多线程基础知识

​本节内容:

线程的状态

wait/notify/notifyAll/sleep方法的介绍

如何正确停止线程

有哪些实现生产者消费者的方法

<span id="jump1">线程的状态/span>

线程一共有六种状态，分别是New(新建)、Runnable(可运行)、Blocked(阻塞)、Waiting(等待)、Timed WaitIng(计时等待)、Terminated(终结)

状态流转图

NEW(新建)

当我们new一个新线程的时候，如果还未调用start()方法，则该线程的状态就是NEW，而一旦调用了start()方法，它就会从NEW变成Runnable

Runnable(可运行)

java中的可运行状态分为两种，一种是可运行，一种是运行中，如果当前线程调用了start()方法之后，还未获取CPU时间片，此时该线程处于可运行状态，等待被分配CPU资源，如果获得CPU资源后，该线程就是运行状态。

Blocked(阻塞)

java中的阻塞也分三种状态:Blocked(被阻塞)、Waiting(等待)、Timed Waiting(计时等待),这三种状态统称为阻塞状态。

• Blocked状态(被阻塞)：从结合图中可以看出从Runnable状态进入Blocked状态只有进入synchronized保护的代码时，没有获取到锁monitor锁，就会处于Blocked状态
• Time Waiting(计时等待)：Time Waiting和Waiting状态的区别是有没有时间的限制，一下情况会进入Time Waiting：
• 设置了时间参数的Thread.sleep(long millis)
• 设置了时间参数的Object.wait(long timeout)
• 设置了时间参数的Thread.join(long millis)
• 设置了时间参数的LockSupport.parkNanos(long millis)和LockSupport.parkUntil(long deadline)
• Waiting状态(等待)：线程进入Waiting状态有三种情况，分别是：
• 没有设置Timeout的Object.wait()方法
• 没有设置Timeout的Thread.join()方法
• LockSupport.park()方法

Blocked状态仅仅针对synchronized monitor锁，如果获取的锁是ReentrantLock等锁时，线程没有抢到锁就会进入Waiting状态，因为本质上它执行的是LockSupport.park()方法，所以会进入Waiting方法，同样Object.wait()、Thread.join()也会让线程进入waiting状态。Blocked和Waiting不同的是blocked等待其他线程释放monitor锁，而Waiting则是等待某个条件，类似join线程执行完毕或者notify()\notifyAll()。

上图中可以看出处于Waiting、Time Waiting的线程调用notify()或者notifyAll()方法后，并不会进入Runnable状态而是进入Blocked状态，因为唤醒处于Waiting、Time Waiting状态的线程的线程在调用notify()或者notifyAll()时候，必须持有该monitor锁，所以处于Waiting、Time Waiting状态的线程被唤醒后，就会进入Blocked状态，直到执行了notify()\notifyAll()的线程释放了锁，被唤醒的线程才可以去抢夺这把锁，如果抢到了就从Blocked状态转换到Runnable状态

Terminated(终结)

进入这个状态的线程分两种情况：

1. run()方法执行完毕，正常退出
2. 发生异常，终止了run()方法。

<span id="jump2">wait/notify/notifyAll方法的使用</span>

首先wait方法必须在sychronized保护的同步代码中使用,在wait方法的源码注释中就有说:

在使用wait方法是必须把wait方法写在synchronized保护的while代码中,并且始终判断执行条件是否满足,如果满足就继续往下执行,不满足就执行wait方法,而且执行wait方法前,必须先持有对象的synchronized锁.

上面主要是两点:

1. wait方法要在synchronized同步代码中调用.
2. wait方法应该总是被调用在一个循环中

我们先分析第一点,结合以下场景分析为什么要这么设计

public class TestDemo {
private ArrayBlockingQueue<String> storage = new ArrayBlockingQueue(8);

public void add(String data){
        storage.add(data);
        notify();
    }

public String remove() throws InterruptedException {
//wait不用synchronized关键字保护，直接调用，
while (storage.isEmpty()){
            wait();
        }
return storage.remove();
    }
}

上述代码是一个简单的基于ArrayBlockingQueue实现的生产者、消费者模式,生产者调用add(String data)方法向storage中添加数据,消费者调用remove()方法从storage中消费数据.

