Java多线程基础知识总结

2021-08-02 09:49:33

Java多线程基础知识总结

在Java中关键字synchronized可以保证在同一个时刻，只有一个线程可以执行某个方法或某个代码块，且synchronized可保证一个线程的变化被其它线程所看到（保证可见性，完全可以替代volatile）

线程的五种状态

初始(NEW)：新创建了一个线程对象，但还没有调用start()方法。
运行(RUNNABLE)：Java线程中将就绪（ready）和运行中（running）两种状态笼统的称为“运行”。
线程对象创建后，其他线程(比如main线程）调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，等待被线程调度选中，获取CPU的使用权，此时处于就绪状态（ready）。就绪状态的线程在获得CPU时间片后变为运行中状态（running）。
阻塞(BLOCKED)：表示线程阻塞于锁。
等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。

线程状态图

悲观锁与乐观锁
悲观锁在一个线程进行加锁操作后，变为该线程的独有对象，其他线程都会被阻拦无法操作
缺陷
1.一个线程获得悲观锁后其他线程必须阻塞
2.线程不停切换释放和获取锁，开销大
3.可能会导致优先级倒置，synchronized是典型的悲观锁
乐观锁
乐观锁认为对一个对象操作不会引发冲突，所以每次操作都不进行加锁，只在最后提交更改验证是否发生冲突，若冲突则再试一遍直到成功，这个过程称为自旋

CAS(Compare And Swap) 比较交换
jdk1.5之前，java中的锁都是重量级的悲观锁，在1.5中引入了java.util.concurrent包提供了乐观锁的使用，整个JUC包实现的基石就是CAS操作

执行函数: CAS(V,E,N)
-V表示要更新的变量
-E表实预期值
-N表示新值

如果V值等于E值，则将V的值设为N。若V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。
且CAS操作必须时原子性的，获取原值时要保证原值对本线程可见。

多线程锁的升级原理
锁的四种状态: 无锁状态->偏向锁->轻量级锁->重量级锁（锁的竞争，只能升级，不能降级）
无锁
没有对资源进行锁定，所有线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功，其他修改失败的线程会不断重复直到修改成功

偏向锁
指的是偏向第一个加锁线程，该线程是不会主动释放偏向锁的，只有当其他线程尝试竞争偏向锁才会被释放。
它首先会暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果不处于活动状态，则将对象头设置为无锁状态，如果还活着，就升级成轻量锁。

轻量级锁
当锁是偏向锁的时候，被第二个线程b访问，此时偏向锁就会升级成轻量级锁，线程b会通过自旋尝试获取锁，线程不会阻塞，从而提升性能。
当只有一个等待线程，则该线程将通过自旋进行等待，当自旋超过一定次数时，升级为重量级锁。

**自旋：**当一个线程已经获取锁了，另一个线程需要获取锁，就会不断循环等待直到获取锁然后退出循环

重量级锁
当一个线程获取锁后，其余所有等待该锁的线程都会阻塞。

重量级锁通过对象内部的监听器( monitor)实现，monitor的本质就是依赖底层操作系统的Mutex Lock实现的，操作系统实现线程之间的切换需要从用户切到内核，资源消耗巨大

synchronized的三种应用
1.修饰普通方法，作用与当前方法加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁
2.修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁
3.修饰静态代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码前要获得给定对象的锁

start()、run()、join()方法区别
start(): 线程不会立即启动，相当于在就绪队列里
run(): 启动线程
join(): 让其他线程等待，调用join的线程先执行

锁的状态对比

synchronized 等待与唤醒机制
synchronized等待唤醒机制就是调用notify、notifyAll、wait方法，使用这三个方法是，必须处于synchronized中。

wait方法调用完线程被暂停，会释放锁，调用notify/notifyAll方法后才继续执行，sleep只让线程休眠，不释放锁。
notify/notifyAll方法调用后，不会马上释放锁，而是在相应的synchronized方法中结束后释放锁。

notify()和notifyAll区别
等待池：一个线程调用wait方法后，线程会释放该对象的锁，进入该对象的等待池。
锁池：只有获得了对象的锁，线程才会执行synchronized中的代码，对象的锁只有一个对象能获得，其他线程只能等待。

notify()方法随机唤醒对象等待池中的一个对象，进入锁池
notifyAll() 唤醒对象的等待池中的所有线程，进入锁池

 public static void main(String[] args) {
     new Thread(new T1()).start();
     new Thread(new T2()).start();
 }

