最新最全的java多线程基础总结(上)
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知識點
應(yīng)該了解的概念
1. 線程與進程
進程是指一個內(nèi)存中運行的應(yīng)用程序,每個進程都有自己獨立的一塊內(nèi)存空間,一個進程中可以啟動多個線程。比如在 Windows 系統(tǒng)中,一個運行的 exe 就是一個進程。
線程是指進程中的一個執(zhí)行流程,一個進程中可以運行多個線程。比如java.exe 進程中可以運行很多線程。線程總是屬于某個進程,進程中的多個線程共享進程的內(nèi)存。
1.1 區(qū)別
并發(fā)性:進程之間可以并發(fā)執(zhí)行,同一個進程的多個線程之間也可并發(fā)執(zhí)行。
調(diào)度:線程作為調(diào)度和分配的基本單位,進程作為擁有資源的基本單位 。
根本區(qū)別:進程是操作系統(tǒng)資源分配的基本單位,而線程是任務(wù)調(diào)度和執(zhí)行的基本單位
開銷方面:每個進程都有獨立的代碼和數(shù)據(jù)空間(程序上下文),進程之間切換開銷大;線程可以看做輕量級的進程,同一類線程共享代碼和數(shù)據(jù)空間,每個線程都有自己獨立的運行棧和程序計數(shù)器(PC),線程之間切換的開銷小
包含關(guān)系:線程是進程的一部分,所以線程也被稱為輕權(quán)進程或者輕量級進程
2. 臨界區(qū)
臨界區(qū)用來表示一種公共資源或者說是共享數(shù)據(jù),可以被多個線程使用。但是每個線程使用時,一旦臨界區(qū)資源被一個線程占有,那么其他線程必須等待。多個進程必須互斥的對它進行訪問。
3. 同步VS異步
同步方法:調(diào)用者必須等待被調(diào)用的方法結(jié)束后,調(diào)用者后面的代碼才能執(zhí)行
異步調(diào)用:調(diào)用者不用管被調(diào)用方法是否完成,都會繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼,當(dāng)被調(diào)用的方法完成后會通知調(diào)用者。
4. 并發(fā)與并行
并發(fā):多個任務(wù)交替進行,(類似單個 CPU ,通過 CPU 調(diào)度算法等,處理多個任務(wù)的能力,叫并發(fā))
并行:真正意義上的“同時進行”。(類似多個 CPU ,同時并且處理相同多個任務(wù)的能力,叫做并行)
5. 阻塞和非阻塞
阻塞和非阻塞通常用來形容多線程間的相互影響,比如一個線程占有了臨界區(qū)資源,那么其他線程需要這個資源就必須進行等待該資源的釋放,會導(dǎo)致等待的線程掛起,這種情況就是阻塞,而非阻塞就恰好相反,它強調(diào)沒有一個線程可以阻塞其他線程,所有的線程都會嘗試地往前運行。
線程與多線程
1. 什么是線程
線程是操作系統(tǒng)能夠進行運算調(diào)度的最小單位,它被包含在進程之中,是進程中的實際運作單位。
2. 為什么需要多線程以及出現(xiàn)的問題
CPU、內(nèi)存、I/O 設(shè)備的速度是有極大差異的,為了合理利用 CPU 的高性能,平衡這三者的速度差異,計算機體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯程序都做出了貢獻
- CPU 增加了緩存,以均衡與內(nèi)存的速度差異;// 導(dǎo)致 可見性問題
- 操作系統(tǒng)增加了進程、線程,以分時復(fù)用 CPU,進而均衡 CPU 與 I/O 設(shè)備的速度差異;// 導(dǎo)致 原子性問題
- 編譯程序優(yōu)化指令執(zhí)行次序,使得緩存能夠得到更加合理地利用。// 導(dǎo)致 有序性問題
3. 線程的特征
4. 線程狀態(tài)
- 創(chuàng)建(NEW):新創(chuàng)建了一個線程對象,但還沒有調(diào)用 start() 方法。
- 運行(RUNNABLE):Java 線程中將就緒(ready)和運行中(running)兩種狀態(tài)籠統(tǒng)的稱為“運行”。
線程對象創(chuàng)建后,其他線程(比如 main 線程)調(diào)用了該對象的 start() 方法。該狀態(tài)的線程位于可運行線程池中,等待被線程調(diào)度選中,獲取 CPU 的使用權(quán),此時處于就緒狀態(tài)(ready)。就緒狀態(tài)的線程在獲得 CPU 時間片后變?yōu)檫\行中狀態(tài)(running)。
- 阻塞(BLOCKED):表示線程阻塞于鎖。線程的執(zhí)行過程中由于一些原因進入阻塞狀態(tài)比如:調(diào)用 sleep 方法、嘗試去得到一個鎖等等
- 超時等待(TIMED_WAITING):該狀態(tài)不同于WAITING,它可以在指定的時間后自行返回。
- 等待(WAITING):進入該狀態(tài)的線程需要等待其他線程做出一些特定動作(通知或中斷)。
- 終止(TERMINATED):表示該線程已經(jīng)執(zhí)行完畢。
- 運行(running):CPU 開始調(diào)度線程,并開始執(zhí)行 run 方法
- 消亡(dead):run 方法執(zhí)行完 或者 執(zhí)行過程中遇到了一個異常
5. 使用多線程一定快嗎?
