Java多线程超级详解(只看这篇就够了)

mikechen四川

多线程能够提升程序性能,也属于高薪必能核心技术栈,本篇会全面详解Java多线程。@mikechen

主要包含如下几点:
image.png

基本概念

很多人都对其中的一些概念不够明确,如同步、并发等等,让我们先建立一个数据字典,以免产生误会。

进程

在操作系统中运行的程序就是进程,比如你的QQ、播放器、游戏、IDE等等

线程

一个进程可以有多个线程,如视频中同时听声音,看图像,看弹幕,等等。

多线程

多线程:多个线程并发执行。

同步

Java中的同步指的是通过人为的控制和调度,保证共享资源的多线程访问成为线程安全,来保证结果的准确。

比如:synchronized关键字,在保证结果准确的同时,提高性能,线程安全的优先级高于性能。

并行

\
多个cpu实例或者多台机器同时执行一段处理逻辑,是真正的同时。

并发

通过cpu调度算法,让用户看上去同时执行,实际上从cpu操作层面不是真正的同时。

并发往往在场景中有公用的资源,那么针对这个公用的资源往往产生瓶颈,我们会用TPS或者QPS来反应这个系统的处理能力。

 

线程的生命周期

在线程的生命周期中,它要经过新建(New)、就绪(Runnable)、运行(Running)、阻塞(Blocked)和死亡(Dead)5种状态

  • 新建状态:当程序使用new关键字创建了一个线程之后,该线程就处于新建状态,此时仅由JVM为其分配内存,并初始化其成员变量的值
  • 就绪状态:当线程对象调用了start()方法之后,该线程处于就绪状态。Java虚拟机会为其创建方法调用栈和程序计数器,等待调度运行
  • 运行状态:如果处于就绪状态的线程获得了CPU,开始执行run()方法的线程执行体,则该线程处于运行状态
  • 阻塞状态:当处于运行状态的线程失去所占用资源之后,便进入阻塞状态
  • 死亡状态:线程在run()方法执行结束后进入死亡状态。此外,如果线程执行了interrupt()或stop()方法,那么它也会以异常退出的方式进入死亡状态。

 

线程状态的控制

\
可以对照上面的线程状态流转图来看具体的方法,这样更清楚具体作用:

1.start()

启动当前线程, 调用当前线程的run()方法

2.run()

通常需要重写Thread类中的此方法, 将创建的线程要执行的操作声明在此方法中

3.yield()

释放当前CPU的执行权

4.join()

在线程a中调用线程b的join(), 此时线程a进入阻塞状态, 知道线程b完全执行完以后, 线程a才结束阻塞状态

5.sleep(long militime)

让线程睡眠指定的毫秒数,在指定时间内,线程是阻塞状态

6.wait()

一旦执行此方法,当前线程就会进入阻塞,一旦执行wait()会释放同步监视器。

7.sleep()和wait()的异同

相同点:两个方法一旦执行,都可以让线程进入阻塞状态。

不同点:

1) 两个方法声明的位置不同:Thread类中声明sleep(),Object类中声明wait()

2) 调用要求不同:sleep()可以在任何需要的场景下调用。wait()必须在同步代码块中调用。

2) 关于是否释放同步监视器:如果两个方法都使用在同步代码块呵呵同步方法中,sleep不会释放锁,wait会释放锁。

8.notify()

一旦执行此方法,将会唤醒被wait的一个线程。如果有多个线程被wait,就唤醒优先度最高的。

9.notifyAll()

一旦执行此方法,就会唤醒所有被wait的线程 。

10.LockSupport

LockSupport.park()和LockSupport.unpark()实现线程的阻塞和唤醒的。

 

多线程的5种创建方式

1.继承Thread类

package com.mikechen.java.multithread;



/**
* 多线程创建:继承Thread
*
* @author mikechen
*/
class MyThread extends Thread {

    private int i = 0;


    @Override
    public void run() {
        for (i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
        }
    }


    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread=new MyThread();
        myThread.start();
    }


