在梳理了Java内存模型的脉络以后,就讲到线程的基本状态,了解线程存在哪些状态才能对线程安全保障有更清晰的认知。其中JUC中线程安全,有 互斥同步与 非阻塞同步 两种方案,本质就是有锁和无锁的区别,在资源竞争比较大的情况下,无锁的性能要远远高于有锁的;说到了锁,那不得不说一下JVM在锁的方面做出的优化,这也是面试常问synchronized锁升级的细节点。
衡量一个服务性能的高低好坏,每秒事务处理数(Transactions Per Second, TPS)是重要的指标之一,它代表着一秒内服务端平均能响应的请求总数,而TPS值与程序的并发能力又有非常密切的关系。对于计算量相同的任务,程序线程并发协调得越有条不紊,效率自然就会越高;反之,线程之间频繁争用数据,互相阻塞甚至死锁,将会大大降低程序的并发能力。
什么是进程?
进程是指运行中的程序。 比如我们使用钉钉,浏览器,需要启动这个程序,操作系统会给这个程序分配一定的资源(占用内存资源)。
什么线程?
线程是CPU调度的基本单位,每个线程执行的都是某一个进程的代码的某个片段。
举个栗子:房子与人
比如现在有一个100平的房子,这个方式可以看做是一个进程
房子里有人,人就可以看做成一个线程。
人在房子中做一个事情,比如吃饭,学习,睡觉。这个就好像线程在执行某个功能的代码。
所谓进程就是线程的容器,需要线程利用进程中的一些资源,处理一个代码、指令。最终实现进程锁预期的结果。
进程和线程的区别:
什么是多线程?
多线程是指:单个进程中同时运行多个线程。
多线程的不低是为了提高CPU的利用率。
可以通过避免一些网络IO或者磁盘IO等需要等待的操作,让CPU去调度其他线程。
这样可以大幅度的提升程序的效率,提高用户的体验。
比如Tomcat可以做并行处理,提升处理的效率,而不是一个一个排队。
不如要处理一个网络等待的操作,开启一个线程去处理需要网络等待的任务,让当前业务线程可以继续往下执行逻辑,效率是可以得到大幅度提升的。
多线程的局限
什么是串行:
串行就是一个一个排队,第一个做完,第二个才能上。
什么是并行:
并行就是同时处理。(一起上!!!)
什么是并发:
这里的并发并不是三高中的高并发问题,这里是多线程中的并发概念(CPU调度线程的概念)。CPU在极短的时间内,反复切换执行不同的线程,看似好像是并行,但是只是CPU高速的切换。
并行囊括并发。
并行就是多核CPU同时调度多个线程,是真正的多个线程同时执行。
单核CPU无法实现并行效果,单核CPU是并发。
同步与异步:执行某个功能后,被调用者是否会主动反馈信息
阻塞和非阻塞:执行某个功能后,调用者是否需要一直等待结果的反馈。
两个概念看似相似,但是侧重点是完全不一样的。
同步阻塞:比如用锅烧水,水开后,不会主动通知你。烧水开始执行后,需要一直等待水烧开。
同步非阻塞:比如用锅烧水,水开后,不会主动通知你。烧水开始执行后,不需要一直等待水烧开,可以去执行其他功能,但是需要时不时的查看水开了没。
异步阻塞:比如用水壶烧水,水开后,会主动通知你水烧开了。烧水开始执行后,需要一直等待水烧开。
异步非阻塞:比如用水壶烧水,水开后,会主动通知你水烧开了。烧水开始执行后,不需要一直等待水烧开,可以去执行其他功能。
异步非阻塞这个效果是最好的,平时开发时,提升效率最好的方式就是采用 异步非阻塞 的方式处理一些多线程的任务。
线程的创建分为三种方式:
启动线程是调用start方法,这样会创建一个新的线程,并执行线程的任务。
如果直接调用run方法,这样会让当前线程执行run方法中的业务逻辑。
javapublic class MiTest {
public static void main(String[] args) {
MyJob t1 = new MyJob();
t1.start();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("main:" + i);
}
}
}
class MyJob extends Thread{
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("MyJob:" + i);
}
}
}
javapublic class MiTest {
public static void main(String[] args) {
MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
Thread t1 = new Thread(myRunnable);
t1.start();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
System.out.println("main:" + i);
}
}
}
class MyRunnable implements Runnable{
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
System.out.println("MyRunnable:" + i);
}
}
}
最常用的方式:
javaThread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
System.out.println("匿名内部类:" + i);
}
}
});
javaThread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("lambda:" + i);
}
});
Callable一般用于有返回结果的非阻塞的执行方法
同步非阻塞。
javapublic class MiTest {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
//1. 创建MyCallable
MyCallable myCallable = new MyCallable();
//2. 创建FutureTask,传入Callable
FutureTask futureTask = new FutureTask(myCallable);
//3. 创建Thread线程
Thread t1 = new Thread(futureTask);
//4. 启动线程
t1.start();
//5. 做一些操作
//6. 要结果
Object count = futureTask.get();
System.out.println("总和为:" + count);
}
}