 static class T1 implements Runnable{
     @Override
     public void run() {
         synchronized (Test7.class){
             try {
                 System.out.println("进入线程1");
                 Thread.sleep(5000);
                 Test7.class.wait();//让出锁，线程暂停，进入等待池，其它线程可获得同步锁执行
             } catch (InterruptedException e) {
                 System.out.println(e.getMessage());
                 e.printStackTrace();
             }
             System.out.println("线程1结束等待，继续执行");
             System.out.println("线程1执行结束");
         }
     }
 }

static class T2 implements Runnable{
     @Override
     public void run() {
         synchronized(Test7.class){
             System.out.println("进入线程2");
             System.out.println("线程2唤醒其他线程");
             Test7.class.notify();//唤醒其他线程，但不让出锁，告诉T1可以开始获取对象锁了，直到执行结束T1继续执行
             try {
                 Thread.sleep(5000);
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
             System.out.println("线程2继续执行");
             System.out.println("线程2执行结束");
         }
     }
 }

execute()和sunbmit()区别
execute(Runnable x) 没有返回值，可执行任务却无法判断是否成功，实现Runnable接口
sunbmint(Runnable x) 返回一个future，用来判断任务是否成功，实现Callable接口

sleep()和wait()区别
1.sleep()是thread类的静态方法，wait是Object类的

2.sleep()可以在任何地方使用，wait只能在同步代码块中使用

3.sleep()休眠当前线程，释放CPU资源，不会释放锁，休眠时间结束自动执行，wait放弃持有的对象
锁，进入等待池，调用notify方法后才有机会竞争对象锁

4.均需要捕获interruptedException异常

synchronized 和 volatile区别
1.synchronized作用与变量、方法；volatile只作用于变量
2.synchronized保证线程有序性、可见性、一致性；volatile保证线程有序性、可见性
3.synchronized线程阻塞，volatile线程不阻塞
4.synchronized表示只有一个线程可以获取作用对象的锁，执行代码，阻塞其它线程；volatile表示变量在CPU寄存器中是不确定的，必须从内存中读取，保证多线程环境下变量的可见性和有序性

ReentrantReadWriteLock读写锁
表示两个锁。一个是读相关的锁，称为共享锁，多个线程能同时执行，另一个是写操作相关的锁，称为排他锁，只允许一个线程执行

死锁与活锁
死锁：表示两个或两个以上的进程在执行时，因资源争夺出现相互等待的过程
产生死锁的必要条件
1.互斥条件：进程在某一时间内独占资源

2.请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对以获得的资源保持不放

3.不剥夺条件：进程以获得资源，在未用完之前，不能强行剥夺

4.循环条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待关系

活锁
任务或执行者没有被阻塞，我认识因为一些资源不满足，导致一直重复尝试、失败

活锁死锁的区别
活锁可能会自己解，死锁不能，处于活锁的实体一直在不断的改变状态，而死锁一直处于等待状态
饥饿。
一个或多个线程因为某些原因无法获得需要的资源，导致以值无法执行的状态
1.优先级高的线程吞噬优先级低的cpu时间
2.线程被永久堵塞或永久等待(wait方法)

Executor框架

Executor是jdk1.5引入的一系列并发库中与Executor相关的功能类

1.用new Thread(…).start()方法处理多线程开销是很大的，线程也缺乏管理，没有线程池来限制线程的数量，当并发量高的时候会非常消耗资源。
2.使用线程池创建可实现线程复用，也能有效的控制并发数量，提供操作线程的功能了方便管理

Executor的重要接口和类

Callable

Callable位于java.util.concurrent包下，是一个接口，只声明了call()方法
它类似Runnable，但call比run方法更强大,call方法有返回值，且可声明抛出异常

Future

Future位于java.util.concurrent包下，是jdk1.5引入的接口
主要作用是对具体的Runnable或Callable任务的执行结果进行取消，查询是否完成、获取结果

Executor

Executor是一个接口，他将任务的提交与任务的执行分离，定义了一个接收Runnable对象的方法

ExecutorService

ExecutorService继承了Executor，是一个比Executor使用更广泛的接口，提供了终止任务、提交任务、跟踪任务返回结果等方法，它是可以关闭的，关闭之后不能接收任何任务，当没有使用时，应shutdown

码农公寓

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