java并发编程系列一、多线程

一、什么是线程

　　一个应用就是一个进程、一个进程由多个线程组成。一个生产车间比作是一个进程、工人比作是线程。当任务比较多的时候，增加工人可以提高效率，同时成本就是支付费用（机器资源，内存）也会增加。

package com.study.demo;


import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.lang.management.ThreadInfo;
import java.lang.management.ThreadMXBean;

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        //java虚拟机的线程管理接口
        ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();

        //获取线程信息的方法
        ThreadInfo[] threadInfos =
                threadMXBean.dumpAllThreads(false,false);
        for(ThreadInfo threadInfo:threadInfos){
            System.out.println(threadInfo.getThreadId()+":"+threadInfo.getThreadName());
        }
    }
}

输出：

5:Attach Listener  //获取内存dump,线程dump

4:Signal Dispatcher  //将信号分发给jvm的线程

3:Finalizer  //调用对象的finalizer 方法 进行垃圾回收

2:Reference Handler  //清除Reference

1:main //程序的主入口

为什么要用线程？

1、 充分利用CPU多处理核心；

2、 更快的响应时间

二、启动线程和退出线程

1、创建线程的方法

  1. extends Thread
  2. implements Runnable

启动线程：threadl类的start()

线程完成：

1、run（）方法执行完成；

2、抛出一个未处理的异常导致线程的提前结束

package com.study.demo;

public class CreateThread {

    private class TestThread extends Thread{

        @Override
        public void run(){
            System.out.println(" Thread");
        }
    }

    private class TestRunnable implements Runnable{

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Runnable");
        }
    }

    private void test(){
        Thread t1 = new TestThread();
        Thread t2 = new Thread(new TestRunnable());
        t1.start();
        t2.start();
    }

    public static void main(String[] args) {
        new CreateThread().test();
    }

}

2、取消和中断

  • 不安全的取消
  •  单独使用一个取消标志位
package com.lgstudy.interrupt;

/**
 * lgs
 * 
 * 使用自定义的取消标志位中断线程（不安全）
 */
public class FlagCancel {

    private static class TestRunable implements Runnable{

        private volatile boolean on = true;
        private long i =0;

        @Override
        public void run() {
            while(on){
                i++;
                //阻塞方法，on不起作用
                //wait,sleep,blockingqueue(put,take)
                try {
                    Thread.sleep(20000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("TestRunable is runing :"+i);
        }

        public void cancel(){
            on = false;
        }
    }

}

Stop(),suspend(),resume()是过期的api，很大的副作用，容易导致死锁（suspend()：将线程挂起不会释放锁）或者数据不一致（Stop()：线程在未处理完数据时就停止）

3、如何安全的终止线程

使用线程的中断 : 

interrupt() 中断线程，本质是将线程的中断标志位设为true，其他线程向需要中断的线程打个招呼。是否真正进行中断由线程自己决定。

isInterrupted() 线程检查自己的中断标志位

静态方法Thread.interrupted() 将中断标志位复位为false

由上面的中断机制可知Java里是没有抢占式任务，只有协作式任务。

为何要用中断，线程处于阻塞（如调用了java的sleep,wait等等方法时）的时候，是不会理会我们自己设置的取消标志位的，但是这些阻塞方法都会检查线程的中断标志位。

package com.lgstudy.interrupt;

/**
 * lgs
 * 
 * 安全的中断线程
 */
public class SafeInterrupt implements Runnable {

    private volatile boolean on = true;
    private long i =0;

    @Override
    public void run() {
        //阻塞方法wait,sleep,blockingqueue(put,take)，on不起作用
        //要加上线程的中断才能安全的终止线程
        while(on&&!Thread.currentThread().isInterrupted()){
            i++;
        }
        System.out.println("TestRunable is runing :"+i);
    }

    public void cancel(){
        on = false;
        //在java线程很忙的时候可能不会理会中断，所以定义一个标志位on更好
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
}

 4、处理不可中断的阻塞

IO通信 inputstream read/write等阻塞方法，不会理会中断，而关闭底层的套接字socket.close()会抛出socketException