class MyCallable implements Callable{
@Override
public Object call() throws Exception {
int count = 0;
for (int i = 0; i < 100; i++) {
count += i;
}
return count;
}
}
追其底层,其实只有一种,实现Runnble
Java语言定义了6种线程状态,在任意一个时间点中,一个线程只能有且只有其中的一种状态,并且可以通过特定的方法在不同状态之间转换。这6种状态分别是:
创建后尚未启动的线程处于这种状态。
javapublic static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
});
System.out.println(t1.getState());
}
包括操作系统线程状态中的Running和Ready,也就是处于此状态的线程有可 能正在执行,也有可能正在等待着操作系统为它分配执行时间。
javapublic static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
while(true){
}
});
t1.start();
Thread.sleep(500);
System.out.println(t1.getState());
}
处于这种状态的线程不会被分配处理器执行时间,它们要等待被其他线 程显式唤醒。以下方法会让线程陷入无限期的等待状态:
- 没有设置Timeout参数的Object::wait()方法;
- 没有设置Timeout参数的Thread::join()方法;
- LockSupport::park()方法。
javapublic static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object obj = new Object();
Thread t1 = new Thread(() -> {
synchronized (obj){
try {
obj.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
t1.start();
Thread.sleep(500);
System.out.println(t1.getState());
}
处于这种状态的线程也不会被分配处理器执行时间,不过无须等待被其他线程显式唤醒,在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。以下方法会让线程进入限期等待状态:
- Thread::sleep()方法;
- 设置了Timeout参数的Object::wait()方法;
- 设置了Timeout参数的Thread::join()方法;
- LockSupport::parkNanos()方法;
- LockSupport::parkUntil()方法。
javapublic static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
t1.start();
Thread.sleep(500);
System.out.println(t1.getState());
}
线程被阻塞了,“阻塞状态”与“等待状态”的区别是“阻塞状态”在等待着获取到一个排它锁,这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生;而“等待状态”则是在等待一段时 间,或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域的时候,线程将进入这种状态。
javapublic static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object obj = new Object();
Thread t1 = new Thread(() -> {
// t1线程拿不到锁资源,导致变为BLOCKED状态
synchronized (obj){
}
});
// main线程拿到obj的锁资源
synchronized (obj) {
t1.start();
Thread.sleep(500);
System.out.println(t1.getState());
}
}
已终止线程的线程状态,线程已经结束执行
javapublic static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
t1.start();
Thread.sleep(1000);
System.out.println(t1.getState());
}
其实线程的状态,在我们平时使用的 Thread 线程类中就有状态枚举的定义,之前看过好多对于状态讲解的文章,都有问题,纯粹误人子弟
javapublic class Thread implements Runnable {
...
public enum State {
/**
* Thread state for a thread which has not yet started.
*/
NEW,
/**
* Thread state for a runnable thread. A thread in the runnable
* state is executing in the Java virtual machine but it may
* be waiting for other resources from the operating system
* such as processor.
*/
RUNNABLE,
/**
* Thread state for a thread blocked waiting for a monitor lock.
* A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock
* to enter a synchronized block/method or
* reenter a synchronized block/method after calling
* {@link Object#wait() Object.wait}.
*/
BLOCKED,
/**
* Thread state for a waiting thread.