答:不一定,因為多線程會進行上下文切換,上下文切換會帶來開銷。
5.1 什么是上下文切換?
單核在一個時刻只能運行一個線程,當(dāng)在運行一個線程的過程中轉(zhuǎn)去運行另外一個線程,這個叫做線程上下文切換(對于進程也是類似)。
線程上下文切換過程中會記錄 程序計數(shù)器、CPU 寄存器 的 狀態(tài)等數(shù)據(jù)。
5.2 如何減少上下文切換?
5.2.1 減少線程的數(shù)量
由于一個CPU每個時刻只能執(zhí)行一條線程,而傲嬌的我們又想讓程序并發(fā)執(zhí)行,操作系統(tǒng)只好不斷地進行上下文切換來使我們從感官上覺得程序是并發(fā)執(zhí)的行。因此,我們只要減少線程的數(shù)量,就能減少上下文切換的次數(shù)。
5.2.2 控制同一把鎖上的線程數(shù)量
多條線程共用同一把鎖,那么當(dāng)一條線程獲得鎖后,其他線程就會被阻塞;當(dāng)該線程釋放鎖后,操作系統(tǒng)會從被阻塞的線程中選一條執(zhí)行,從而又會出現(xiàn)上下文切換
因此,減少同一把鎖上的線程數(shù)量也能減少上下文切換的次數(shù)
5.2.3 采用無鎖并發(fā)編程
- 需要并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)是無狀態(tài)的:HASH分段
所謂無狀態(tài)是指并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)沒有共享變量,他們都獨立執(zhí)行。對于這種類型的任務(wù)可以按照ID進行HASH分段,每段用一條線程去執(zhí)行。
- 需要并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)是有狀態(tài)的:CAS算法
如果任務(wù)需要修改共享變量,那么必須要控制線程的執(zhí)行順序,否則會出現(xiàn)安全性問題。你可以給任務(wù)加鎖,保證任務(wù)的原子性與可見性,但這會引起阻塞,從而發(fā)生上下文切換;為了避免上下文切換,你可以使用CAS算法, 僅在線程內(nèi)部需要更新共享變量時使用CAS算法來更新,這種方式不會阻塞線程,并保證更新過程的安全性(具體的方式后面的文章會將)。
6. 使用多線程的缺點
6.1 上下文切換的開銷
當(dāng) CPU 從執(zhí)行一個線程切換到執(zhí)行另外一個線程的時候,它需要先存儲當(dāng)前線程的本地的數(shù)據(jù),程序指針等,然后載入另一個線程的本地數(shù)據(jù),程序指針等,最后才開始執(zhí)行。這種切換稱為“上下文切換”。CPU 會在一個上下文中執(zhí)行一個線程,然后切換到另外一個上下文中執(zhí)行另外一個線程。上下文切換并不廉價。如果沒有必要,應(yīng)該減少上下文切換的發(fā)生。
6.2 增加資源消耗
線程在運行的時候需要從計算機里面得到一些資源。 除了 CPU,線程還需要一些 內(nèi)存來維持它本地的堆棧。它也需要 占用操作系統(tǒng)中一些資源來管理線程
6.3 編程更復(fù)雜
在多線程訪問共享數(shù)據(jù)的時候,要考慮線程安全問題
7. 線程狀態(tài)的基本操作
線程在生命周期內(nèi)還有需要基本操作,而這些操作會成為線程間一種通信方式,比如使用中斷(interrupted)方式通知實現(xiàn)線程間的交互等等
7.1 interrupted
中斷可以理解為線程的一個標志位,它表示了一個運行中的線程是否被其他線程進行了中斷操作。中斷好比其他線程對該線程打了一個招呼。其他線程可以調(diào)用該線程的interrupt()方法對其進行中斷操作,同時該線程可以調(diào)用 isInterrupted()來感知其他線程對其自身的中斷操作,從而做出響應(yīng)。另外,同樣可以調(diào)用Thread的靜態(tài)方法 interrupted()對當(dāng)前線程進行中斷操作,該方法會清除中斷標志位。需要注意的是,當(dāng)拋出InterruptedException時候,會清除中斷標志位,也就是說在調(diào)用isInterrupted會返回false。
