Java开发之多线程的基本概念与如何避坑

2021-10-18 10:51:26

1. 多线程基本概念

1.1 轻量级进程

在JVM中，一个线程，其实是一个轻量级进程（LWP）。所谓的轻量级进程，其实是用户进程调用系统内核，所提供的一套接口。实际上，java培训它还要调用更加底层的内核线程（KLT）。

实际上，JVM的线程创建销毁以及调度等，都是依赖于操作系统的。如果你看一下Thread类里面的多个函数，你会发现很多都是native的，直接调用了底层操作系统的函数。

下图是JVM在Linux上简单的线程模型。

可以看到，不同的线程在进行切换的时候，会频繁在用户态和内核态进行状态转换。这种切换的代价是比较大的，也就是我们平常所说的上下文切换（Context Switch）。

1.2 JMM

在介绍线程同步之前，我们有必要介绍一个新的名词，那就是JVM的内存模型JMM。

JMM并不是说堆、metaspace这种内存的划分，它是一个完全不同的概念，指的是与线程相关的Java运行时线程内存模型。

由于Java代码在执行的时候，很多指令都不是原子的，如果这些值的执行顺序发生了错位，就会获得不同的结果。比如，i++的动作就可以翻译成以下的字节码。

getfield      // Field value:I
iconst_1
iadd
putfield      // Field value:I

这还只是代码层面的。如果再加上CPU每核的各级缓存，这个执行过程会变得更加细腻。如果我们希望执行完i++之后，再执行i--，仅靠初级的字节码指令，是无法完成的。我们需要一些同步手段。

上图就是JMM的内存模型，它分为主存储器（Main Memory）和工作存储器（Working Memory）两种。我们平常在Thread中操作这些变量，其实是操作的主存储器的一个副本。当修改完之后，还需要重新刷到主存储器上，其他的线程才能够知道这些变化。

1.3 Java中常见的线程同步方式

为了完成JMM的操作，完成线程之间的变量同步，Java提供了非常多的同步手段。

Java的基类Object中，提供了wait和notify的原语，来完成monitor之间的同步。不过这种操作我们在业务编程中很少遇见
使用synchronized对方法进行同步，或者锁住某个对象以完成代码块的同步
使用concurrent包里面的可重入锁。这套锁是建立在AQS之上的
使用volatile轻量级同步关键字，实现变量的实时可见性
使用Atomic系列，完成自增自减
使用ThreadLocal线程局部变量，实现线程封闭
使用concurrent包提供的各种工具，比如LinkedBlockingQueue来实现生产者消费者。本质还是AQS
使用Thread的join，以及各种await方法，完成并发任务的顺序执行

从上面的描述可以看出，多线程编程要学的东西可实在太多了。幸运的是，同步方式虽然千变万化，但我们创建线程的方式却没几种。

第一类就是Thread类。大家都知道有两种实现方式。第一可以继承Thread覆盖它的run方法；第二种是实现Runnable接口，实现它的run方法；而第三种创建线程的方法，就是通过线程池。

其实，到最后，就只有一种启动方式，那就是Thread。线程池和Runnable，不过是一种封装好的快捷方式罢了。

多线程这么复杂，这么容易出问题，那常见的都有那些问题，我们又该如何避免呢？下面，我将介绍10个高频出现的坑，并给出解决方案。

2. 避坑指南

2.1. 线程池打爆机器

首先，我们聊一个非常非常低级，但又产生了严重后果的多线程错误。

通常，我们创建线程的方式有Thread，Runnable和线程池三种。随着Java1.8的普及，现在最常用的就是线程池方式。

有一次，我们线上的服务器出现了僵死，就连远程ssh，都登录不上，只能无奈的重启。大家发现，只要启动某个应用，过不了几分钟，就会出现这种情况。最终定位到了几行让人啼笑皆非的代码。

有位对多线程不太熟悉的同学，使用了线程池去异步处理消息。通常，我们都会把线程池作为类的静态变量，或者是成员变量。但是这位同学，却将它放在了方法内部。也就是说，每当有一个请求到来的时候，都会创建一个新的线程池。当请求量一增加，系统资源就被耗尽，最终造成整个机器的僵死。

void realJob(){
    ThreadPoolExecutor exe = new ThreadPoolExecutor(...);
    exe.submit(new Runnable(){...})
}

这种问题如何去避免？只能通过代码review。所以多线程相关的代码，哪怕是非常简单的同步关键字，都要交给有经验的人去写。即使没有这种条件，也要非常仔细的对这些代码进行review。