* A thread is in the waiting state due to calling one of the
* following methods:
* <ul>
* <li>{@link Object#wait() Object.wait} with no timeout</li>
* <li>{@link #join() Thread.join} with no timeout</li>
* <li>{@link LockSupport#park() LockSupport.park}</li>
* </ul>
*
* <p>A thread in the waiting state is waiting for another thread to
* perform a particular action.
*
* For example, a thread that has called {@code Object.wait()}
* on an object is waiting for another thread to call
* {@code Object.notify()} or {@code Object.notifyAll()} on
* that object. A thread that has called {@code Thread.join()}
* is waiting for a specified thread to terminate.
*/
WAITING,
/**
* Thread state for a waiting thread with a specified waiting time.
* A thread is in the timed waiting state due to calling one of
* the following methods with a specified positive waiting time:
* <ul>
* <li>{@link #sleep Thread.sleep}</li>
* <li>{@link Object#wait(long) Object.wait} with timeout</li>
* <li>{@link #join(long) Thread.join} with timeout</li>
* <li>{@link LockSupport#parkNanos LockSupport.parkNanos}</li>
* <li>{@link LockSupport#parkUntil LockSupport.parkUntil}</li>
* </ul>
*/
TIMED_WAITING,
/**
* Thread state for a terminated thread.
* The thread has completed execution.
*/
TERMINATED;
}
/**
* Returns the state of this thread.
* This method is designed for use in monitoring of the system state,
* not for synchronization control.
*
* @return this thread's state.
* @since 1.5
*/
public State getState() {
// get current thread state
return jdk.internal.misc.VM.toThreadState(threadStatus);
}
...
}
Thread的静态方法获取当前线程对象
javapublic static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
// 获取当前线程的方法
Thread main = Thread.currentThread();
System.out.println(main);
// "Thread[" + getName() + "," + getPriority() + "," + group.getName() + "]";
// Thread[main,5,main]
}
在构建Thread对象完毕后,一定要设置一个有意义的名称,方面后期排查错误
javapublic static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
});
t1.setName("模块-功能-计数器");
t1.start();
}
其实就是CPU调度线程的优先级、
java中给线程设置的优先级别有10个级别,从1~10任取一个整数。
如果超出这个范围,会排除参数异常的错误
javapublic static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
System.out.println("t1:" + i);
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
System.out.println("t2:" + i);
}
});
t1.setPriority(1);
t2.setPriority(10);
t2.start();
t1.start();
}
可以通过Thread的静态方法yield,让当前线程从运行状态转变为就绪状态。
javapublic static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if(i == 50){
Thread.yield();
}
System.out.println("t1:" + i);
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("t2:" + i);
}
});
t2.start();
t1.start();
}
Thread的静态方法,让线程从运行状态转变为等待状态
sleep有两个方法重载:
sleep会抛出一个InterruptedException
javapublic static void main(String[] args) throws InterruptedException {
System.out.println(System.currentTimeMillis());
Thread.sleep(1000);
System.out.println(System.currentTimeMillis());
}
Thread的非静态方法join方法
需要在某一个线程下去调用这个方法
如果在main线程中调用了t1.join(),那么main线程会进入到等待状态,需要等待t1线程全部执行完毕,在恢复到就绪状态等待CPU调度。
如果在main线程中调用了t1.join(2000),那么main线程会进入到等待状态,需要等待t1执行2s后,在恢复到就绪状态等待CPU调度。如果在等待期间,t1已经结束了,那么main线程自动变为就绪状态等待CPU调度。