public class InterruptDemo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//sleepThread睡眠1000msfinal Thread sleepThread = new Thread() {@Overridepublic void run() {try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}super.run();}};//busyThread一直執(zhí)行死循環(huán)Thread busyThread = new Thread() {@Overridepublic void run() {while (true) ;}};sleepThread.start();busyThread.start();sleepThread.interrupt();busyThread.interrupt();while (sleepThread.isInterrupted()) ;System.out.println("sleepThread isInterrupted: " + sleepThread.isInterrupted());System.out.println("busyThread isInterrupted: " + busyThread.isInterrupted());} }開啟了兩個線程分別為sleepThread和BusyThread, sleepThread睡眠1s,BusyThread執(zhí)行死循環(huán)。然后分別對著兩個線程進行中斷操作,可以看出sleepThread拋出InterruptedException后清除標志位,而busyThread就不會清除標志位。
另外,同樣可以通過中斷的方式實現(xiàn)線程間的簡單交互, while (sleepThread.isInterrupted()) 表示在Main中會持續(xù)監(jiān)測sleepThread,一旦sleepThread的中斷標志位清零,即sleepThread.isInterrupted()返回為false時才會繼續(xù)Main線程才會繼續(xù)往下執(zhí)行。因此,中斷操作可以看做線程間一種簡便的交互方式。一般在結(jié)束線程時通過中斷標志位或者標志位的方式可以有機會去清理資源,相對于武斷而直接的結(jié)束線程,這種方式要優(yōu)雅和安全。
7.2 join
join方法可以看做是線程間協(xié)作的一種方式,很多時候,一個線程的輸入可能非常依賴于另一個線程的輸出,這就像兩個好基友,一個基友先走在前面突然看見另一個基友落在后面了,這個時候他就會在原處等一等這個基友,等基友趕上來后,就兩人攜手并進。其實線程間的這種協(xié)作方式也符合現(xiàn)實生活。在軟件開發(fā)的過程中,從客戶那里獲取需求后,需要經(jīng)過需求分析師進行需求分解后,這個時候產(chǎn)品,開發(fā)才會繼續(xù)跟進。
join方法源碼關(guān)鍵是:
while (isAlive()) {wait(0);}線程的合并是指將某一個線程A在調(diào)用A.join()方法合并到正在運行的另一個線程B中,此時線程B處于阻塞狀態(tài)需要等到線程A執(zhí)行完畢后才開始線程B的繼續(xù)執(zhí)行
public class JoinDemo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {TestThread t = new TestThread();Thread t1 = new Thread(t);t1.start();for (int i = 0; i < 100; i++) {/*** 當(dāng)main線程中的i等于50的時候,就把t1線程合并到main線程中執(zhí)行。此時main線程是處于阻塞狀態(tài)* 直到t1線程執(zhí)行完成后,main才開始繼續(xù)執(zhí)行*/if (50==i) {t1.join();}System.out.println("main.."+i);} } } class TestThread implements Runnable{@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {System.out.println("join.."+i);} } }7.3 sleep
public static native void sleep(long millis)方法顯然是Thread的靜態(tài)方法,很顯然它是讓當(dāng)前線程按照指定的時間休眠,其休眠時間的精度取決于處理器的計時器和調(diào)度器。需要注意的是如果當(dāng)前線程獲得了鎖,sleep方法并不會失去鎖。
