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Java并发基础知识补全

启动

动启动线程的方式只有：

1、X extends Thread;，然后 X.start

2、X implements Runnable；然后交给 Thread 运行

通过查看Thread源码：在这里插入图片描述代码示例：

 *类说明：如何新建线程
 */
public class NewThread {
	/*扩展自Thread类*/
	private static class UseThread extends Thread{
		@Override
		public void run() {
			super.run();
			//do my work
			System.out.println("I am extended Thread.");
		}
	}
	
	/*实现Runnable接口*/
	private static class UseRun implements Runnable{

		@Override
		public void run() {
			System.out.println("I am implements Runnable");
		}
		
	}
	
	/*实现Callable接口，允许有返回值，不能算是*/
	private static class UseCall implements Callable<String>{

		@Override
		public String call() throws Exception {
			System.out.println("I am implements Callable");
			return "CallResult";
		}
		
	}	
	
	public static void main(String[] args) 
			throws InterruptedException, ExecutionException {
		
		UseRun useRun = new UseRun();
		new Thread(useRun).start();
		Thread t = new Thread(useRun);
		t.interrupt();
		
		UseCall useCall = new UseCall();
		FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(useCall);
		new Thread(futureTask).start();
		System.out.println(futureTask.get());
	}
}

线程的状态（线程的生命周期）

Java 中线程的状态分为 6 种：

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）。
超时等待(TIMED_WAITING)：该状态不同于 WAITING，它可以在指定的时间后自行返回。
终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。

状态之间的变迁如下图所示：在这里插入图片描述

死锁

概念

规范定义：死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。

死锁是必然发生在多操作者（M>=2 个）情况下，争夺多个资源（N>=2 个，且 N<=M）才会发生这种情况。很明显，单线程自然不会有死锁。同时，死锁还有几个要求，

1、争夺资源的顺序不对，如果争夺资源的顺序是一样的，也不会产生死锁；

2、争夺者拿到资源不放手。

学术化的定义

死锁的发生必须具备以下四个必要条件。

1）互斥条件：指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。

2）请求和保持条件：指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。

3）不剥夺条件：指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。

4）环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的 P0 正在等待一个 P1 占用的资源；P1正在等待 P2 占用的资源，……，Pn 正在等待已被 P0 占用的资源。理解了死锁的原因，尤其是产生死锁的四个必要条件，就可以最大可能地避免、预防和解除死锁。

只要打破四个必要条件之一就能有效预防死锁的发生。

打破互斥条件：改造独占性资源为虚拟资源，大部分资源已无法改造。

打破不可抢占条件：当一进程占有一独占性资源后又申请一独占性资源而无法满足，则退出原占有的资源。

打破占有且申请条件：采用资源预先分配策略，即进程运行前申请全部资源，满足则运行，不然就等待，这样就不会占有且申请。

打破循环等待条件：实现资源有序分配策略，对所有设备实现分类编号，所有进程只能采用按序号递增的形式申请资源。

避免死锁常见的算法有有序资源分配法、银行家算法。

死锁演示代码：

 *
 *类说明：演示死锁的产生
 */
public class NormalDeadLock {

    private static Object No13 = new Object();//第一个锁
    private static Object No14 = new Object();//第二个锁

    //第一个拿锁的方法
    private static void jamesDo() throws InterruptedException {
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        synchronized (No13){
            System.out.println(threadName+" get nO13");
            Thread.sleep(100);
            synchronized (No14){
                System.out.println(threadName+" get nO14");
            }
        }
    }

    //第二个拿锁的方法
    private static void lisonDo() throws InterruptedException {
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        synchronized (No13){
            System.out.println(threadName+" get nO13");
            Thread.sleep(100);
            synchronized (No14){
                System.out.println(threadName+" get nO14");
            }
        }
    }

    //子线程
    private static class Lance extends Thread{

        private String name;

        public Lance(String name) {
            this.name = name;
        }

        @Override
        public void run() {
            Thread.currentThread().setName(name);
            try {
                jamesDo();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //主线程
        Thread.currentThread().setName("1");
        Lance lance = new Lance("2");
        lance.start();
        lisonDo();
    }

}

危害

1、线程不工作了，但是整个程序还是活着的 2、没有任何的异常信息可以供我们检查。3、一旦程序发生了发生了死锁，是没有任何的办法恢复的，只能重启程序，对正式已发布程序来说，这是个很严重的问题。

解决

关键是保证拿锁的顺序一致两种解决方式

1、内部通过顺序比较，确定拿锁的顺序；

2、采用尝试拿锁的机制。

演示尝试拿锁解决死锁代码：

/**
 *类说明：演示尝试拿锁解决死锁
 */
public class TryLock {
    private static Lock No13 = new ReentrantLock();//第一个锁
    private static Lock No14 = new ReentrantLock();//第二个锁