javapublic static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println("t1:" + i);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
t1.start();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println("main:" + i);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if (i == 1){
try {
t1.join(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
默认情况下,线程都是非守护线程
JVM会在程序中没有非守护线程时,结束掉当前JVM
主线程默认是非守护线程,如果主线程执行结束,需要查看当前JVM内是否还有非守护线程,如果没有JVM直接停止
javapublic static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println("t1:" + i);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
t1.setDaemon(true);
t1.start();
}
可以让获取synchronized锁资源的线程通过wait方法进去到锁的等待池,并且会释放锁资源
可以让获取synchronized锁资源的线程,通过notify或者notifyAll方法,将等待池中的线程唤醒,添加到锁池中
notify随机的唤醒等待池中的一个线程到锁池
notifyAll将等待池中的全部线程都唤醒,并且添加到锁池
在调用wait方法和notify以及norifyAll方法时,必须在synchronized修饰的代码块或者方法内部才可以,因为要操作基于某个对象的锁的信息维护。
javapublic static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
sync();
},"t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
sync();
},"t2");
t1.start();
t2.start();
Thread.sleep(12000);
synchronized (MiTest.class) {
MiTest.class.notifyAll();
}
}
public static synchronized void sync() {
try {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
if(i == 5) {
MiTest.class.wait();
}
Thread.sleep(1000);
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
线程结束方式很多,最常用就是让线程的run方法结束,无论是return结束,还是抛出异常结束,都可以
强制让线程结束,无论你在干嘛,不推荐使用当然当然方式,但是,他确实可以把线程干掉
javapublic static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
t1.start();
Thread.sleep(500);
t1.stop();
System.out.println(t1.getState());
}
这种方式用的也不多,有的线程可能会通过死循环来保证一直运行。
咱们可以通过修改共享变量在破坏死循环,让线程退出循环,结束run方法
javastatic volatile boolean flag = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
while(flag){
// 处理任务
}
System.out.println("任务结束");
});
t1.start();
Thread.sleep(500);
flag = false;
}
共享变量方式
javapublic static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 线程默认情况下, interrupt标记位:false
System.out.println(Thread.currentThread().isInterrupted());
// 执行interrupt之后,再次查看打断信息
Thread.currentThread().interrupt();
// interrupt标记位:ture
System.out.println(Thread.currentThread().isInterrupted());
// 返回当前线程,并归位为false interrupt标记位:ture
System.out.println(Thread.interrupted());
// 已经归位了
System.out.println(Thread.interrupted());
// =====================================================
Thread t1 = new Thread(() -> {
while(!Thread.currentThread().isInterrupted()){
// 处理业务
}
System.out.println("t1结束");
});
t1.start();
Thread.sleep(500);
t1.interrupt();
}
通过打断WAITING或者TIMED_WAITING状态的线程,从而抛出异常自行处理
这种停止线程方式是最常用的一种,在框架和JUC中也是最常见的
javapublic static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
while(true){
// 获取任务
// 拿到任务,执行任务
// 没有任务了,让线程休眠
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
System.out.println("基于打断形式结束当前线程");
return;
}
}
});
t1.start();
Thread.sleep(500);
t1.interrupt();
}
wait和sleep的区别?
wait方法会将持有锁的线程从owner扔到WaitSet集合中,这个操作是在修改ObjectMonitor对象,如果没有持有synchronized锁的话,是无法操作ObjectMonitor对象的。
在前面讲述了JMM内存模型,了解了并发三大特性后,接下来就需要认识一下线程之间的安全问题,那么如何解决线程之间的问题呢?
在Java里面,最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字,这是一种块结构(Block Structured)的同步语法。synchronized关键字经过Javac编译之后,会在同步块的前后分别形成 monitorenter
