示本子线程

• 继承 Thread 类, 直接使用 this 则表示当前线程对象的引用
• 实现 Runnable 接口, this 表示的时 MyRunnable 的引用, 若想表示本子进程, 需要使用 Thread.currentThread()

匿名内部类创建 Thread 子类对象

Thread t1 = new Thread() {
    @Override
    public void run() {
        super.run();
    }
};

匿名内部类创建 Runnable 子类对象

Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("内部代码逻辑");
    }
});

lambda 表达式创建 Runnable 子类对象

Thread t3 = new Thread(() -> System.out.println("内部代码逻辑"));
Thread t4 = new Thread(() -> {
    System.out.println("内部代码逻辑");
});

Thread 类常用方法

构造方法

Thread 常见的属性

• ID 是线程的唯一标识, 不会重复
• 优先级高的线程, 理论上 更容易被调用到
• 后台线程的话记住一点: **JVM会在一个进程的所有 非后台线程 结束后, 才会结束运行 **
• 存活代表 run 方法是否运行结束

中断进程

常见两种方式(本质上没什么区别)

1. 自定义一个共享标记
2. 使用 interrupt() 方法来通知 (相当于系统定义的共享标记)

使用自定义的变量来作为标志位

public class test2 {
    private static class MyRunnable implements Runnable{
        private static boolean  isQuit = true;

        @Override
        public void run() {
            while(isQuit) {
                System.out.println("线程执行");

                try {
                    // 线程执行中
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            // 共享标记修改, 需要终止线程
            System.out.println("线程终止");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyRunnable target = new MyRunnable();
        Thread t = new Thread(target, "zrj");
        t.start();
        Thread.sleep(10 * 1000);

        System.out.println("需要在此刻终止线程的运行!");
        target.isQuit = false;
    }
}

使用 Thread.interrupted() 或者 Thread.currentThread().isInterrupted()

Thread 内部包含了一个 boolean 类型的变量作为线程是否被中断的标记

public class test3 {
    private static class MyRunnable implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            // 如果该标记位没有被设置, 即没有被中断
            while(!Thread.interrupted()) {
                System.out.println("进程执行");

                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                    System.out.println("进程阻塞!");
                    break;
                }
            }

            // 标记位被设置, 进程被打断
            System.out.println("进程终止");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyRunnable target = new MyRunnable();
        Thread t = new Thread(target, "lty");
        System.out.println("进程执行!");
        t.start();
        Thread.sleep(10 * 1000);

        System.out.println("打断进程!即设置标记位");
        t.interrupt();
    }
}

Thread 收到通知的方式有两种
1.线程因为调用 wait / join / sleep 等方法引起的阻塞, 以异常抛出的方式通知, 清除中断标记
2.如果是内部中断标记被设置, thread 可以通过 两个判断方法来收到通知, 该方式收到通知更及时, 即使线程正在 sleep 也可以马上收到

等待一个线程 - join

public class test4 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable target = () -> {
            for (int i=1 ; i<=10; i++) {
                try {
                    System.out.println("线程执行中!");

                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 线程执行结束!");
        };

        Thread t1 = new Thread(target, "zrj");
        Thread t2 = new Thread(target, "lty");

        // t1 开始执行
        t1.start();
        // t1 挂起
        t1.join();

        // t2 开始执行
        t2.start();
        // t2 挂起
        t2.join();
    }
}

attention : 对于 join 挂起的线程, 如果没有被唤醒的话, 将永久不会被调用执行

获取当前线程引用

休眠当前线程

线程的状态

NEW: 安排了工作, 还未开始行动
RUNNABLE: 可工作的. 又可以分成正在工作中和即将开始工作.
BLOCKED: 这几个都表示排队等着其他事情
WAITING: 这几个都表示排队等着其他事情
TIMED_WAITING: 这几个都表示排队等着其他事情
TERMINATED: 工作完成了.

进程状态之间的转换

学校教学课本上的图片展示是这样的 (算是一个简略版本)

给出几个注意的点 :
BLOCKED 表示被锁住状态 ; WAITING 和 TIMED_WAITING 表示等待唤醒状态 .
TIMED_WAITING 线程在等待唤醒, 但设置了时限 ; WAITING 线程没有设置时限 (死等)
Thread.yield() 调用后, 不会改变进程状态, 但会立即让出 CPU, 重新去就绪队列排队 .

线程安全

什么是线程安全?