NIO： selector.select()会阻塞，调用selector的wakeup和close方法会抛出ClosedSelectorException

死锁状态不响应中断的请求，这个必须重启程序，检查程序找到死锁的位置修改错误。

package com.lgstudy.interrupt;

/**
 * lgs
 * 
 * 调用阻塞方法时，如何中断线程
 */
public class BlockInterrupt {

    private static volatile boolean on = true;

    private static class WhenBlock implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            while (on && !Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                try {
                    //抛出中断异常的阻塞方法（wait,sleep,blockingqueue(put,take)），抛出异常后，中断标志位改成false
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();//重新设置一下
                    //do my work
                }
                //清理工作结束线程
            }
        }

        //外部线程调用方法阻塞
        public void cancel() {
            on = false;
            Thread.currentThread().interrupt();
        }

    }
}

如何让我们的代码既可以响应普通的中断，又可以关闭底层的套接字呢？

覆盖线程的interrupt方法，在处理套接字异常时，再用super.interrupt()自行中断线程。

package com.lgstudy.interrupt;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.Socket;

/**
 * lgs
 * 
 * 如何覆盖线程的interrupt() 方法
 */
public class OverrideInterrupt extends Thread {
    private final Socket socket;
    private final InputStream in;

    public OverrideInterrupt(Socket socket, InputStream in) {
        this.socket = socket;
        this.in = in;
    }

    private void t(){
    }

    @Override
    public void interrupt() {
        try {
            //关闭底层的套接字
            socket.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            //.....
        }finally {
            //同时中断线程
            super.interrupt();
        }

    }
}

5、线程的状态

  • 新创建   线程被创建，但是没有调用start方法
  • 可运行（RUNNABLE）  运行状态，由cpu决定是不是正在运行
  • 被阻塞（BLOCKING）  阻塞，线程被阻塞于锁
  • 等待/计时等待（WAITING） 等待某些条件成熟
  • 被终止  线程执行完毕

6、线程的优先级

成员变量priority控制优先级，范围1-10之间，数字越高优先级越高，缺省为5，创建线程时setPriotity（）可以设置优先级，不要指望他发挥作用，因为线程优先级是由操作系统决定的，有的操作系统甚至会忽略jvm的线程优先级。

7、Daemon线程

守护型线程（如GC线程），程序里没有非Daemon线程时，java程序就会退出。一般用不上，也不建议我们平时开发时使用，因为Try/Finally里的代码不一定执行的。

package com.lgstudy;

import com.lgstudy.threadstate.SleepUtils;

/**
 * lgs
 * 
 * 守护线程
 */
public class Daemon {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(new DaemonRunner());
        //将线程置为守护线程
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();
    }

    static class DaemonRunner implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            try {
                SleepUtils.second(100);
            } finally {
                System.out.println("DaemonThread finally run.");
            }
        }
    }
}

三、常用方法深入理解

run()和start() 

run就是一个普通的方法，跟其他类的实例方法没有任何区别，他之所以能在线程里面运行时因为调用了start()方法。

Sleep

不会释放锁，当前线程变成了休眠状态，所以我们在用sleep时，要把sleep放在同步代码块的外面。

yield()

不会释放锁，当前线程出让cpu占有权，当前线程变成了可运行状态，下一时刻仍然可能被cpu选中。

wait()和 notify()/notiyfAll()

调用以前，当前线程必须要持有锁，调用了wait() notify()/notiyfAll()会释放锁。

等待通知机制：

线程 A调用了对象O的wait方法进入等待状态，线程 B调用了对象O的notify方法进行唤醒，唤醒的是在对象O上wait的线程（比如线程A）

notify() 唤醒一个线程，唤醒哪一个完全看cpu的心情（谨慎使用）

notiyfAll() 所有在对象O上wait的线程全部唤醒(应该用notiyfAll())

join方法

线程A，执行了thread.join(),线程A等待thread线程终止了以后，A在join后面的语句才会继续执行

package com.lgstudy;

