为什么需要学习和使用多线程

一个简单的例子，在实现一些耗时的任务的时候（例如执行耗时5s的方法5次），如果让单线程去执行，就需要5*5 = 25s ，如果让5个线程去并发执行任务，只需要5秒的时间

基础知识

并行和并发

操作系统中的任务调度器会把CPU时间片分给不同的程序进行使用。

单核情况下，CPU会在线程之间快速切换，微观串行，宏观并行，线程会轮流使用CPU，相当于一个人在一个时刻只能做一件事，这种情况称为并发
多核情况下，CPU会同时执行多个任务，相当于多个人同时在做多件事，这种情况称为并行

Java线程

创建线程的方式

1.new Thread

// 构造方法的参数是给线程指定名字，推荐
Thread t1 = new Thread("t1") {
    @Override
    // run 方法内实现了要执行的任务
    public void run() {
        log.debug("hello");
    }
};
t1.setName("t1");
t1.start();
log.debug("running");

2.使用 Runnable 配合 Thread

// 创建任务对象
Runnable task2 = () -> log.debug("hello");
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
t2.start();

3.FutureTask 配合 Thread

FutureTask 能够接收 Callable 类型的参数，用来处理有返回结果的情况

// 创建任务对象
FutureTask<Integer> task3 = new FutureTask<>(() -> {
    log.debug("hello");
    return 100;
});
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
new Thread(task3, "t3").start();
// get方法会让主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
Thread.sleep(1000);
Integer result = task3.get();
log.debug("结果是:{}", result);
log.info("测试是否同步");

4.小结

方法1 是把线程和任务合并在了一起，方法2 是把线程和任务分开了
用 Runnable 更容易与线程池等高级 API 配合
用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活

栈帧

线程每次执行到一个方法，都会生成一个栈帧，执行完方法后就会释放掉，大致流程如下图所示

启动线程的方式

1.run()

代码

@Slf4j
public class Test3 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread("t1") {
            @SneakyThrows
            @Override
            public void run() {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                log.debug(Thread.currentThread().getName());
            }
        };
        t1.run();
        log.debug("do other things ...");
    }
}

运行结果

可以看到需要等待run()方法体里面的内容执行完才可以往下执行，并且执行run()的是main线程

12:51:47.369 [main] DEBUG test.Test3 - main
12:51:47.371 [main] DEBUG test.Test3 - do other things ...

2.start()

代码

@Slf4j
public class Test4 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread("t1") {
            @SneakyThrows
            @Override
            public void run() {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                log.debug(Thread.currentThread().getName());
            }
        };
        t1.start();
        log.debug("do other things ...");
    }
}

运行结果 可以看到执行run()的是t1线程

12:50:17.239 [main] DEBUG test.Test4 - do other things ...
12:50:22.246 [t1] DEBUG test.Test4 - t1

3.总结

直接调用 run 是在主线程中执行了 run，没有启动新的线程
使用 start 是启动新的线程，通过新的线程间接执行 run 中的代码

sleep 与 yield

sleep

调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛出 InterruptedException
睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行
建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性

yield

调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态，然后调度执行其它线程
具体的实现依赖于操作系统的任务调度器

线程优先级

线程优先级会 提示（hint） 调度器优先调度该线程，但它仅仅是一个提示，调度器可以忽略它
如果 cpu 比较忙，那么优先级高的线程会获得更多的时间片，但 cpu 闲时，优先级几乎没作用

代码

public static void main(String[] args) {
    Runnable task1 = () -> {
        int count = 0;
        for (; ; ) {
            System.out.println("---->1 " + count++);
        }
    };
    Runnable task2 = () -> {
        int count = 0;
        for (; ; ) {
            //Thread.yield();
            System.out.println(" ---->2 " + count++);
        }
    };
    Thread t1 = new Thread(task1, "t1");
    Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
    t1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
    t2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
    t1.start();
    t2.start();
}

运行结果 启动代码，稍作等待，然后停止，可以看到线程2的值增长的比线程1的大，证明了优先级是有作用的

第一次运行的结果

---->1 212101
---->1 212102
---->1 212103
---->1 212104
---->1 212105
 ---->2 256924
 ---->2 256925
 ---->2 256926
 ---->2 256927
 ---->2 256928