如果 多线程和单线程环境下 运行的结果相同, 那么我们就说它是线程安全的 .

线程不安全的原因

1. 修改共享数据
2. 原子性 (同步互斥)
3. 可见性
4. 代码顺序性

什么是原子性?
执行的最小单元

什么是可见性
一个线程对共享变量值的修改, 能够及时的被其他线程看到

主内存就说硬盘角度的 “内存”, 工作内容可以认为是 cache / 寄存器
因为 CPU 对 cache / 寄存器的访问速度要比内存 快 3-4 个数量级. 而且有些操作需要连续访问 N 次某个变量, 读一次放回去一次速度很慢, 因此我们可以第一次读的时候给放到 寄存器 里, 后续的访问都只访问寄存器, 效率就会大大提升

Java 内存模型 (JMM) : Java 虚拟机规范中定义了 Java 内存模型
目的是屏蔽掉各种硬件和 OS 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并发效果

代码顺序性
编译器会自动对单线程下的代码进行代码重排序, 遵循的前提是 “保持逻辑不发生变化”, 但是在多线程环境下该前提很难遵守

synchronized 关键字

特性 :

1. 互斥
2. 刷新内存 (即保证内存可见性)
3. 可重入

互斥

synchronized 底层是用 OS 的 mutex lock 实现的
互斥的含义是 每个被 synchronized 维护的临界资源, 不会被多个线程同时执行到 .

某个线程执行

• 进入 synchronized 修饰的代码块, 相当于加锁
• 退出 synchronized 修饰的代码块, 相当于解锁

阻塞等待
针对每一把锁, OS 内部都会维护一个等待队列, 当这把锁被某个线程占有的时候, 其他线程再来竞争这把锁, 就上不了锁, 会在队列里等待, 直到之前的线程解锁, 再由 OS 随机唤醒一个 等待队列里的线程来使用这把锁 (没有什么先来后到, 一切随机顺序, 先来的也可能得等很长时间 [你喜欢一个妹子, 追了很久,但不是说, 你先喜欢的, 就是你先谈, 人家就是先喜欢上了别人, 就是一眼万年的和别人在一起了, 你也没辙~~]).

翻译翻译, 什么叫做 TM 的可重入?

可重入 和 不可重入
一个线程中, 对一个对象上了两次锁, 并且中间没有释放锁过程

lock();  //第一次
lock();  //第二次

如果是不可重入锁, 由于第一次加锁, 并没有解锁, 所以第二次加锁会失败, 即该线程会在阻塞队列等待, 但是因为第一次锁的解锁过程一定在这个线程后面的某个地方, 就会产生死锁 (卡死在等待队列, 出不来了 [我卡我自己])
可重入锁呐, 就是会自带一个标识类的对象, 第二次加锁之前会判断该线程是不是之前上锁的线程, 如果是, 那你就进去吧 (eg : 你爸回家了, 如果你要进去, 你爸会给你开门, 如果是不认识的人要进去, 你爸就不会开门)

volatile 关键字

特性: 保证修饰变量的内存可见性

代码在写入 volatile 修饰的变量的时候

• 改变线程工作内存的值
• 刷新主内存的值

代码在读取 volatile 修饰的变量的时候

• 先读一下主内存的值, 更新工作内存
• 再从工作内存读取值使用

synchronized 和 volatile 有本质区别
synchronied 保证的是原子性, 衍生出内存可见性这个性质
volatile 保证的是内存可见性, 只是用的时候, 不会读取错误

wait 和 notify

由于线程之间是抢占式执行的, 因此线程之间的先后顺序难以预知
但是我们有方法可以协调多个线程之间的执行先后顺序

• wait() / wait(long timeout) : 让当前线程进入等待状态
• notify() / notifyAll() : 唤醒在当前对象上等待的线程

notify() : 随机唤醒一个在当前对象上等待的线程
notifyAll() : 唤醒在当前对象上等待的所有线程
attention : wait() / notify() / notifyAll() 均为 Object 类的方法

wait()

wait 做的事

• 把当前线程放到等待队列中去
• 释放当前锁
• 满足一定条件被唤醒, 重新尝试获取这个锁

wait 要搭配 synchronized 来使用, 脱离 synchronized 使用 wait 会直接抛出异常 .

