多线程高并发编程(1) -- 基础及详解

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