}

2.实现Runnable接口

package com.mikechen.java.multithread;


/**
* 多线程创建:实现Runnable接口
*
* @author mikechen
*/
public class MyRunnable implements Runnable {
    private int i = 0;

    @Override
    public void run() {
        for (i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
        }
    }


    public static void main(String[] args) {
        Runnable myRunnable = new MyRunnable(); // 创建一个Runnable实现类的对象
        Thread thread = new Thread(myRunnable); // 将myRunnable作为Thread target创建新的线程
        thread.start();
    }
}

3.线程池创建

线程池:其实就是一个可以容纳多个线程的容器,其中的线程可以反复的使用,省去了频繁的创建线程对象的操作,无需反复创建线程而消耗过多的系统资源。

package com.mikechen.java.multithread;


import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.Executors;



/**
* 多线程创建:线程池
*
* @author mikechen
*/
public class MyThreadPool {


        public static void main(String[] args) {
            //创建带有5个线程的线程池
            //返回的实际上是ExecutorService,而ExecutorService是Executor的子接口
            Executor threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
            for(int i = 0 ;i < 10 ; i++) {
                threadPool.execute(new Runnable() {
                    public void run() {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is running");
                    }
                });
            }



        }




}

核心参数

public ThreadPoolExecutor(
    int corePoolSize,
    int maximumPoolSize,
    long keepAliveTime,
    TimeUnit unit,
    BlockingQueue<Runnable> workQueue,
    ThreadFactory threadFactory,
    RejectedExecutionHandler handler
)
{
    ....
}

线程池任务执行流程

从上图可以看出,提交任务之后,首先会尝试着交给核心线程池中的线程来执行,但是必定核心线程池中的线程数有限,所以必须要由任务队列来做一个缓存,先将任务放队列中缓存,然后等待线程去执行。

最后,由于任务太多,队列也满了,这个时候线程池中剩下的线程就会启动来帮助核心线程池执行任务。

如果还是没有办法正常处理新到的任务,则线程池只能将新提交的任务交给饱和策略来处理了。

4.匿名内部类

适用于创建启动线程次数较少的环境,书写更加简便

package com.mikechen.java.multithread;



/**
* 多线程创建:匿名内部类
*
* @author mikechen
*/
public class MyThreadAnonymous {




        public static void main(String[] args) {
            //方式1:相当于继承了Thread类,作为子类重写run()实现
            new Thread() {
                public void run() {
                    System.out.println("匿名内部类创建线程方式1...");
                };
            }.start();



            //方式2:实现Runnable,Runnable作为匿名内部类
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    System.out.println("匿名内部类创建线程方式2...");
                }
            } ).start();
        }



}

 

5.Lambda表达式创建

package com.mikechen.java.multithread;



/**
* 多线程创建:lambda表达式
*
* @author mikechen
*/
public class MyThreadLambda {
    public static void main(String[] args) {
        //匿名内部类创建多线程
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"mikchen的互联网架构创建新线程1");
            }
        }.start();




        //使用Lambda表达式,实现多线程
        new Thread(()->{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"mikchen的互联网架构创建新线程2");
        }).start();



        //优化Lambda
        new Thread(()-> System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"mikchen的互联网架构创建新线程3")).start();



    }
}

 

线程的同步

线程的同步是为了防止多个线程访问一个数据对象时,对数据造成的破坏,线程的同步是保证多线程安全访问竞争资源的一种手段。

1.普通同步方法

锁是当前实例对象 ,进入同步代码前要获得当前实例的锁。

/**
* 用在普通方法
*/
private synchronized void synchronizedMethod() {
System.out.println("--synchronizedMethod start--");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("--synchronizedMethod end--");
}

2.静态同步方法

锁是当前类的class对象 ,进入同步代码前要获得当前类对象的锁。

/**
* 用在静态方法
*/
private synchronized static void synchronizedStaticMethod() {
System.out.println("synchronizedStaticMethod start");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("synchronizedStaticMethod end");
}