2.2. 锁要关闭

相比较synchronized关键字加的独占锁，concurrent包里面的Lock提供了更多的灵活性。可以根据需要，选择公平锁与非公平锁、读锁与写锁。

但Lock用完之后是要关闭的，也就是lock和unlock要成对出现，否则就容易出现锁泄露，造成了其他的线程永远了拿不到这个锁。

如下面的代码，我们在调用lock之后，发生了异常，try中的执行逻辑将被中断，unlock将永远没有机会执行。在这种情况下，线程获取的锁资源，将永远无法释放。

private final Lock lock = new ReentrantLock();
void doJob(){
    try{
        lock.lock();
        //发生了异常
        lock.unlock();
    }catch(Exception e){
    }
}

正确的做法，就是将unlock函数，放到finally块中，确保它总是能够执行。

由于lock也是一个普通的对象，是可以作为函数的参数的。如果你把lock在函数之间传来传去的，同样会有时序逻辑混乱的情况。在平时的编码中，也要避免这种把lock当参数的情况。

2.3. wait要包两层

Object作为Java的基类，提供了四个方法wait wait(timeout) notify notifyAll ，用来处理线程同步问题，可以看出wait等函数的地位是多么的高大。在平常的工作中，写业务代码的同学使用这些函数的机率是比较小的，所以一旦用到很容易出问题。

但使用这些函数有一个非常大的前提，那就是必须使用synchronized进行包裹，否则会抛出IllegalMonitorStateException。比如下面的代码，在执行的时候就会报错。

final Object condition = new Object();
public void func(){
 condition.wait();
}

类似的方法，还有concurrent包里的Condition对象，使用的时候也必须出现在lock和unlock函数之间。

为什么在wait之前，需要先同步这个对象呢？因为JVM要求，在执行wait之时，线程需要持有这个对象的monitor，显然同步关键字能够完成这个功能。

但是，仅仅这么做，还是不够的，wait函数通常要放在while循环里才行，JDK在代码里做了明确的注释。

重点：这是因为，wait的意思，是在notify的时候，能够向下执行逻辑。但在notify的时候，这个wait的条件可能已经是不成立的了，因为在等待的这段时间里条件条件可能发生了变化，需要再进行一次判断，所以写在while循环里是一种简单的写法。

final Object condition = new Object();
public void func(){
 synchronized(condition){
  while(<条件成立>){
   condition.wait();
  }
 }
}

带if条件的wait和notify要包两层，一层synchronized，一层while，这就是wait等函数的正确用法。

2.4. 不要覆盖锁对象

使用synchronized关键字时，如果是加在普通方法上的，那么锁的就是this对象；如果是加载static方法上的，那锁的就是class。除了用在方法上，synchronized还可以直接指定要锁定的对象，锁代码块，达到细粒度的锁控制。

如果这个锁的对象，被覆盖了会怎么样？比如下面这个。

List listeners = new ArrayList();

void add(Listener listener, boolean upsert){
    synchronized(listeners){
        List results = new ArrayList();
        for(Listener ler:listeners){
        ...
        }
        listeners = results;
    }
}

上面的代码，由于在逻辑中，强行给锁listeners对象进行了重新赋值，会造成锁的错乱或者失效。

为了保险起见，我们通常把锁对象声明成final类型的。

final List listeners = new ArrayList();

或者直接声明专用的锁对象，定义成普通的Object对象即可。

final Object listenersLock = new Object();

2.5. 处理循环中的异常

在异步线程里处理一些定时任务，或者执行时间非常长的批量处理，是经常遇到的需求。我就不止一次看到小伙伴们的程序执行了一部分就停止的情况。

排查到这些中止的根本原因，就是其中的某行数据发生了问题，造成了整个线程的死亡。

我们还是来看一下代码的模板。

volatile boolean run = true;
void loop(){
    while(run){
     for(Task task: taskList){
            //do . sth
            int a = 1/0;
     }
    }
}

在loop函数中，执行我们真正的业务逻辑。当执行到某个task的时候，发生了异常。这个时候，线程并不会继续运行下去，而是会抛出异常直接中止。在写普通函数的时候，我们都知道程序的这种行为，但一旦到了多线程，很多同学都会忘了这一环。

值得注意的是，即使是非捕获类型的NullPointerException，也会引起线程的中止。所以，时刻把要执行的逻辑，放在try catch中，是个非常好的习惯。

volatile boolean run = true;
void loop(){
    while(run){
     for(Task task: taskList){
      try{
                //do . sth
                int a = 1/0;
      }catch(Exception ex){
       //log
      }
     }
    }
}

