多线程高并发编程(1) -- 基础及详解

时间:2020-04-15 码猿手人气:0

背景：

　　进程和线程的区别：

　　进程的内存大小为：堆内存+线程数量*栈内存，即线程数量 =（最大地址空间[MaxProcessMemory] - JVM堆内存 - 系统保留内存[ReservedOsMemory] ）/ ThreadStackSize(XSS)，从中可以看出，线程的数量随栈内存的增多而减少。

　　线程是程序执行的一个路径，每一个线程都有自己的局部变量表、程序计数器(指向正在执行的指令指针)以及各自的生命周期。当启动了一个Java虚拟机(JVM)时，从操作系统开始就会创建一个新的进程(JVM进程)，JVM进程将会派生或者创建很多线程。

一个线程的创建肯定是由另一个线程完成的；
被创建线程的父线程是创建它的线程；

　　线程会带来额外的开销，如CPU调度时间、并发控制开销等；每个线程在自己的工作内存交互，加载和存储主内存控制不当会造成数据不一致。

一.线程创建方式：

构造Thread类：实现线程的执行单元run有两种方式，分别是下面

继承Thread，重写run方法：Thread实现了Runnable接口，使用start开启线程，start开启后线程会加入调度器，然后调用run方法，start会调用start0本地方法跟OS进行交互运行；下面是start源码解析

/**
 * Causes this thread to begin execution; the Java Virtual Machine
 * calls the <code>run</code> method of this thread.
 * 开启线程，JVM会调用run方法【start使用了模板方法】
 * <p>
 * It is never legal to start a thread more than once.
 * 不能两次启动线程，否则报IllegalThreadStateException异常
 * In particular, a thread may not be restarted once it has completed
 * execution.
 * 一个线程生命周期结束，也就是到了TERMINATED状态，再次调用start方法是不允许的，
 * 也就是TERMINATED状态没法回到RUNNABLE/RUNNING状态。
 *
 * @exception  IllegalThreadStateException  if the thread was already
 *               started.
 * @see        #run()
 * @see        #stop()
 */
public synchronized void start() {//线程安全的
    /**
     * This method is not invoked for the main method thread or "system"
     * group threads created/set up by the VM. Any new functionality added
     * to this method in the future may have to also be added to the VM.
     * 这个方法不会被主线程调用或通过虚拟机系统线程组创建起来。未来任何添加到该方法里的新功能可能需要加入到虚拟机中
     *
     * A zero status value corresponds to state "NEW".
     * 线程被构造后的new状态，threadStatus的属性值是0
     */
    if (threadStatus != 0)
        throw new IllegalThreadStateException();

    /* Notify the group that this thread is about to be started
     * so that it can be added to the group's list of threads
     * and the group's unstarted count can be decremented. 
     * 通知线程组新线程将要启动，以便它可以添加到线程组列表并且线程组没有开始计数*/
    group.add(this);//加入线程组

    boolean started = false;
    try {
        start0();//调用本地方法
        started = true;
    } finally {
        try {
            if (!started) {//启动失败
                group.threadStartFailed(this);//线程启动失败，从组中移除该线程
            }
        } catch (Throwable ignore) {
            /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
              it will be passed up the call stack */
        }
    }
}

void add(Thread t) {
    synchronized (this) {
        if (destroyed) {//线程组状态校验
            throw new IllegalThreadStateException();
        }
        if (threads == null) {
            threads = new Thread[4];//初始化长度为4的线程组
        } else if (nthreads == threads.length) {
            threads = Arrays.copyOf(threads, nthreads * 2);//数组满了就扩容2倍
        }
        threads[nthreads] = t;//当前线程添加到线程组中

        // This is done last so it doesn't matter in case the
        // thread is killed
        nthreads++;//线程数+1

        // The thread is now a fully fledged member of the group, even
        // though it may, or may not, have been started yet. It will prevent
        // the group from being destroyed so the unstarted Threads count is
        // decremented.
        nUnstartedThreads--;//未启动线程数-1
    }
}

private native void start0();//本地方法调用重写的run方法

void threadStartFailed(Thread t) {
    synchronized(this) {
        remove(t);//移除当前线程
        nUnstartedThreads++;//没有启动的线程数量+1
    }
}

//=======================测试============================

Thread t = new Thread(){
  @Override
  public void run(){
      try {
          TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
      } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
      }
  }
};
t.start();
t.start();//不能两次启动，第二次启动是不允许的，报IllegalThreadStateException，此时该线程是处于运行状态
//=======================测试==============================
Thread t = new Thread(){
  @Override
  public void run(){
      try {
          TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
      } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
      }
  }
};
t.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(10);//设置休眠时间，上面的线程的生命周期已经终止，下面再次启动报IllegalThreadStateException
t.start();

实现Runnable接口，重写run方法并且将Runnable实例用作构造Thread的参数【单继承有局限性，推荐使用接口】：将线程的控制(start)和业务逻辑(run)的运行彻底分离开来，使用的是策略模式；Thread的run方法是不能共享的，但Runnbale的run方法可以共享，使用同一个Runnable的实例构造不同的Thread实例；把实现类对象(实现Runnable接口的类的实例化)放入代理类对象(Thread构造方法)中，使用的是代理模式；下面是静态代理的代码解释：

public class StaticProxy {
    public static void main(String[] args) {
        new Weeding(new Me()).happyMarry();
//        new Thread(对象).start();类似
    }
}

interface Marry {
    void happyMarry();
}
//真实角色
class Me implements Marry {
    @Override
    public void happyMarry() {
        System.out.println("me will marry!");
    }
}
//代理对象
class Weeding implements Marry{
    //真实角色
    private Marry marry;
    public Weeding(Marry marry){
        this.marry=marry;
    }
    @Override
    public void happyMarry() {
        System.out.println("start");
        marry.happyMarry();
        System.out.println("end");
    }
}