第二次运行的结果

---->1 108961
---->1 108962
---->1 108963
---->1 108964
---->2 186360
---->2 186361
---->2 186362
---->2 186363
---->2 186364
---->2 186365

join 方法详解

join用于解决需要等待异步线程的返回结果

单线程的join

首先查看这段代码，我们预期的r应该是10,但是实际得到的结果为0。因为主线程不会等待t1线程执行完，就直接输出了r，所以控制台输出的r为0

static int r = 0;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    log.debug("开始");
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("开始");
        try {
            sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("结束");
        r = 10;
    });
    t1.start();
    //t1.join();
    log.debug("结果为:{}", r);
    log.debug("结束");
}

运行效果

16:35:14.438 [main] DEBUG test.Test10Join - 开始
16:35:14.478 [Thread-0] DEBUG test.Test10Join - 开始
16:35:14.479 [Thread-0] DEBUG test.Test10Join - 结束
16:35:14.478 [main] DEBUG test.Test10Join - 结果为:0
16:35:14.479 [main] DEBUG test.Test10Join - 结束

那么应该如何修改呢？

这个时候就可以用t1.join();，这个方法会让主线程等待t1线程执行完再往下走，取消掉//t1.join();的注释，运行代码，可以看到已经能够拿到r的值了。通过观察时间也可以观察到确实是主线程会等待t1线程执行完

16:49:53.152 [main] DEBUG test.Test10Join - 开始
16:49:53.193 [Thread-0] DEBUG test.Test10Join - 开始
16:49:53.195 [Thread-0] DEBUG test.Test10Join - 结束
16:49:53.195 [main] DEBUG test.Test10Join - 结果为:10
16:49:53.196 [main] DEBUG test.Test10Join - 结束

多线程的join

对于多线程来说，join的结果是以执行时间最长的线程为主。例如下面的例子，无论是t1.join()在前还是在后，运行的花费的时间都是2s，因为要等待最长时间的那个线程执行完毕

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        try {
            sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        r1 = 10;
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        try {
            sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        r2 = 20;
    });
    long start = System.currentTimeMillis();
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    long end = System.currentTimeMillis();
    log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

运行结果

17:01:43.026 [main] DEBUG test.Test11Join - r1: 10 r2: 20 cost: 2003

有时效的 join

顾名思义，就是在join的时候会给这个线程一个最长等待时间，如果超过最长等待时间还没等到任务执行完成，那么就会放弃等待这个线程，直接往下执行。
如果在这个最长等待时间之内完成任务就可以正常执行
如果在最长等待时间之内都没有完成任务，正如下面的代码，等待t1执行1500ms，但是t1执行完需要2000ms，所以主线程就不会拿到r1 = 10的值，因此输出的结果为0

代码

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        try {
            sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        r1 = 10;
    });
    long start = System.currentTimeMillis();
    t1.start();
    // 线程执行结束会导致 join 结束
    t1.join(1500);
    long end = System.currentTimeMillis();
    log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

运行结果

17:08:31.335 [main] DEBUG test.Test12Join - r1: 0 r2: 0 cost: 1513

interrupt 方法详解

打断 sleep，wait，join 的线程

这几个方法都会让线程进入阻塞状态打断 sleep 的线程, 会清空打断状态，以 sleep 为例代码

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "t1");
    t1.start();
    Thread.sleep(500);
    t1.interrupt();
    // 打断状态: {}false
    log.info(" 打断状态: {}" , t1.isInterrupted());
}

运行结果

java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
	at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
	at test.Test13Interrupt.lambda$main$0(Test13Interrupt.java:14)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
17:21:16.723 [main] INFO test.Test13Interrupt -  打断状态: false

打断正常运行的线程

打断正常运行的线程, 不会清空打断状态

代码

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        while (true) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            boolean interrupted = current.isInterrupted();
            if (interrupted) {
                System.out.println(" 打断状态: {}" + interrupted);//打断状态: {}true
                break;
            }
        }
    }, "t2");
    t2.start();
    Thread.sleep(500);
    t2.interrupt();
}

运行结果

打断状态: {}true

打断park线程

打断 park 线程, 不会清空打断状态

代码

public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("park...");
        LockSupport.park();
        log.debug("unPark...");
        log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
    }, "t1");
    t1.start();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    t1.interrupt();
}