2.6. HashMap正确用法

HashMap在多线程环境下，会产生死循环问题。这个问题已经得到了广泛的普及，因为它会产生非常严重的后果：CPU跑满，代码无法执行，jstack查看时阻塞在get方法上。

至于怎么提高HashMap效率，什么时候转红黑树转列表，这是阳春白雪的八股界话题，我们下里巴人只关注怎么不出问题。

网络上有详细的文章描述死循环问题产生的场景，大体因为HashMap在进行rehash时，会形成环形链。某些get请求会走到这个环上。JDK并不认为这是个bug，虽然它的影响比较恶劣。

如果你判断你的集合类会被多线程使用，那就可以使用线程安全的ConcurrentHashMap来替代它。

HashMap还有一个安全删除的问题，和多线程关系不大，但它抛出的是ConcurrentModificationException，看起来像是多线程的问题。我们一块来看看它。

Map<String, String> map = new HashMap<>();
map.put("xjjdog0", "狗1");
map.put("xjjdog1", "狗2");

for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {
    String key = entry.getKey();
    if ("xjjdog0".equals(key)) {
       map.remove(key);
    }
}

上面的代码会抛出异常，这是由于HashMap的Fail-Fast机制。如果我们想要安全的删除某些元素，应该使用迭代器。


Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = map.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
   Map.Entry<String, String> entry = iterator.next();
   String key = entry.getKey();
   if ("xjjdog0".equals(key)) {
       iterator.remove();
   }
}

2.7. 线程安全的保护范围

使用了线程安全的类，写出来的代码就一定是线程安全的么？答案是否定的。

线程安全的类，只负责它内部的方法是线程安全的。如我我们在外面把它包了一层，那么它是否能达到线程安全的效果，就需要重新探讨。

比如下面这种情况，我们使用了线程安全的ConcurrentHashMap来存储计数。虽然ConcurrentHashMap本身是线程安全的，不会再出现死循环的问题。但addCounter函数，明显是不正确的，它需要使用synchronized函数包裹才行。

private final ConcurrentHashMap<String,Integer> counter;
public int addCounter(String name) {
    Integer current = counter.get(name);
    int newValue = ++current;
    counter.put(name,newValue);
    return newValue;
}

这是开发人员常踩的坑之一。要达到线程安全，需要看一下线程安全的作用范围。如果更大维度的逻辑存在同步问题，那么即使使用了线程安全的集合，也达不到想要的效果。

2.8. volatile作用有限

volatile关键字，解决了变量的可见性问题，可以让你的修改，立马让其他线程给读到。

虽然这个东西在面试的时候问的挺多的，包括ConcurrentHashMap中队volatile的那些优化。但在平常的使用中，你真的可能只会接触到boolean变量的值修改。

volatile boolean closed;  

public void shutdown() {   
    closed = true;   
}

千万不要把它用在计数或者线程同步上，比如下面这样。

volatile count = 0;
void add(){
    ++count;
}

这段代码在多线程环境下，是不准确的。这是因为volatile只保证可见性，不保证原子性，多线程操作并不能保证其正确性。

直接用Atomic类或者同步关键字多好，你真的在乎这纳秒级别的差异么？

2.9. 日期处理要小心

很多时候，日期处理也会出问题。这是因为使用了全局的Calendar,SimpleDateFormat等。当多个线程同时执行format函数的时候，就会出现数据错乱。

SimpleDateFormat format = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");

Date getDate(String str){
    return format(str);
}

为了改进，我们通常将SimpleDateFormat放在ThreadLocal中，每个线程一份拷贝，这样可以避免一些问题。当然，现在我们可以使用线程安全的DateTimeFormatter了。

static DateTimeFormatter FOMATTER = DateTimeFormatter.ofPattern("MM/dd/yyyy HH:mm:ss");
public static void main(String[] args) {
    ZonedDateTime zdt = ZonedDateTime.now();
    System.out.println(FOMATTER.format(zdt));
}

2.10. 不要在构造函数中启动线程

在构造函数，或者static代码块中启动新的线程，并没有什么错误。但是，强烈不推荐你这么做。

因为Java是有继承的，如果你在构造函数中做了这种事，那么子类的行为将变得非常魔幻。另外，this对象可能在构造完毕之前，出递到另外一个地方被使用，造成一些不可预料的行为。

所以把线程的启动，放在一个普通方法，比如start中，是更好的选择。它可以减少bug发生的机率。

来源：小姐姐味道作者：小姐姐养的狗

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