/**
 * join的使用
 */
public class JoinTest {

    static class CutInLine implements Runnable{

        private Thread thread;

        public CutInLine(Thread thread) {
            this.thread = thread;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                //在被插队的线程里，调用一下插队线程的join方法
                thread.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" will work");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread previous = Thread.currentThread();
        for(int i=0;i<10;i++){
            Thread thread =
                    new Thread(new CutInLine(previous),String.valueOf(i));
            System.out.println(previous.getId()+" cut in the thread:"+thread.getName());
            thread.start();
            previous = thread;
        }

    }

}

 四、线程间协作和通信

每个线程有自己栈空间，孤立运行，对我们没有价值。如果多个线程能够相互配合完成工作，这将会带来巨大的价值。

1、volatile和synchronized

多个线程同时访问一个共享的变量的时候，每个线程的工作内存有这个变量的一个拷贝，变量本身还是保存在共享内存中。

volatile修饰字段，对这个变量的访问必须要从共享内存刷新一次。最新的修改写回共享内存。可以保证字段的可见性。绝对不是线程安全的，没有操作的原子性。

适用场景：

1、一个线程写，多个线程读；

2、volatile变量的变化很固定即变化以后都是一个固定的值。

package com.lgstudy.volatiletest;

/**
 * 
 * 测试Volatile型变量的操作原子性
 */
public class VolatileThread implements Runnable {

    private volatile  int a= 0;

    @Override
    public void run() {
        synchronized (this){
            a=a+1;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"----"+a);
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            a=a+1;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"----"+a);

        }
    }
}
package com.lgstudy.volatiletest;

public class VolatileTest {
    public static void main(String[] args) {
        VolatileThread volatileThread = new VolatileThread();

        Thread t1 = new Thread(volatileThread);
        Thread t2 = new Thread(volatileThread);
        Thread t3 = new Thread(volatileThread);
        Thread t4 = new Thread(volatileThread);
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
    }
}

输出：

Thread-0----1
Thread-0----2
Thread-3----3
Thread-3----4
Thread-2----5
Thread-2----6
Thread-1----7
Thread-1----8

关键字synchronized可以修饰方法或者以同步块的形式来进行使用，它主要确保多个线程在同一个时刻，只能有一个线程处于方法或者同步块中，它保证了线程对变量访问的可见性和排他性，又称为内置锁机制。

Synchronized的类锁和对象锁，本质上是两把锁，类锁实际锁的是每一个类的class对象。对象锁锁的是当前对象实例。

package com.lgstudy.syn;

import com.lgstudy.threadstate.SleepUtils;

/**
 * 类锁和实例锁
 */
public class InstanceAndClass {

    //测试类锁
    private static class TestClassSyn extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("TestClass is going...");
            synClass();
        }
    }

    //测试对象锁
    private static class TestInstanceSyn extends Thread{
        private InstanceAndClass instanceAndClass;

        public TestInstanceSyn(InstanceAndClass instanceAndClass) {
            this.instanceAndClass = instanceAndClass;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("TestInstance is going..."+instanceAndClass);
            instanceAndClass.synInstance();
        }

    }

    //测试对象锁
    private static class TestInstance2Syn implements Runnable{
        private InstanceAndClass instanceAndClass;

        public TestInstance2Syn(InstanceAndClass instanceAndClass) {
            this.instanceAndClass = instanceAndClass;
        }
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("TestInstance2 is going..."+instanceAndClass);
            instanceAndClass.synInstance2();
        }
    }

    //锁对象的方法
    private synchronized void synInstance(){
        SleepUtils.second(3);
        System.out.println("synInstance is going...");
        SleepUtils.second(3);
        System.out.println("synInstance ended");
    }

    //锁对象的方法
    private synchronized void synInstance2(){
        SleepUtils.second(3);
        System.out.println("synInstance2 going...");
        SleepUtils.second(3);
        System.out.println("synInstance2 ended");
    }