实现Callable接口，重写call方法，Future获取返回值：Callable能接受一个泛型，然后在call方法中返回一个指定类型的值；

public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

//线程池队列开启线程，不会产生脏读数据
//使用步骤：
//1.创建目标对象new
//2.创建执行服务线程池
//3.提交执行submit
//4.获取结构get
//5.关闭服务shutdownNow
public class MyThread implements Callable {
    private static int count = 20;

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        MyThread m1 = new MyThread();
        MyThread m2 = new MyThread();
        MyThread m3 = new MyThread();
        MyThread m4 = new MyThread();
        ScheduledExecutorService service = new ScheduledThreadPoolExecutor(2,
                new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("schedule-pool-%d").daemon(true).build());
        Future submit = service.submit(m1);
        Future submit1 = service.submit(m2);
        Future submit2 = service.submit(m3);
        Future submit3 = service.submit(m4);
        System.out.println(submit.get());
        System.out.println(submit1.get());
        System.out.println(submit2.get());
        System.out.println(submit3.get());
        service.shutdown();

    }

    @Override
    public Object call() throws Exception {
        count--;
        return count;
    }
}

匿名内部类；

        new Thread(){//相当于继承Thread的方式
            public void run(){
                System.out.println("thread1 start ... ");
            }
        }.start();


        new Thread(new Runnable() {//相当于实现Runnable接口的方式
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("thread2 start .... ");
            }
        }).start();

定时器(Timer)；

        Timer timer = new Timer();//创建时间器
        timer.schedule(new TimerTask() {//使用schedule，参数为定时器任务并重写run方法
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("timer task is run");
            }
        }, 0, 1000);

线程池(内部使用队列，所以加入线程池的线程是顺序执行)：使用execute和重写Runnbale的run方法；

ScheduledExecutorService service = new ScheduledThreadPoolExecutor(2,
                new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("schedule-pool-%d").daemon(true).build());
        service.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("run test");
            }
        });

lambda表达式；

        new Thread(()-> {
            for(int i = 1 ; i<10 ; i++){
                System.out.println("It is a lambda function!");
            }

        }).start();

Spring方式(@Async注解)；

    @Test
    public void test() {
        run();
    }
    @Async
    public void run(){
        System.out.println("Async Test");
    }

二.线程生命周期

new新生状态：当用new创建一个Thread对象时，此时它并不处于执行状态，因为没有调用star启动该线程，那么线程的状态为new状态，也就是说，它只是Thread对象的状态，在没有start之前，该线程是不存在的；
runnable就绪状态：线程对象进入runnable就绪状态必须调用start方法，那么此时才是真正地在JVM进程中创建了一个线程；就绪状态不会直接进入阻塞状态和死亡状态，即使是在线程的执行逻辑中调用wait、sleep或其他block的IO操作等，也必须先获得CPU的调度执行权才可以，严格来说，就绪状态的线程只能意外终止或进入运行状态；
running运行状态：一旦CPU通过轮询或其他方式从任务可执行队列中选中了线程，此时它才能真正地执行自己的逻辑代码；一个正在running状态的线程事实上也是一个runnable的，但是反过来则不成立；

sleep：使当前线程进入指定毫秒级的休眠，暂停执行，但不会放弃monitor锁的所有权，即不会释放锁资源；使用TimeUnit来替代Thread.sleep，省去了时间单位的换算步骤；
yield：属于一种启发式的方法，其会提醒调度器我愿意放弃当前的CPU资源，如果CPU的资源不紧张，则会忽略这种提醒；yield只是一个提示(hint)，CPU调度器并不会担保每次都能满足yield提示；
sleep和yield的区别：
- sleep会导致当前线程暂停指定的时间，没有CPU时间片的消耗；
- yield只是对CPU调度器的一个提示，如果CPU调度器没有忽略这个提示，它会导致线程上下文的切换；
- sleep会使线程短暂block，会在给定的时间内释放CPU资源；
- yield会使running状态的线程进入runnable状态（如果CPU调度器没有忽略这个提示的话）；
- sleep几乎百分之百地完成了给定时间的休眠，但yield的提示并不能一定担保；
- 一个线程sleep另一个线程interrupt会捕获到中断信号，而yield则不会；
join：join某个线程A，会使当前线程B进入等待，直到线程A结束生命周期；可以使用join来达到线程顺序执行的效果；
wait：表示线程一直等待，直到其他线程通知，与sleep不同的是它会释放锁；调用wait会加入wait set中；
notify：唤醒一个处于等待状态的线程；
notifyAll：唤醒同一个对象上所有调用wait方法的线程，优先级高的线程优先调度；
synchronized：同步，内置锁、互斥锁，锁定共享资源，JVM指令是monitor enter和monitor exit；synchronized的指令严格遵守java happens-before规则，一个monitor exit指令之前必定要有一个monitor enter；
- 锁信息存在对象头中：
  - Mark Word
    - 线程id
    - Epoch
    - 对象的分代年龄信息
    - 是否是偏向锁
    - 锁标志位
  - Class Metadata Address

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