3.同步方法块

锁是括号里面的对象,对给定对象加锁,进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

/**
* 用在类
*/
private void synchronizedClass() {
synchronized (SynchronizedTest.class) {
System.out.println("synchronizedClass start");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("synchronizedClass end");
}
}

4.synchronized底层实现

synchronized的底层实现是完全依赖JVM虚拟机的,所以谈synchronized的底层实现,就不得不谈数据在JVM内存的存储:Java对象头,以及Monitor对象监视器。

1.Java对象头

在JVM虚拟机中,对象在内存中的存储布局,可以分为三个区域:

  • 对象头(Header)
  • 实例数据(Instance Data)
  • 对齐填充(Padding)

Java对象头主要包括两部分数据:

1)类型指针(Klass Pointer)

是对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例;

2)标记字段(Mark Word)

用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等等,它是实现轻量级锁和偏向锁的关键.

所以,很明显synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的标记字段里。

2.Monitor

monitor描述为对象监视器,可以类比为一个特殊的房间,这个房间中有一些被保护的数据,monitor保证每次只能有一个线程能进入这个房间进行访问被保护的数据,进入房间即为持有monitor,退出房间即为释放monitor。

下图是synchronized同步代码块反编译后的截图,可以很清楚的看见monitor的调用。

使用syncrhoized加锁的同步代码块在字节码引擎中执行时,主要就是通过锁对象的monitor的取用(monitorenter)与释放(monitorexit)来实现的。

 

多线程引入问题

多线程的优点很明显,但是多线程的缺点也同样明显,线程的使用(滥用)会给系统带来上下文切换的额外负担,并且线程间的共享变量可能造成死锁的出现。

1.线程安全问题

1)原子性

并发编程中很多的操作都不是原子操作,比如:

i++;   // 操作2
i = j; // 操作3
i = i + 1; // 操作4

在单线程环境中这3个操作都不会出现问题,但是在多线程环境中,如果不通过加锁操作,往往很可能会出现意料之外的值。

在java中可以通过synchronized或者ReentrantLock来保证原子性。

 

2)可见性

可见性:指当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即得到这个修改的值。

如上图所示,每个线程都有自己的工作内存,工作内存和主存间要通过store和load进行交互。

为了解决多线程的可见性问题,java提供了volatile关键字,当一个共享变量被volatile修饰时,他会保证修改的值会立即更新到主存,当有其他线程需要读取时,他会去主存中读取新值,而普通共享变量不能保证其可见性,因为变量被修改后刷回到主存的时间是不确定的。

2.线程死锁

线程死锁是指由于两个或者多个线程互相持有对方所需要的资源,导致这些线程处于等待状态,无法前往执行。

当线程互相持有对方所需要的资源时,会互相等待对方释放资源,如果线程都不主动释放所占有的资源,将产生死锁,如图所示:

举一个例子:

public void add(int m) {
    synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁
        this.value += m;
        synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁
            this.another += m;
        } // 释放lockB的锁
    } // 释放lockA的锁
}

public void dec(int m) {
    synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁
        this.another -= m;
        synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁
            this.value -= m;
        } // 释放lockA的锁
    } // 释放lockB的锁
}

两个线程各自持有不同的锁,然后各自试图获取对方手里的锁,造成了双方无限等待下去,这就是死锁。

3.上下文切换

多线程并发一定会快吗?其实不一定,因为多线程有线程创建和线程上下文切换的开销。

\
CPU是很宝贵的资源,速度也非常快,为了保证均衡,通常会给不同的线程分配时间片,当CPU从一个线程切换到另外一个线程的时候,CPU需要保存当前线程的本地数据,程序指针等状态,并加载下一个要执行的线程的本地数据,程序指针等,这个切换称之为上下文切换。

一般减少上下文切换的方法有:无锁并发编程CAS算法,使用协程等方式。

多线程用好了可以成倍的增加效率,用不好可能比单线程还慢。

以上

作者简介

陈睿|mikechen,10年+大厂架构经验,《BAT架构技术500期》系列文章作者,分享十余年BAT架构经验以及面试心得!

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