代码中我们可以看到如果wait方法的调用没有用synchronized保护起来,那么就可能发生一下场景情况:

1. 消费者线程调用remove()方法判断storage是否为空,如果是就调用wait方法,消费者线程进入等待,但是这就可能发生消费者线程调用完storage.isEmpty()方法后就被调度器暂停了,然后还没来得及执行wait方法.
2. 此时生产者线程开始运行,开始执行了add(data)方法,成功的添加了data数据并且执行了notify()方法,但是因为之前的消费者还没有执行wait方法,所以此时没有线程被唤醒.
3. 生产者执行完毕后,刚才被调度器暂停的消费者再回来执行wait方法,并且进入了等待,此时storage中已经有数据了.

以上的情况就是线程不安全的,因为wait方法的调用错过了notify方法的唤醒,导致应该被唤醒的线程无法收到notify方法的唤醒.

正是因为wait方法的调用没有被synchronized关键字保护,所以他和while判断不是原子操作,所以就会出现线程安全问题.

我们把以上代码改成如下,就实现了线程安全

public class TestDemo {
private ArrayBlockingQueue<String> storage = new ArrayBlockingQueue(8);

public void add(String data){
synchronized (this){
            storage.add(data);
            notify();
        }
    }

public String remove() throws InterruptedException {
synchronized (this){
while (storage.isEmpty()){
                wait();
            }
return storage.remove();
        }
    }
}

我们再来分析第二点wait方法应该总是被调用在一个循环中?

之所以将wait方法放到循环中是为了防止线程“虚假唤醒“(spurious wakeup),线程可能在没有被notify/notyfiAll,也没有被中断或者超时的情况下被唤醒,虽然这种概率发生非常小,但是为了保证发生虚假唤醒的正确性,所以需要采用循环结构,这样即便线程被虚假唤醒了,也会再次检查while的条件是否满足,不满足就调用wait方法等待.

为什么wait/notify/notifyAll被定义在Object类中

java中每个对象都是一个内置锁,都持有一把称为monitor监视器的锁,这就要求在对象头中有一个用来保存锁信息的位置.这个锁是对象级别的而非线程级别的,wait/notify/notifyAll也都是锁级别的操作,它们的锁属于对象,所以把它们定义在Object中最合适.

wait/notify和sleep方法的异同

相同点:

1. 它们都可以让线程阻塞
2. 它们都可以响应interrupt中断:在等待过程中如果收到中断信号,都可以进行响应并抛出InterruptedException异常

不同点:

1. wait方法必须在synchronized同步代码中调用,sleep方法没有这个要求
2. 调用sleep不会释放monitor锁,调用wait方法就释放monitor锁
3. sleep要求等待一段时间后会自动恢复,但是wait方法没有设置超时时间的话会一直等待,直到被中断或者被唤醒,否则不能主动恢复
4. wait/notify是Object方法,sleep是Thread的方法

<span id="jump3">如何正确停止线程</span>

正确的停止线程方式是通过使用interrupt方法,interrupt方法仅仅起到了通知需要被中断的线程的作用,被中断的线程有完全的自主权,它可以立刻停止,也可以执行一段时间再停止,或者压根不停止.这是因为java希望程序之间能互相通知、协作的完成任务.

interrupt()方法的使用

public class InterruptDemo implements Runnable{

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(new InterruptDemo());
        thread.start();
        Thread.sleep(5);
        thread.interrupt();
    }

    @Override
    public void run() {
        int i =0;
        while (!Thread.currentThread().isInterrupted() && i<1000){
            System.out.println(i++);
        }
    }
}

上图中通过循环打印0~999,但是实际运行并不会打印到999,因为在线程打印到999之前,我们对线程调用了interrupt方法使其中断了,然后根据while中的判断条件,方法提前终止,运行结果如下:

其中如果是通过sleep、wait方法使线程陷入休眠,处于休眠期间的线程如果被中断是可以感受到中断信号的,并且会抛出一个InterruptException异常,同时清除中断信号,将中断标记位设置为false.