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {int num = 10;while (true) {System.out.println(num--);Thread.sleep(1000);if (num<=0) {break; }} }7.4 yield
該暫停方法暫停的時候不一定就暫停了,取決于CPU,假如剛暫停CPU調(diào)度又調(diào)到了該線程那就又啟動了…
public class YieldDemo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {TestThread1 t = new TestThread1();Thread t1 = new Thread(t);t1.start();for (int i = 0; i < 100; i++) {//當(dāng)main線程中的i是20的倍數(shù)時,就暫停main線程if (i%20==0) {Thread.yield();//yield寫在哪個線程體中,就暫停哪個線程。這里是在main里,就暫停main線程System.out.println("main線程暫停");}System.out.println("main.."+i);} } } class TestThread1 implements Runnable{@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {System.out.println("join.."+i);} } }8. 兩類線程
8.1 用戶線程(User Thread)
User和Daemon兩者幾乎沒有區(qū)別,唯一的不同之處就在于虛擬機的離開:如果 User Thread已經(jīng)全部退出運行了,只剩下Daemon Thread存在了,虛擬機也就退出了。
8.2 守護線程(Daemon Thread)
Daemon的作用是為其他線程的運行提供便利服務(wù),守護線程最典型的應(yīng)用就是 GC (垃圾回收器)
當(dāng)所有非守護線程結(jié)束時,程序也就終止,同時會殺死所有守護線程。main() 屬于非守護線程。
使用 setDaemon() 方法將一個線程設(shè)置為守護線程。
8.2.1 需要注意
- thread.setDaemon(true)必須在thread.start()之前設(shè)置,否則會拋出一個IllegalThreadStateException異常。你不能把正在運行的常規(guī)線程設(shè)置為守護線程。
- 在Daemon線程中產(chǎn)生的新線程也是Daemon的
- 不要認為所有的應(yīng)用都可以分配給Daemon來進行服務(wù),比如讀寫操作或者計算邏輯。
8.2.2 守護線程的代碼實踐
- 前臺線程是保證執(zhí)行完畢的,后臺線程還沒有執(zhí)行完畢就退出了。
執(zhí)行結(jié)果:
后臺線程第0次執(zhí)行!線程1第0次執(zhí)行! 線程1第1次執(zhí)行! 后臺線程第1次執(zhí)行! 后臺線程第2次執(zhí)行! 線程1第2次執(zhí)行! 線程1第3次執(zhí)行! 后臺線程第3次執(zhí)行! 線程1第4次執(zhí)行! 后臺線程第4次執(zhí)行! 后臺線程第5次執(zhí)行! 后臺線程第6次執(zhí)行! 后臺線程第7次執(zhí)行!- 守護線程在退出的時候并不會執(zhí)行finnaly塊中的代碼,所以將釋放資源等操作不要放在finnaly塊中執(zhí)行,這種操作是不安全的
執(zhí)行結(jié)果
i am alive finally block i am alivedaemodThread run方法中是一個while死循環(huán),會一直打印,但是當(dāng)main線程結(jié)束后daemonThread就會退出所以不會出現(xiàn)死循環(huán)的情況。
main線程先睡眠800ms保證daemonThread能夠擁有一次時間片的機會,也就是說可以正常執(zhí)行一次打印“i am alive”操作和一次finally塊中"finally block"操作。
緊接著main 線程結(jié)束后,daemonThread退出,這個時候只打印了"i am alive"并沒有打印finnal塊中的。
守護線程在退出的時候并不會執(zhí)行finnaly塊中的代碼,所以將釋放資源等操作不要放在finnaly塊中執(zhí)行,這種操作是不安全的