运行结果

17:33:30.712 [t1] DEBUG test.Test15Interrupt - park...
17:33:31.722 [t1] DEBUG test.Test15Interrupt - unPark...
17:33:31.722 [t1] DEBUG test.Test15Interrupt - 打断状态：true

如果打断标记已经是 true, 则park会失效

可以看到当第一次park被打断之后，LockSupport.park()不再生效，会继续执行下面的输出代码，证明了上面的park会失效

代码

public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            log.debug("park...");
            LockSupport.park();
            log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
        }
    });
    t1.start();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    t1.interrupt();

}

运行结果

17:36:45.832 [Thread-0] DEBUG test.Test16Interrupt - park...
17:36:46.836 [Thread-0] DEBUG test.Test16Interrupt - 打断状态：true
17:36:46.837 [Thread-0] DEBUG test.Test16Interrupt - park...
17:36:46.837 [Thread-0] DEBUG test.Test16Interrupt - 打断状态：true
17:36:46.837 [Thread-0] DEBUG test.Test16Interrupt - park...
17:36:46.837 [Thread-0] DEBUG test.Test16Interrupt - 打断状态：true
17:36:46.837 [Thread-0] DEBUG test.Test16Interrupt - park...
17:36:46.837 [Thread-0] DEBUG test.Test16Interrupt - 打断状态：true
17:36:46.837 [Thread-0] DEBUG test.Test16Interrupt - park...
17:36:46.837 [Thread-0] DEBUG test.Test16Interrupt - 打断状态：true

Process finished with exit code 0

主线程与守护线程

默认情况下，Java 进程需要等待所有线程都运行结束，才会结束。有一种特殊的线程叫做守护线程，只要其它非守护线程运行结束了，即使守护线程的代码没有执行完，也会强制结束。

代码

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    log.debug("开始运行1...");
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("开始运行2...");
        try {
            sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("运行结束2...");
    }, "daemon");
    // 设置该线程为守护线程
    t1.setDaemon(true);
    t1.start();
    sleep(1000);
    log.debug("运行结束1...");
}

运行结果

17:46:08.213 [main] DEBUG daemon.TestDaemon - 开始运行1...
17:46:08.250 [daemon] DEBUG daemon.TestDaemon - 开始运行2...
17:46:09.256 [main] DEBUG daemon.TestDaemon - 运行结束1...

线程状态

操作系统层面

【初始状态】仅是在语言层面创建了线程对象，还未与操作系统线程关联
【可运行状态】（就绪状态）指该线程已经被创建（与操作系统线程关联），可以由 CPU 调度执行
【运行状态】指获取了 CPU 时间片运行中的状态
- 当 CPU 时间片用完，会从【运行状态】转换至【可运行状态】，会导致线程的上下文切换
【阻塞状态】
- 如果调用了阻塞 API，如 BIO 读写文件，这时该线程实际不会用到 CPU，会导致线程上下文切换，进入【阻塞状态】
- 等 BIO 操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至【可运行状态】
- 与【可运行状态】的区别是，对【阻塞状态】的线程来说只要它们一直不唤醒，调度器就一直不会考虑调度它们
【终止状态】表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状态

Java API层面

根据 Thread.State 枚举，分为六种状态

NEW 线程刚被创建，但是还没有调用 start() 方法
RUNNABLE 当调用了 start() 方法之后，注意，Java API 层面的 RUNNABLE 状态涵盖了操作系统层面的【可运行状态】、【运行状态】和【阻塞状态】（由于 BIO 导致的线程阻塞，在 Java 里无法区分，仍然认为是可运行）
BLOCKED ， WAITING ， TIMED_WAITING 都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分，后面会在状态转换一节详述
TERMINATED 当线程代码运行结束

通过代码来解析java中线程不同的状态

代码

public class Test01 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread("t1") {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running");
            }
        };

        Thread t2 = new Thread("t2") {
            @Override
            public void run() {
                while (true) {

                }
            }
        };
        t2.start();

        Thread t3 = new Thread("t3") {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running");
            }
        };
        t3.start();


        Thread t4 = new Thread("t4") {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (Test01.class) {
                    try {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(100000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        t4.start();

        Thread t5 = new Thread("t5") {

            @Override
            public void run() {
                try {
                    t2.join();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        t5.start();

        Thread t6 = new Thread("t6") {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (Test01.class) {
                    try {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(10000000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        t6.start();