<span id="jump3">有哪些实现生产者消费者的方法</span>

生产者消费者模式是程序设计中常见的一种设计模式,我们通过下图来理解生产者消费者模式:

使用BolckingQueue实现生产者消费者模式

通过利用阻塞队列ArrayBlockingQueue实现一个简单的生产者消费者模式,创建两个线程用来生产对象,两个线程用来消费对象,如果ArrayBlockingQueue满了,那么生产者就会阻塞,如果ArrayBlockingQueue为空,那么消费者线程就会阻塞.线程的阻塞和唤醒都是通过ArrayBlockingQueue来完成的.

public void MyBlockingQueue1(){
        BlockingQueue<Object> queue=new ArrayBlockingQueue<>(10);
        Runnable producer = () ->{
            while (true){
                try {
                    queue.put(new Object());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        new Thread(producer).start();
        new Thread(producer).start();

        Runnable consumer = () ->{
            while (true){
                try {
                    queue.take();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        new Thread(consumer).start();
        new Thread(consumer).start();
    }

使用Condition实现生产者消费者模式

如下代码其实也是类似ArrayBlockingQueue内部的实现原理.

如下代码所示,定义了一个队列容量是16的的queue,用来存放数据,定义一个ReentrantLock类型的锁,并在Lock锁的基础上创建了两个Condition,一个是notEmpty一个是notFull,分别代表队列没有空和没有满的条件,然后就是put和take方法.

put方法中,因为是多线程访问环境,所以先上锁,然后在while条件中判断queue中是否已经满了,如果满了,则调用notFull的await()方法阻塞生产者并释放Lock锁,如果没有满则往队列中放入数据,并且调用notEmpty.singleAll()方法唤醒所有的消费者线程,最后在finally中释放锁.

同理take方法和put方法类似,同样是先上锁,在判断while条件是否满足,然后执行对应的操作,最后在finally中释放锁.

public class MyBlockingQueue2 {
    private Queue queue;
    private int max;
    private ReentrantLock lock=new ReentrantLock();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
    private Condition notFull =lock.newCondition();

    public MyBlockingQueue2(int size){
        this.max =size;
        queue = new LinkedList();
    }

    public void put(Object o) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.size() == max) {
                notFull.await();
            }
            queue.add(o);
            //唤醒所有的消费者
            notEmpty.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public Object take() throws InterruptedException{
        lock.lock();
        try {
        //这里不能改用if判断,因为生产者唤醒了所有的消费者,
        //消费者唤醒后,必须在进行一次条件判断
            while (queue.size() == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            Object remove = queue.remove();
            //唤醒所有的生产者
            notFull.signalAll();
            return remove;
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

使用wait/notify实现生产者消费者模式

如下代码所示,利用wait/notify实现生产者消费者模式主要是在put和take方法上加了synchronized锁,并且在各自的while方法中进行条件判断

public class MyBlockingQueue3 {
    private int max;
    private Queue<Object> queue;

    public MyBlockingQueue3(int size){
        this.max =size;
        this.queue=new LinkedList<>();
    }

    public synchronized void put(Object o) throws InterruptedException {
        while(queue.size() == max){
            wait();
        }
        queue.add(o);
        notifyAll();
    }

    public synchronized Object take() throws InterruptedException {
        while (queue.size() == 0){
            wait();
        }
        Object remove = queue.remove();
        notifyAll();
        return remove;
    }
}

以上就是三种实现生产者消费者模式的方式,第一种比较简单直接利用ArrayBlockingQueue内部的特征完成生产者消费者模式的实现场景,第二种是第一种背后的实现原理,第三种利用synchronzied实现.