8.2.3 特點
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因為是守護線程,或者說是支持性線程,就意味著這個線程并不屬于程序中不可或缺的一部分。所以當(dāng)所有的非守護線程(即用戶線程)結(jié)束之后,程序就會結(jié)束,JVM退出,同時也就會殺死所有的非守護線程。所以也就意味著,守護線程不適合去訪問固有資源,比如文件,數(shù)據(jù)庫。因為隨時可能中斷。
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后臺線程會隨著主程序的結(jié)束而結(jié)束,但是前臺進程則不會,或者說只要有一個前臺線程未退出,進程就不會終止。
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默認情況下,程序員創(chuàng)建的線程是用戶線程;用setDaemon(true)可以設(shè)置線程為后臺線程;而用isDaemon( )則可以判斷一個線程是前臺線程還是后臺線程;
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jvm的垃圾回收器其實就是一個后臺線程;
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setDaemon函數(shù)必須在start函數(shù)之前設(shè)定,否則會拋出IllegalThreadStateException異常;
8.2.4 使用場景
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qq,飛訊等等聊天軟件,主程序是非守護線程,而所有的聊天窗口是守護線程 ,當(dāng)在聊天的過程中,直接關(guān)閉聊天應(yīng)用程序時,聊天窗口也會隨之關(guān)閉,但是不是 立即關(guān)閉,而是需要緩沖,等待接收到關(guān)閉命令后才會執(zhí)行窗口關(guān)閉操作.
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jvm中,gc線程是守護線程,作用就是當(dāng)所有用戶自定義線以及主線程執(zhí)行完畢后, gc線程才停止
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Web服務(wù)器中的Servlet,在容器啟動時,后臺都會初始化一個服務(wù)線程,即調(diào)度線程,負責(zé)處理http請求,然后每個請求過來,調(diào)度線程就會從線程池中取出一個工作者線程來處理該請求,從而實現(xiàn)并發(fā)控制的目的。也就是說,一個實際應(yīng)用在Java的線程池中的調(diào)度線程
8.2.5 總結(jié)
守護線程就是用來告訴JVM,我的這個線程是一個低級別的線程,不需要等待它運行完才退出,讓JVM喜歡什么時候退出就退出,不用管這個線程。
在日常的業(yè)務(wù)相關(guān)的CRUD開發(fā)中,其實并不會關(guān)注到守護線程這個概念,也幾乎不會用上。
但是如果要往更高的地方走的話,這些深層次的概念還是要了解一下的,比如一些框架的底層實現(xiàn)。
7. 線程安全
7.1 什么是線程安全?
所有的隱患都是在多個線程訪問的情況下產(chǎn)生的,也就是我們要確保在多條線程訪問的時候,我們的程序還能按照我們預(yù)期的行為去執(zhí)行.
下面代碼需要在多線程環(huán)境下的測試
Integer count = 0;public void getCount() {count ++;System.out.println(count);} //開三個線程代碼,值會重復(fù) 所以在多線程的情況下結(jié)論:
當(dāng)多個線程訪問某個方法時,不管你通過怎樣的調(diào)用方式、或者說這些線程如何交替地執(zhí)行,我們在主程序中不需要去做任何的同步,這個類的結(jié)果行為都是我們設(shè)想的正確行為,那么我們就可以說這個類是線程安全的。
7.2 什么時候會出現(xiàn)線程安全?
-
線程安全問題都是由全局變量及靜態(tài)變量引起的。若每個線程中對全局變量、靜態(tài)變量只有讀操作,而無寫操作,一般來說,這個全局變量是線程安全的;
-
若有多個線程同時執(zhí)行寫操作,一般都需要考慮線程同步,否則的話就可能出現(xiàn)線程安全的問題。
7.3 有哪些方法可以保證線程安全嗎?