        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("t1.getState() = " + t1.getState());
        System.out.println("t2.getState() = " + t2.getState());
        System.out.println("t3.getState() = " + t3.getState());
        System.out.println("t4.getState() = " + t4.getState());
        System.out.println("t5.getState() = " + t5.getState());
        System.out.println("t6.getState() = " + t6.getState());

    }
}

运行结果

18:07:04.821 [t3] DEBUG state.Test01 - running
t1.getState() = NEW
t2.getState() = RUNNABLE
t3.getState() = TERMINATED
t4.getState() = TIMED_WAITING
t5.getState() = WAITING
t6.getState() = BLOCKED

共享模型之管程

本章内容

共享问题
synchronized
线程安全分析
Monitor
wait/notify
线程状态转换
活跃性
Lock

共享带来的问题

截取例子

Java 的体现

两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？

代码

public class Test {
    static int counter = 0;
    //static修饰,则元素是属于类本身的，不属于对象,与类一起加载一次,只有一个
    static final Object room = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                //synchronized (room) {
                    counter++;
                //}
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                //synchronized (room) {
                    counter--;
                //}
            }
        }, "t2");


        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(counter);
    }
}

运行结果

// 第一次
-586

// 第二次
-1590

// 第三次
369

以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析

对于i++

getstatic i // 获取静态变量i的值 
iconst_1 // 准备常量1 
iadd // 自增 
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

对于i--

getstatic i // 获取静态变量i的值 
iconst_1 // 准备常量1 
isub // 自减 
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：

1.如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：

2.但多线程下这 8 行代码可能交错运行：

出现负数的情况:

出现正数的情况:

临界区 Critical Section

一个程序运行多个线程本身是没有问题的
问题出在多个线程访问共享资源
- 多个线程读共享资源其实也没有问题
- 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区

例如，下面代码中的临界区

static int counter = 0; 
static void increment() // 临界区 
{ 
    counter++;
} 

static void decrement() // 临界区
{ 
    counter--; 
}

竞态条件 Race Condition

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

synchronized 解决方案

为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。

阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
非阻塞式的解决方案：原子变量

本次课使用阻塞式的解决方案：synchronized，来解决上述问题，即俗称的【对象锁】，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换

注意

虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：

互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码

同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点

对于：两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，解决方案如下，加上synchronize，只有获得了room才可以执行counter--。另外一个没有获得room的线程就需要等待

代码

static int counter = 0;
//static修饰,则元素是属于类本身的，不属于对象,与类一起加载一次,只有一个
static final Object room = new Object();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            synchronized (room) {
                counter++;
            }
        }
    }, "t1");
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            synchronized (room) {
                counter--;
            }
        }
    }, "t2");


    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    System.out.println(counter);
}

运行结果

// 每次都是0
0

你可以做这样的类比：

synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间（room），有唯一入口（门）房间只能一次进入一人进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人
当线程 t1 执行到 synchronized(room) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行 count++ 代码
这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，阻塞住了
这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦），这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才能开门进入
当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码，这时候才会从 obj 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥匙给他。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的 count-- 代码

用图来表示

synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断。

面向对象改进

把需要保护的共享变量放入一个类

class Room {
    int value = 0;

    public void increment() {
        synchronized (this) {
            value++;
        }
    }

    public void decrement() {
        synchronized (this) {
            value--;
        }
    }

    public int get() {
        synchronized (this) {
            return value;
        }
    }
}

然后进行改进

代码

public class Test01 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Room room = new Room();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                room.increment();
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                room.decrement();
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("count: {}", room.get());
    }
}

运行结果

22:21:17.001 [main] DEBUG syn.Test01 - count: 0

方法上的 synchronized

普通方法上的锁其实锁的是this，也就是当前类的实例对象

class Test{ 
    public synchronized void test() {
    
    } 
} 
// 等价于 
class Test{ 
public void test() { 
        synchronized(this) {

        }
    } 
}

静态方法上的锁的是Class

class Test{ 
    public synchronized static void test() { 
    
    }
} 
// 等价于 
class Test{ 
    public static void test() {
        synchronized(Test.class) { 

        }
    } 
}

不加 synchronized 的方法

不加 synchronzied 的方法就好比不遵守规则的人，不去老实排队（好比翻窗户进去的）

所谓的“线程八锁”