    //先尝试拿No13 锁，再尝试拿No14锁，No14锁没拿到，连同No13 锁一起释放掉
    private static void fisrtToSecond() throws InterruptedException {
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        Random r = new Random();
        while(true){
            if(No13.tryLock()){
                System.out.println(threadName
                        +" get 13");
                try{
                    if(No14.tryLock()){
                        try{
                            System.out.println(threadName
                                    +" get 14");
                            System.out.println("fisrtToSecond do work------------");
                            break;
                        }finally{
                            No14.unlock();
                        }
                    }
                }finally {
                    No13.unlock();
                }

            }
            Thread.sleep(r.nextInt(3));
        }
    }

    //先尝试拿No14锁，再尝试拿No13锁，No13锁没拿到，连同No14锁一起释放掉
    private static void SecondToFisrt() throws InterruptedException {
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        Random r = new Random();
        while(true){
            if(No14.tryLock()){
                System.out.println(threadName
                        +" get 14");
                try{
                    if(No13.tryLock()){
                        try{
                            System.out.println(threadName
                                    +" get 13");
                            System.out.println("SecondToFisrt do work------------");
                            break;
                        }finally{
                            No13.unlock();
                        }
                    }
                }finally {
                    No14.unlock();
                }

            }
            Thread.sleep(r.nextInt(3));
        }
    }

    private static class TestThread extends Thread{

        private String name;

        public TestThread(String name) {
            this.name = name;
        }

        public void run(){
            Thread.currentThread().setName(name);
            try {
                SecondToFisrt();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread.currentThread().setName("TestDeadLock");
        TestThread testThread = new TestThread("SubTestThread");
        testThread.start();
        try {
            fisrtToSecond();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

其他线程安全问题

活锁

两个线程在尝试拿锁的机制中，发生多个线程之间互相谦让，不断发生同一个线程总是拿到同一把锁，在尝试拿另一把锁时因为拿不到，而将本来已经持有的锁释放的过程。

解决办法：每个线程休眠随机数，错开拿锁的时间。

线程饥饿

低优先级的线程，总是拿不到执行时间

ThreadLocal 辨析

线程本地变量，也有些地方叫做线程本地存储，其实意思差不多。ThreadLocal可以让每个线程拥有一个属于自己的变量的副本，不会和其他线程的变量副本冲突，实现了线程的数据隔离。在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

与 Synchonized 的比较

ThreadLocal 和 Synchonized 都用于解决多线程并发訪问。可是 ThreadLocal与 synchronized 有本质的差别。synchronized 是利用锁的机制，使变量或代码块在某一时该仅仅能被一个线程訪问。而 ThreadLocal 为每个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某一时间訪问到的并非同一个对象，这样就隔离了多个线程对数据的数据共享。

ThreadLocal 的使用

ThreadLocal 类接口很简单，只有 4 个方法，我们先来了解一下：

• void set(Object value)

设置当前线程的线程局部变量的值。

• public Object get()

该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。

• public void remove()

将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是 JDK5.0 新增的方法。需要指出的是，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。

• protected Object initialValue()

返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个 protected 的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第 1 次调用 get()或 set(Object)时才执行，并且仅执行 1 次。ThreadLocal 中的缺省实现直接返回一个 null。 public final static ThreadLocal RESOURCE = new ThreadLocal();RESOURCE代表一个能够存放String类型的ThreadLocal对象。此时不论什么一个线程能够并发访问这个变量，对它进行写入、读取操作，都是线程安全的。

实现解析

在这里插入图片描述上面先取到当前线程，然后调用 getMap 方法获取对应的 ThreadLocalMap， ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的静态内部类，然后 Thread 类中有一个这样类型成员，所以 getMap 是直接返回 Thread 的成员。看下 ThreadLocal 的内部类 ThreadLocalMap 源码：在这里插入图片描述可以看到有个 Entry 内部静态类，它继承了 WeakReference，总之它记录了两个信息，一个是 ThreadLocal<?>类型，一个是 Object 类型的值。getEntry 方法则是获取某个 ThreadLocal 对应的值，set 方法就是更新或赋值相应的ThreadLocal 对应的值。在这里插入图片描述回顾我们的 get 方法，其实就是拿到每个线程独有的 ThreadLocalMap 然后再用 ThreadLocal 的当前实例，拿到 Map 中的相应的 Entry，然后就可以拿到相应的值返回出去。当然，如果 Map 为空，还会先进行 map 的创建，初始化等工作。

