多线程高并发学习（上）

1、Java中线程的6大状态

• New状态：刚被创建出来时的状态

• Runnable状态分为以下两种状态：

  • ReadyY状态：待运行状态/就绪状态
  • Running状态：运行状态
• Teminated状态：消亡/结束状态，线程执行完毕后的状态，不能继续调用start()方法
• TimeWaiting状态：等待(时间)状态，等过了某个设定的时间后进入Runnable状态
• Waiting状态：在运行时如果调用了wait()、join()、park()方法，将会进入等待状态，调用ontify()、ontifyAll()、unpark()方法进入Runnable状态
• Blocked状态：阻塞状态，进入同步代码块时没有得到锁而进入的阻塞状态，当获得锁时进入Runnable状态

2、Synchronized

• jdk早期的Synchronized实现是OS重量级锁

• 经改造后Synchronized有以下锁升级的概念（Hotspot实现）

  • 无锁状态：没有任何线程访问时是处于无锁状态
  • 偏向锁：如果只有第一个线程访问，此时还是不加锁的，只在这个对象头(markword)上记录一下线程ID，称为偏向锁
  • 自旋锁(CAS)：偏向锁此时如果有线程征用，锁升级为自旋锁，占用CPU死循环(默认自旋10次)尝试得到锁
  • 重量级锁(OS锁)：自旋10次后还未获取到锁的情况下，升级为重量级锁，所有未获取到锁的线程进入等待队列
• 锁只能升级，不能降级，Synchronized是可重入锁
• 当同步代码块中出现异常，当前线程将释放掉锁

• Synchronized的优化：根据情况将锁力度变粗或变细

  • 如果一段代码中有很多锁，可以尝试用一把锁将整段需要同步的代码控制住
  • 如果所需同步的代码较少的情况下就没有必要使用方法锁，可以减少锁中代码的数量

3、Volatile关键字

• Volatile三个特点：

  • 保证线程之间可见性：多个线程之间共享统一数据源时，当某个线程改变数据时，其他线程可以很快的获取到该数据的最新值

  • 禁止指令重排序：CPU是流水线式的工作，我们的程序被CPU执行时，可能会有一个指令重新排序的可能，比如我们给一个变量赋值，本来的步骤是：

    • 1、先初始化，赋一个初始值
    • 2、然后是将成员变量设置成真真正正的初始值
    • 3、真正的进行赋值，将值复制给我们的Instance
    • 指令重排序导致步骤发生改变，有可能会出现刚初始化，就直接将值赋值给了instance，有可能会出问题
  • 但不能保证原子性

4、AtomicXXX、LongAdder

• AtomicInteger（基于CAS来实现的）：自增、获取都是线程安全的
• AtomicLong（基于CAS来实现的）：自增、获取都是线程安全的
• 等等等等很多可以及进行原子操作的类，命名都为AtomicXXX

• LongAdder的原理：

  • LongAdder在高并发时对单一变量的CAS操作分散为对数组cells中多个元素的CAS操作（分段CAS锁），对取值时进行多段求和
  • LongAdder在高并较低时与AtomicLong原理相同，都是对单一变量的CAS操作

5、CAS(Compare And Set)无锁操作

• Compare-比较 And-并且 Set-设置
• 自旋锁的的实现就是基于CAS来实现的

• CAS的几个参数

  • V：当前内存中的值，是通过修改之前get获取到的
  • expect：当前读取到的值，也叫做期望值
  • update：变更。当V与expect相同时，会进行数据的变更，如果不相同则不进行变更

• CAS常见的ABA问题：当A线程get到V值（假设数据为1）后对数据进行变更的过程中，B线程先一步使用CAS的方式将数据改变成2，又将数据改回成1，那么对于A线程来说，数据没有发生改变，可以进行update变更，但是其实中间数据已经发生改变。

  • CAS操作除了V、expect、update参数外，还可以再加一个Version(版本号)参数，数据每发生一次改变，version版本号都会发生一次变更，除了V与expect对比外还会对比版本号是否相同

6、Lock锁

• Lock锁常用的实现类：

  • ReentrantLock

    • 构造方法入参true(公平锁)/false(非公平锁)，默认是非公平锁
    • 获取锁：lock()
    • 释放锁：unlock()
    • 尝试获取锁：trylock(时间,时间单位)，在规定时间内尝试获取锁，返回true(获取成功)/false(获取失败)
    • 获取可以被打断的锁：lockInterruptibly()，使用该方法获取的lock锁，可以被别的线程调用interrupt()方法打断，并释放锁

  • ReentrantReadWriteLock

    • readLock() 方法：返回一个Lock类型的读锁（共享锁）

      • 读锁（共享锁）：当其中一个线程持有这把锁的时候，其他的所有的读线程也可以共享这把锁

    • writeLock() 方法：返回一个Lock类型的写锁（排他锁）

      • 写锁（排他锁）：当其中一个线程持有这把锁的时候，其他任何线程，不论是读、写线程都不可以共享这把锁

7、同步工具

7.1、CountDownLatch门栓

• 构造方法传入一个int值，返回一个CountDownLatch对象

• 常用方法：

  • await()：当前线程阻塞住等待被唤醒
  • countDown()：将初始化时传入的int类型的参数进行自减的原子性操作
  • getCount()：获取当前门栓数，也就是初始化时传入的int类型的值
  • await(时间，时间单位)：阻塞当前线程,给定一个时间，如果超过该时间，则自动唤醒，继续执行
• 当调用countDown()方法将初始化时传入的参数自减为0时，所有调用await()方法的线程被唤醒继续执行

7.2、CyclicBarrier栅栏

• 构造方法传入一个int值，返回一个CyclicBarrier对象

  • 传入一个int值和一个线程，返回CyclicBarrier对象

• 常用方法：

  • await()：当前线程阻塞住，当线程调用await()方法次数达到初始化CyclicBarrier对象传入的int类型的值时，所有调用该对象的await()方法的线程解除阻塞，继续执行
• CyclicBarrier与CountDownLatch不同点在于，CountDownLatch可以由一个线程循环调用countDown()方法来解除调用await()而阻塞的线程

7.3、Semaphore信号灯

• 构造方法传入一个int值，返回一个Semaphore对象这个 int 值决定了有多少线程可以同时调用 Semaphore 的 acquire() 方法，当调用 acquire() 方法的线程超过了这个初始化值的时候，其他线程调用 acquire() 就会被阻塞
• 初始化除了可以给定一个int类型的值之外，还可以规定其是公平锁还是非公平锁
• acquire()：获取到Semaphore的锁，此时初始化传入的int类型的值会原子性的自减，当减到0时，其它线程就无法调用 acquire() ，否则就会被阻塞
• release()：调用该方法，初始化传入的int类型的值就会原子性的自增

7.4、Exchanger线程通讯（交换数据）

• Exchanger 用于两线程之间交换数据，初始化之后调用 exchange() 方法，传入要交换的数据，必须是两两配对交换

• exchange( 要交换的数据 )：

  • 当只有一个线程调用该方法时，此线程会因为没有其他线程与其配对交换数据而阻塞住，直到有线程与其配对并交换数据
  • 当有两个线程同时调用此方法时，两个线程就会交换数据，此方法的返回值就是交换后的数据
  • 只能是两两配对

7.5、LockSupport

• park()：调用此方法使当前线程进入等待队列，等待其他线程唤醒

• unpark(Thread t1)：唤醒指定线程，可以提前唤醒

  • 提前唤醒：线程B首先调用unpark( A )，线程A调用park时自己不会被阻塞