其实就是考察 synchronized 锁住的是哪个对象

情况1：锁的是普通方法，相当于锁住this，有可能出现12 或者 21

public class TestSyn01 {
    public static void main(String[] args) {
        /*
         * 锁住的是Number类的对象，也就是n1
         */
        Number n1 = new Number();
        new Thread(n1::a).start();
        new Thread(n1::b).start();
    }

}


@Slf4j
class Number {
    public synchronized void a() {
        log.debug("1");
    }

    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

情况2：1s1再2 或者2 1s后1

public class TestSyn02 {
    public static void main(String[] args) {
        Number01 n1 = new Number01();
        new Thread(n1::a).start();
        new Thread(n1::b).start();
    }
}

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number01 {
    public synchronized void a() {
        try {
            sleep(1000);
            log.debug("1");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

情况3：3 1s1 2 或者3 2 1s1 或者23 1s1

public class TestSyn03 {
    public static void main(String[] args) {
        Number03 n1 = new Number03();
        new Thread(n1::a).start();
        new Thread(n1::b).start();
        new Thread(n1::c).start();
    }
}

@Slf4j
class Number03 {
    public synchronized void a() {
        try {
            sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("1");
    }

    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }

    public void c() {
        log.debug("3");
    }
}

情况4：2 1s1（锁的不是同一个对象，互不影响）

public class TestSyn04 {
    public static void main(String[] args) {
        Number04 n1 = new Number04();
        Number04 n2 = new Number04();
        new Thread(n2::b).start();
        new Thread(n1::a).start();
    }


}

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number04 {
    public synchronized void a() {
        try {
            sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("1");
    }

    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

情况5：2 1s1 （锁的不是同一个东西，一个锁的是this，一个是Class）

public class TestSyn05 {
    public static void main(String[] args) {
        Number05 n1 = new Number05();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            n1.b();
        }).start();

    }
}

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number05 {
    public static synchronized void a() {
        try {
            sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("1");
    }

    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

情况6：1s1 2 或者 2 1s1（锁的都是Class）

public class TestSyn06 {
    public static void main(String[] args) {
        Number06 n1 = new Number06();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            n1.b();
        }).start();
    }
}

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number06 {
    public static synchronized void a() {
        try {
            sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("1");
    }

    public static synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

情况7: 2 1s1 （锁的不是同一个东西）

public class TestSyn07 {

    public static void main(String[] args) {
        Number07 n1 = new Number07();
        Number07 n2 = new Number07();
        new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
        new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
    }

}
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number07{
    @SneakyThrows
    public static synchronized void a() {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

情况8： 2 1s 1 或者 1s1 2（锁的是Class）

public class TestSyn08 {
    public static void main(String[] args) {
        Number08 n1 = new Number08();
        Number08 n2 = new Number08();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            n2.b();
        }).start();
    }
}

@Slf4j
class Number08 {
    public static synchronized void a() {
        try {
            sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("1");
    }

    public static synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

Monitor 原理

Monitor 被翻译为监视器或管程

每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的 Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针

Monitor 结构如下

刚开始 Monitor 中 Owner 为 null
当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor中只能有一个 Owner
在 Thread-2 上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行 synchronized(obj)，就会进入 EntryList BLOCKED
Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的时是非公平的
图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程，后面讲 wait-notify 时会分析

注意 synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor 才有上述的效果不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

变量的线程安全分析

成员变量和静态变量是否线程安全？

如果它们没有共享，则线程安全
如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况
- 如果只有读操作，则线程安全
- 如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

局部变量是否线程安全？

局部变量是线程安全的
但局部变量引用的对象则未必
- 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
- 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

局部变量线程安全分析

public static void test1() {
    int i = 10;
    i++; 
}

每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享

如图

局部变量的引用稍有不同

先看一个成员变量的例子：同时操作一个在外部的list，可能导致出现ArrayIndexOutOfBoundsException，因为可能list没有放元素进去就调用remove了