CAS 基本原理

什么是原子操作？如何实现原子操作？

假定有两个操作 A 和 B(A 和 B 可能都很复杂)，如果从执行 A 的线程来看，当另一个线程执行 B 时，要么将 B 全部执行完，要么完全不执行 B，那么 A 和 B 对彼此来说是原子的。实现原子操作可以使用锁，锁机制，满足基本的需求是没有问题的了，但是有的时候我们的需求并非这么简单，我们需要更有效，更加灵活的机制， synchronized 关键字是基于阻塞的锁机制，也就是说当一个线程拥有锁的时候，访问同一资源的其它线程需要等待，直到该线程释放锁。

这里会有些问题：首先，如果被阻塞的线程优先级很高很重要怎么办？其次，如果获得锁的线程一直不释放锁怎么办？（这种情况是非常糟糕的）。还有一种情况，如果有大量的线程来竞争资源，那 CPU 将会花费大量的时间和资源来处理这些竞争，同时，还有可能出现一些例如死锁之类的情况，最后，其实锁机制是一种比较粗糙，粒度比较大的机制，相对于像计数器这样的需求有点儿过于笨重。

实现原子操作还可以使用当前的处理器基本都支持 CAS()的指令，只不过每个厂家所实现的算法并不一样，每一个 CAS 操作过程都包含三个运算符：一个内存地址 V，一个期望的值 A 和一个新值 B，操作的时候如果这个地址上存放的值等于这个期望的值 A，则将地址上的值赋为新值 B，否则不做任何操作。

CAS 的基本思路就是，如果这个地址上的值和期望的值相等，则给其赋予新值，否则不做任何事儿，但是要返回原值是多少。循环 CAS 就是在一个循环里不断的做 cas 操作，直到成功为止。在这里插入图片描述

CAS 实现原子操作的三大问题

ABA 问题

因为 CAS 需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是 A，变成了 B，又变成了 A，那么使用 CAS 进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。 ABA 问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加 1，那么 A→B→A 就会变成 1A→2B→3A。举个通俗点的例子，你倒了一杯水放桌子上，干了点别的事，然后同事把你水喝了又给你重新倒了一杯水，你回来看水还在，拿起来就喝，如果你不管水中间被人喝过，只关心水还在，这就是 ABA 问题。如果你是一个讲卫生讲文明的小伙子，不但关心水在不在，还要在你离开的时候水被人动过没有，因为你是程序员，所以就想起了放了张纸在旁边，写上初始值 0，别人喝水前麻烦先做个累加才能喝水。

循环时间长开销大。

自旋 CAS 如果长时间不成功，会给 CPU 带来非常大的执行开销。

只能保证一个共享变量的原子操作

当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环 CAS 的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环 CAS 就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如，有两个共享变量 i＝2，j=a，合并一下 ij=2a，然后用 CAS 来操作 ij。从 Java 1.5 开始，JDK 提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行 CAS 操作。

Jdk 中相关原子操作类的使用

更新基本类型类：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong

更新数组类：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray

更新引用类型：AtomicReference，AtomicMarkableReference， AtomicStampedReference

AtomicInteger

•int addAndGet（int delta）：以原子方式将输入的数值与实例中的值（AtomicInteger 里的 value）相加，并返回结果。 •boolean compareAndSet（int expect，int update）：如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值。 •int getAndIncrement()：以原子方式将当前值加 1，注意，这里返回的是自增前的值。 •int getAndSet（int newValue）：以原子方式设置为 newValue 的值，并返回旧值。

AtomicIntegerArray

主要是提供原子的方式更新数组里的整型，其常用方法如下。 •int addAndGet（int i，int delta）：以原子方式将输入值与数组中索引 i 的元素相加。 •boolean compareAndSet（int i，int expect，int update）：如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置 i 的元素设置成 update 值。需要注意的是，数组 value 通过构造方法传递进去，然后 AtomicIntegerArray 会将当前数组复制一份，所以当 AtomicIntegerArray 对内部的数组元素进行修改时，不会影响传入的数组。

更新引用类型

原子更新基本类型的 AtomicInteger，只能更新一个变量，如果要原子更新多个变量，就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic 包提供了以下 3 个类。

AtomicReference

原子更新引用类型。

AtomicStampedReference

利用版本戳的形式记录了每次改变以后的版本号，这样的话就不会存在 ABA 问题了。这就是 AtomicStampedReference 的解决方案。AtomicMarkableReference 跟 AtomicStampedReference 差不多，AtomicStampedReference 是使用 pair 的 int stamp 作为计数器使用，AtomicMarkableReference 的 pair 使用的是 boolean mark。还是那个水的例子，AtomicStampedReference 可能关心的是动过几次， AtomicMarkableReference 关心的是有没有被人动过，方法都比较简单。

AtomicMarkableReference：

原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是 AtomicMarkableReference（V initialRef,booleaninitialMark）。

并发基础知识补全和CAS基本原理