7.3.1 synchronized
7.3.1.1 同步代碼塊
synchronized 關(guān)鍵字可以用于方法中的某個區(qū)塊中,表示只對這個區(qū)塊的資源實行互斥訪問。
synchronized關(guān)鍵字就是用來控制線程同步的,保證我們的線程在多線程環(huán)境下,不被多個線程同時執(zhí)行,確保我們數(shù)據(jù)的完整性,使用方法一般是加在方法上。
-
代碼塊中的鎖對象可以是任意對象;
-
但是必須保證多個線程使用的鎖對象是同一個;
-
鎖對象的作用就是將同步代碼塊鎖住,只允許一個線程在同步代碼塊中執(zhí)行
注意:
- synchronized鎖的是括號里的對象,而不是代碼,其次,對于非靜態(tài)的synchronized方法,鎖的是對象本身也就是this
- synchronized鎖住一個對象之后,別的線程如果想要獲取鎖對象,那么就必須等這個線程執(zhí)行完釋放鎖對象之后才可以,否則一直處于等待狀態(tài)。
- 加synchronized關(guān)鍵字,可以讓我們的線程變得安全,但是我們在用的時候,也要注意縮小synchronized的使用范圍,如果隨意使用時很影響程序的性能,別的對象想拿到鎖,結(jié)果你沒用鎖還一直把鎖占用,這樣就有點浪費資源。
7.3.1.2 同步方法
使用 synchronized 修飾的方法,就叫做同步方法,保證A線程執(zhí)行該方法的時候,其他線程只能在方法外等著
int count = 0; // 記錄方法的命中次數(shù)public synchronized void threadMethod(int j) {count++ ;int i = 1;j = j + i;}7.3.2 同步鎖(Lock)
java.util.concurrent.locks.Lock 機制提供了比 synchronized 代碼塊和 synchronized 方法更廣泛的鎖定操作,同步代碼塊/同步方法具有的功能 Lock 都有,除此之外更強大,更體現(xiàn)面向?qū)ο蟆?/p>
Lock 鎖使用步驟:
7.3.2.1 lock.lock()
跟synchronized不同的是,Lock獲取的所對象需要我們親自去進行釋放,為了防止我們代碼出現(xiàn)異常,所以我們的釋放鎖操作放在finally中,因為finally中的代碼無論如何都是會執(zhí)行的。
private Lock lock = new ReentrantLock(); // ReentrantLock是Lock的子類private void method(Thread thread){lock.lock(); // 獲取鎖對象try {System.out.println("線程名:"+thread.getName() + "獲得了鎖");// Thread.sleep(2000);}catch(Exception e){e.printStackTrace();} finally {System.out.println("線程名:"+thread.getName() + "釋放了鎖");lock.unlock(); // 釋放鎖對象} }7.3.2.2 lock.tryLock()
tryLock()這個方法跟Lock()是有區(qū)別的,Lock在獲取鎖的時候,如果拿不到鎖,就一直處于等待狀態(tài),直到拿到鎖,但是tryLock()卻不是這樣的,tryLock是有一個Boolean的返回值的,如果沒有拿到鎖,直接返回false,停止等待,它不會像Lock()那樣去一直等待獲取鎖。
private void method(Thread thread){// lock.lock(); // 獲取鎖對象if (lock.tryLock()) {try {System.out.println("線程名:"+thread.getName() + "獲得了鎖");// Thread.sleep(2000);}catch(Exception e){e.printStackTrace();} finally {System.out.println("線程名:"+thread.getName() + "釋放了鎖");lock.unlock(); // 釋放鎖對象}}}7.3.2.3 lock.tryLock(5,TimeUnit.SECONDS)
一種方式來控制一下,讓后面等待的線程,可以等待5秒,如果5秒之后,還獲取不到鎖,那么就停止等,其實tryLock()是可以進行設(shè)置等待的相應(yīng)時間的。
private void method(Thread thread) throws InterruptedException {// lock.lock(); // 獲取鎖對象// 如果5秒內(nèi)獲取不到鎖對象,那就不再等待if (lock.tryLock(5,TimeUnit.SECONDS)) {try {System.out.println("線程名:"+thread.getName() + "獲得了鎖");}catch(Exception e){e.printStackTrace();} finally {System.out.println("線程名:"+thread.getName() + "釋放了鎖");lock.unlock(); // 釋放鎖對象}} }嘮嘮嗑
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的最新最全的java多线程基础总结(上)的全部內(nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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