栈帧示意图

代码

public class ThreadUnsafe {
    ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

    static final int THREAD_NUMBER = 2;
    static final int LOOP_NUMBER = 200;

    public static void main(String[] args) {
        ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
        for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
            new Thread(() -> {
                test.method1(LOOP_NUMBER);
            }, "Thread" + i).start();
        }
    }

    public void method1(int loopNumber) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            // { 临界区, 会产生竞态条件
            method2();
            method3();
            // } 临界区
        }
    }

    private void method2() {
        list.add("1");
    }

    private void method3() {
        list.remove(0);
    }

}

运行结果

Exception in thread "Thread0" Exception in thread "Thread1" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: -1
	at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:459)
	at safe.ThreadUnsafe.method2(ThreadUnsafe.java:34)
	at safe.ThreadUnsafe.method1(ThreadUnsafe.java:27)
	at safe.ThreadUnsafe.lambda$main$0(ThreadUnsafe.java:19)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: -1
	at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:501)
	at safe.ThreadUnsafe.method3(ThreadUnsafe.java:38)
	at safe.ThreadUnsafe.method1(ThreadUnsafe.java:28)
	at safe.ThreadUnsafe.lambda$main$0(ThreadUnsafe.java:19)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

对上面的例子进行改进

把ArrayList<String> list = new ArrayList<>();放到method1()里面进行初始化，这样无论是哪个线程进来都拥有了属于自己的list，然后list再调用method2和method3，同步执行代码就不会报错了，也就是先执行完2再执行3

栈帧示意图

代码

public class ThreadSafe {

    static final int THREAD_NUMBER = 2;
    static final int LOOP_NUMBER = 200;

    public static void main(String[] args) {
        ThreadSafe test = new ThreadSafe();
        //ThreadSafe test = new ThreadSafeSubClass();
        for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
            new Thread(() -> {
                test.method1(LOOP_NUMBER);
            }, "Thread" + i).start();
        }
    }


    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }

    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }

    public void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }

}

class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
    @Override
    public void method3(ArrayList<String> list) {
        new Thread(() -> {
            list.remove(0);
        }).start();
    }
}

运行结果

// 无论运行多少次，都不会报错

方法访问修饰符带来的思考，如果把 method2 和 method3 的方法修改为 public 会不会代理线程安全问题？

情况1：有其它线程调用 method2 和 method3
情况2：在情况1 的基础上，为 ThreadSafe 类添加子类，子类覆盖 method2 或 method3 方法，即

class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{ 
@Override 
public void method3(ArrayList list) { 
        new Thread(() -> { 
            list.remove(0);
        }).start(); 
    } 
}

问题所在

正常流程是调用完了add然后再调用remove，但是如果调用的是new Thread可能会导致remove方法在add之前调用，导致出现IndexOutOfBoundsException异常

常见线程安全类

String
Integer
StringBuffer
Random
Vector
Hashtable
java.util.concurrent 包下的类

这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。也可以理解为

Hashtable table = new Hashtable(); 
new Thread(()->{ 
    table.put("key", "value1"); 
}).start(); 

new Thread(()->{ 
    table.put("key", "value2"); 
}).start();

它们的每个方法是原子的
但注意它们多个方法的组合不是原子的，见后面分析

线程安全类方法的组合

分析下面代码是否线程安全？

Hashtable table = new Hashtable(); // 线程1，线程2 
if( table.get("key") == null) 
{ 
    table.put("key", value); 
}

通过观察下面这个图，可以看到这个是非线程安全的，最终v1把v2给干掉了

不可变类线程安全性

String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的有同学或许有疑问，String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值啊，那么这些方法又是如何保证线程安全的呢？

代码

首先定义一个字符串，调用substring方法，查看方法是如何实现的

String str = "abc";
String substring = str.substring(0, 1);

首先是做了一些判断，最终调用到new String(value, beginIndex,subLen) 方法

public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
    if (beginIndex < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
    }
    if (endIndex > value.length) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
    }
    int subLen = endIndex - beginIndex;
    if (subLen < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
    }
    return ((beginIndex == 0) && (endIndex == value.length)) ? this
            : new String(value, beginIndex, subLen);
}

进入new String(value, beginIndex,subLen)方法查看

public String(char value[], int offset, int count) {
    if (offset < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
    }
    if (count <= 0) {
        if (count < 0) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
        }
        if (offset <= value.length) {
            this.value = "".value;
            return;
        }
    }
    // Note: offset or count might be near -1>>>1.
    if (offset > value.length - count) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
    }
    this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
}