wait 结束条件

• 其他线程调用该对象的 notify 方法将其唤醒
• wait 等待时间超时
• 其他线程调用该等待线程的 interrupted 方法, 导致其 wait 抛出 InterruptedException 异常

notify() 方法

随机唤醒一个, 指定对象的等待队列中的线程
attention : 在 notify() 方法后, 当前线程不会马上释放该对象锁, 要等到执行 notify() 方法的线程将程序执行完, 也就是退出同步代码块之后, 才会释放对象锁 (即确保有线程被唤醒之后, 才会释放原本的锁)

notifyAll() 方法

有个注意点, 虽然 notifyAll() 是唤醒当前对象等待队列中的所有线程, 但是这些线程还是需要竞争锁, 所有虽然全部唤醒, 但是并不是同时执行, 仍然是一个一个的执行 .

wait & notify 示例代码

public class test5 {
    static class waitTask implements Runnable{
        private Object locker;

        public waitTask(Object locker) {
            this.locker = locker;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    System.out.println("wait 开始");
                    locker.wait();
                    System.out.println("wait 结束");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    static class notifyTask implements Runnable {
        private Object locker;

        public notifyTask(Object locker) {
            this.locker = locker;
        }

        @Override
        public void run() {
            synchronized (locker) {
                System.out.println("notify 开始");
                locker.notify();
                System.out.println("notify 结束");
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object locker = new Object();
        Thread t1 = new Thread(new waitTask(locker));
        Thread t2 = new Thread(new notifyTask(locker));
        
        t1.start();
        Thread.sleep(1000);
        t2.start();
    }
}

wait & slepp

相同点 : 都可以让线程放弃执行一段时间
不同点 :

• wait 用于线程之间的通信, sleep 用于让线程阻塞
• wait 需要搭配 synchronized 使用, sleep 不需要
• wait 是 Object 类的方法, sleep 是 Thread 的静态方法

多线程相关的几个设计模式

单例模式

单例模式就是全局范围内, 该对象只有一个实例

饿汉版本的单例模式 (声明的同时就创建)

class Singleton{
    private static Singleton instance = new Singleton();   
    private Singleton() {}
    private static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

懒汉版本的单例模式 (先声明, 什么时候用到, 什么时候创建)

class Singleton{
    private static Singleton instance = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

懒汉模式的多线程版本

class Singleton{
    private static Singleton instance = null;
    private Singleton(){}
    public synchronized static Singleton getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

对于上述版本, 你会发现每次使用的时候都会被加锁, 花销会很大, 因此对此进行改进

class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null; // volatile 保证内存可见性
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance == null) { // 加锁/解锁开销比较高, 这里判断只对首次创建实例的时候进行加锁.
	        synchronized (Singleton.class) {
				if(instance == null) { // 首次创建完实例后, 仍有很多线程排队在等待队列, 用这个判断让其他等待队列中的线程结束
					instance = new Singleton();
				}
			}
        }
        return instance;
    }
}

阻塞队列

阻塞队列是什么?
特殊的一种队列, redis 中的 blpop, brpop 也使用了阻塞思想.
既然是队列, 就遵循先进先出思想
阻塞队列是一种线程安全的数据结构,具有特性如下 :

• 当队列满, 继续入队列就会阻塞, 直到队列中有空余位置
• 当队列空, 继续出队列就会阻塞, 直到队列中有元素

典型应用场景 : 生产者消费者模型

定时器

达到某个时间, 就执行某块代码

标准库中的定时器

Timer 类, 核心方法为 schedule .
schedule 包含两个参数, 第一个参数指定即将要执行的任务代码, 第二个参数指定多长时间后执行 .

Timer timer= new Timer();
timer.schedule(new TimerTask() {
     @Override
     public void run() {
         System.out.println("hello lty!");
     }
}, 3000);

线程池

线程池最大的好处就说, 减少每次启动, 销毁线程的损耗

标准库中的线程池

• 使用 Executors.newFixedThreadPool(N) 可以创建出容量为 N 的线程池, 内含 N 个线程
  返回值为 ExecutotService.submit 可以注册一个任务到线程池中

ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
pool.submit(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("hello lty!");
    }
});

创建线程池的几种方式 (Executors 本质上是对 ThreadPoolExecutor 类的封装)

• newFixedThreadPool: 创建固定线程数的线程池
• newCachedThreadPool: 创建线程数目动态增长的线程池.
• newSingleThreadExecutor: 创建只包含单个线程的线程池.
• newScheduledThreadPool: 设定 延迟时间后执行命令，或者定期执行命令. 是进阶版的 Timer.