和 monitorexit
这两个字节码指令。
根据《Java虚拟机规范》的要求,在执行 monitorenter
指令时,首先要去尝试获取对象的锁。如果这个对象没被锁定,或者当前线程已经持有了那个对象的锁,就把锁的计数器的值增加一,而在执行 monitorexit
指令时会将锁计数器的值减一。一旦计数器的值为零,锁随即就被释放了。如果获取对象锁失败,那当前线程就应当被阻塞等待,直到请求锁定的对象被持有它的线程释放为止。(synchronized 的可重入的原理)
自JDK 5起 (实现了JSR 166[1]),Java类库中新提供了java.util.concurrent包(下文称J.U.C包),其中的 java.util.concurrent.locks.Lock 接口便成了Java的另一种全新的互斥同步手段。基于Lock接口,用户能够 以非块结构(Non-Block Structured)来实现互斥同步,从而摆脱了语言特性的束缚,改为在类库层面 去实现同步,这也为日后扩展出不同调度算法、不同特征、不同性能、不同语义的各种锁提供了广阔的空间。
重入锁(ReentrantLock)是Lock接口最常见的一种实现,顾名思义,它与synchronized一样是可重入的。在基本用法上,ReentrantLock也与synchronized很相似,只是代码写法上稍有区别而已。
Synchronized 与 ReentrantLock 锁的主要区别
等待可中断:
是指当持有锁的线程长期不释放锁的时候,正在等待的线程可以选择放弃等待,改为处理其他事情。可中断特性对处理执行时间非常长的同步块很有帮助。
公平锁、非公平锁:
是指多个线程在等待同一个锁时,必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁;而非公平 锁则不保证这一点,在锁被释放时,任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中的锁是非 公平的,ReentrantLock在默认情况下也是非公平的,但可以通过带布尔值的构造函数要求使用公平锁。不过一旦使用了公平锁,将会导致ReentrantLock的性能急剧下降,会明显影响吞吐量。
锁绑定多个条件:
是指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象。
在synchronized 中,锁对象的wait()跟它的notify()或者notifyAll()方法配合可以实现一个隐含的条件,如果要和多于一个的条件关联的时候,就不得不额外添加一个锁;
而ReentrantLock则无须这样做,多次调用newCondition()方法即可。
互斥同步面临的主要问题是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能开销,因此这种同步也被称为阻塞同步(Blocking Synchronization)。
从解决问题的方式上看,互斥同步属于一种悲观的并发策略,其总是认为只要不去做正确的同步措施(例如加锁),那就肯定会出现问题,无论共享的数据是否真的会出现竞争,它都会进行加锁(这里讨论的是概念模型,实际上虚拟机会优化掉很大一部分不必要的加 锁),这将会导致用户态到核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要被唤醒等开销。
基于冲突检测的乐观并发策略,通俗地说就是不管风险,先进行操作,如果没有其他线程争用共享数据,那操作就直接成功了;如果共享的数据的确被争用,产生了冲突,那再进行其他的补偿措施,最常用的补偿措施是不断地重试,直到出现没有竞争的共享数据为止。这种乐观并发策略的实现不再需要把线程阻塞挂起,因此这种同步操作被称为非阻塞同步(Non-Blocking Synchronization),使用这种措施的代码也常被称为无锁(Lock-Free) 编程。
比较并交换(Compare-and-Swap,下文称CAS)
CAS指令需要有三个操作数,分别是内存位置(在Java中可以简单地理解为变量的内存地址,用V表示)、旧的预期值(用A表示)和准备设置的新值(用B表示)。CAS指令执行时,当且仅当V符合A时,处理器才会用B更新V的值,否则它就不执行更新。但是,不管是否更新了V的值,都会返回V的旧值,上述的处理过程是一个原子操作,执行期间不会被其他线程中断。
CAS具体实现:原子自增 AtomicInteger #incrementAndGet()方法的JDK源码
java/**
* Atomically increment by one the current value.
* @return the updated value
*/
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
incrementAndGet()方法在一个无限循环中,不断尝试将一个比当前值大一的新值赋值给自己。如果失败了,那说明在执行CAS操作的时候,旧值已经发生改变,于是再次循环进行下一次操作,直到设置成功为止。
尽管CAS看起来很美好,既简单又高效,但显然这种操作无法涵盖互斥同步的所有使用场景,并且CAS从语义上来说并不是真正完美的,它存在一个逻辑漏洞:如果一个变量V初次读取的时候是A值,并且在准备赋值的时候检查到它仍然为A值,那就能说明它的值没有被其他线程改变过了吗?
“ABA”问题
这是不能的,因为如果在这段期间它的值曾经被改成B,后来又被改回为A,那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。这个漏洞称为CAS操作的“ABA问题”。J.U.C包为了解决这个问题,提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference,它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。不过目前来说这个类处于相当鸡肋的位置,大部分情况下ABA问题不会影响程序并发的正确性,如果需要解决ABA问题,改用传统的互斥同步可能会比原子类更为高效。
CAS存在的问题
1、ABA问题:添加版本号解决,JUC提供了 AtomicStampedReference 原子更新带有版本号的引用类型,通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性,解决CAS的“ABA”问题
2、自旋时间过长导致处理器资源的消耗:可以指定自旋次数,JVN提供参数-XX:PreBlockSpin调整,自旋次数的默认值是10次,
3、只能保证一个共享变量的原子操作,对于多个共享变量,需要封装成一个对象,通过 AtomicReference 原子更新的对象引用处理,可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作
本文作者:柳始恭
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