方法这么长，但是用于确保线程安全的地方是this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count)，这个方直接拷贝一份原字符串，所以在多线程同时操作String类型的情况下，每个线程拿到的都是新拷贝出来的字符串，所以不会存在线程安全问题

卖票练习

代码

@Slf4j
public class ExerciseSell {
    public static void main(String[] args) {
        TicketWindow ticketWindow = new TicketWindow(2000);
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        // 用来存储买出去多少张票
        List<Integer> sellCount = new Vector<>();
        // List<Integer> sellCount = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 2000; i++) {
            Thread t = new Thread(() -> {
                // 分析这里的竞态条件
                int count = ticketWindow.sell(randomAmount());
                sellCount.add(count);
            });
            list.add(t);
            t.start();
        }
        list.forEach((t) -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        // 买出去的票求和
        log.debug("selled count:{}", sellCount.stream().mapToInt(c -> c).sum());
        // 剩余票数
        log.debug("remainder count:{}", ticketWindow.getCount());
    }

    // Random 为线程安全
    static Random random = new Random();

    // 随机 1~5
    public static int randomAmount() {
        return random.nextInt(5) + 1;
    }
}

class TicketWindow {
    private int count;

    public TicketWindow(int count) {
        this.count = count;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

    //synchronized
    public int sell(int amount) {
        if (this.count >= amount) {
            this.count -= amount;
            return amount;
        } else {
            return 0;
        }
    }
}

运行结果

// 正常情况
11:27:39.134 [main] DEBUG ticket.ExerciseSell - selled count:2000
11:27:39.137 [main] DEBUG ticket.ExerciseSell - remainder count:0

// 出现线程安全问题的情况
11:42:44.842 [main] DEBUG ticket.ExerciseSell - selled count:2004
11:42:44.845 [main] DEBUG ticket.ExerciseSell - remainder count:0

这里采用的是Vector，如果采用ArrayList呢？

运行结果如下，会出现异常

Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
	at ticket.ExerciseSell.lambda$main$2(ExerciseSell.java:39)
	at java.util.stream.ReferencePipeline$4$1.accept(ReferencePipeline.java:210)
	at java.util.ArrayList$ArrayListSpliterator.forEachRemaining(ArrayList.java:1374)
	at java.util.stream.AbstractPipeline.copyInto(AbstractPipeline.java:481)
	at java.util.stream.AbstractPipeline.wrapAndCopyInto(AbstractPipeline.java:471)
	at java.util.stream.ReduceOps$ReduceOp.evaluateSequential(ReduceOps.java:708)
	at java.util.stream.AbstractPipeline.evaluate(AbstractPipeline.java:234)
	at java.util.stream.IntPipeline.reduce(IntPipeline.java:456)
	at java.util.stream.IntPipeline.sum(IntPipeline.java:414)
	at ticket.ExerciseSell.main(ExerciseSell.java:39)

尝试分析一下问题出现的原因

对比ArrayList和Vertor的add方法

ArrayList - add

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

Vector - add

public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}

可以看到主要的区别是在方法上面加了synchronized关键字，加在普通的方法上，锁的是this，对应上面的例子来说，this是sellCount。

用ArrayList去操作add可能会出现一个多个线程同时操作elementData[size++] = e，原本size为0，2个线程同时size++然后size就变成了2，然后同时给size 为 2的下标赋值，导致size为1的地方是null，所以抛出NPE

对于上述例子，正确的修改方式应该是改成下面这样：

用Vector代替ArrayList
给方法加上synchronized关键字，实现ticketWindow 的互斥修改

public class ExerciseSell {
    public static void main(String[] args) {
        TicketWindow ticketWindow = new TicketWindow(2000);
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        // 用来存储买出去多少张票
        List<Integer> sellCount = new Vector<>();
        //List<Integer> sellCount = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 2000; i++) {
            Thread t = new Thread(() -> {
                // 分析这里的竞态条件
                int count = ticketWindow.sell(randomAmount());
                sellCount.add(count);
            });
            list.add(t);
            t.start();
        }
        list.forEach((t) -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        // 买出去的票求和
        log.debug("selled count:{}", sellCount.stream().mapToInt(c -> c).sum());
        // 剩余票数
        log.debug("remainder count:{}", ticketWindow.getCount());
    }

    // Random 为线程安全
    static Random random = new Random();