    //锁类的方法
    private static synchronized void synClass(){
        SleepUtils.second(1);
        System.out.println("synClass going...");
        SleepUtils.second(1);
    }

    public static void main(String[] args) {
        InstanceAndClass instanceAndClass = new InstanceAndClass();
        Thread t1 = new TestClassSyn();
        Thread t2 = new Thread(new TestInstanceSyn(instanceAndClass));
        Thread t3 = new Thread(new TestInstance2Syn(instanceAndClass));
        t2.start();
        t3.start();
        SleepUtils.second(1);
        t1.start();
    }

}

2、等待和通知机制

等待方原则：

1、获取对象锁

2、如果条件不满足，调用对象的wait方法，被通知后依然要检查条件是否满足

3、条件满足以后，才能执行相关的业务逻辑

Synchronized(对象){

While(条件不满足){

对象.wait()

}

业务逻辑处理

}

通知方原则：

1、 获得对象的锁；

2、 改变条件；

3、 通知所有等待在对象的线程

Synchronized(对象){

业务逻辑处理，改变条件

对象.notify/notifyAll

}

package com.lgstudy.bq;

import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

/**
 * 
 * 有界阻塞队列/有界缓存队列
 */
public class BlockingQueueWN<T> {

    //当前队列
    private List queue = new LinkedList<>();
    //队列支持的最大容量
    private final int limit;

    //外部修改队列的容量
    public BlockingQueueWN(int limit) {
        this.limit = limit;
    }

    //入队
    public synchronized void enqueue(T item) throws InterruptedException {
        //如果当前队列的容量已经满了的话就要等待
        while(this.queue.size()==this.limit){
            wait();
        }
        //如果当前队列的容量为0的话，可以肯定有出队的线程正在等待，需要他可以准备出队了
        if (this.queue.size()==0){
            notifyAll();
        }
        //开始入队
        this.queue.add(item);
    }

    //出队
    public synchronized T dequeue() throws InterruptedException {
        //如果当前队列的容量为0的话就等待暂不出队
        while(this.queue.size()==0){
            wait();
        }
        //如果当前队列的容量已经满了的话，可以肯定有入队线程正在等待，需要唤醒他可以准备入队了
        if (this.queue.size()==this.limit){
            notifyAll();
        }
        //开始出队
        return (T)this.queue.remove(0);
    }
}

输出;

Pop will pop.....
i=5 will push
i=5 alread pop
Pop will pop.....
i=4 will push
i=4 alread pop
Pop will pop.....
i=3 will push
i=3 alread pop
Pop will pop.....
i=2 will push
i=2 alread pop
Pop will pop.....
i=1 will push
i=1 alread pop
Pop will pop.....

管道输入输出流 使用较少

管道输入输出流用于线程中间的数据传递，传输媒介是内存

PpedOutputStream/PpedInputStream 面向的字节

PipedReader/PipedWriter 面向的是字符

只适合线程间一对一的通信，适用范围较狭窄。

ThreadLocal

本质是个map，map的键就是每个线程对象，值就是每个线程所拥有的值

常用方法：

initialValue()

get()

set()

remove()：将当前线程局部变量的值删除，这个方法是JDK 5.0新增的方法。当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。

ThreadLocal拥有的这个变量，在线程之间很独立的，相互之间没有联系。内存占用相对来说比较大。

性能问题

串行化、无锁化、异步化编程是趋势之一，比如node.js，Vert.x。

黄金原则：编码时候不要考虑性能优化的事情，先正确实现业务，发现性能不行，这个时候再来考虑性能优化。

等待超时模式

调用场景：调用一个方法时等待一段时间（一般来说是给定一个时间段），如果该方法能够在给定的时间段之内得到结果，那么将结果立刻返回，反之，超时返回默认结果。

假设等待时间段是T，那么可以推断出在当前时间now+T之后就会超时

等待持续时间：REMAINING=T。

·超时时间：FUTURE=now+T。

public synchronized Object get(long mills) throws InterruptedException {
long future = System.currentTimeMillis() + mills;
long remaining = mills;
// 当超时大于0并且result返回值不满足要求
while ((result == null) && remaining > 0) {
wait(remaining);
remaining = future - System.currentTimeMillis();
}
return result;
}
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