    // 随机 1~5
    public static int randomAmount() {
        return random.nextInt(5) + 1;
    }
}

class TicketWindow {
    private int count;

    public TicketWindow(int count) {
        this.count = count;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

    public synchronized int sell(int amount) {
        if (this.count >= amount) {
            this.count -= amount;
            return amount;
        } else {
            return 0;
        }
    }
}

转账练习

代码

@Slf4j
public class ExerciseTransfer {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Account a = new Account(1000);
        Account b = new Account(1000);
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                a.transfer(b, randomAmount());
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                b.transfer(a, randomAmount());
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        // 查看转账2000次后的总金额
        log.debug("total:{}", (a.getMoney() + b.getMoney()));
    }

    // Random 为线程安全
    static Random random = new Random();

    // 随机 1~100
    public static int randomAmount() {
        return random.nextInt(100) + 1;
    }
}

class Account {
    private int money;

    public Account(int money) {
        this.money = money;
    }

    public int getMoney() {
        return money;
    }

    public void setMoney(int money) {
        this.money = money;
    }

    public void transfer(Account target, int amount) {
        //synchronized (Account.class) {
        if (this.money > amount) {
            this.setMoney(this.getMoney() - amount);
            target.setMoney(target.getMoney() + amount);
        }
        //}
    }
}

运行结果

// 结果可能大于2000
12:07:35.540 [main] DEBUG ticket.ExerciseTransfer - total:2782
12:14:11.472 [main] DEBUG ticket.ExerciseTransfer - total:4328
12:14:16.994 [main] DEBUG ticket.ExerciseTransfer - total:22524
// 结果可能小于2000
12:14:29.274 [main] DEBUG ticket.ExerciseTransfer - total:554

问题出现的原因是没有对共享变量同时进行保护，因此只需要加上Account.class的锁即可

小故事

故事角色

老王 - JVM
小南 - 线程
小女 - 线程
房间 - 对象
房间门上 - 防盗锁 - Monitor
房间门上 - 小南书包 - 轻量级锁
房间门上 - 刻上小南大名 - 偏向锁
批量重刻名 - 一个类的偏向锁撤销到达 20 阈值
不能刻名字 - 批量撤销该类对象的偏向锁，设置该类不可偏向

小南要使用房间保证计算不被其它人干扰（原子性），最初，他用的是防盗锁，当上下文切换时，锁住门。这样，即使他离开了，别人也进不了门，他的工作就是安全的。

但是，很多情况下没人跟他来竞争房间的使用权。小女是要用房间，但使用的时间上是错开的，小南白天用，小女晚上用。每次上锁太麻烦了，有没有更简单的办法呢？

小南和小女商量了一下，约定不锁门了，而是谁用房间，谁把自己的书包挂在门口，但他们的书包样式都一样，因此每次进门前得翻翻书包，看课本是谁的，如果是自己的，那么就可以进门，这样省的上锁解锁了。万一书包不是自己的，那么就在门外等，并通知对方下次用锁门的方式。

后来，小女回老家了，很长一段时间都不会用这个房间。小南每次还是挂书包，翻书包，虽然比锁门省事了，但仍然觉得麻烦。

于是，小南干脆在门上刻上了自己的名字：【小南专属房间，其它人勿用】，下次来用房间时，只要名字还在，那么说明没人打扰，还是可以安全地使用房间。如果这期间有其它人要用这个房间，那么由使用者将小南刻的名字擦掉，升级为挂书包的方式。

同学们都放假回老家了，小南就膨胀了，在 20 个房间刻上了自己的名字，想进哪个进哪个。后来他自己放假回老家了，这时小女回来了（她也要用这些房间），结果就是得一个个地擦掉小南刻的名字，升级为挂书包的方式。老王觉得这成本有点高，提出了一种批量重刻名的方法，他让小女不用挂书包了，可以直接在门上刻上自己的名字

后来，刻名的现象越来越频繁，老王受不了了：算了，这些房间都不能刻名了，只能挂书包

wait notify

小故事 - 为什么需要 wait

由于条件不满足，小南不能继续进行计算
但小南如果一直占用着锁，其它人就得一直阻塞，效率太低

于是老王单开了一间休息室（调用 wait 方法），让小南到休息室（WaitSet）等着去了，但这时锁释放开，其它人可以由老王随机安排进屋
直到小M将烟送来，大叫一声 [ 你的烟到了 ] （调用 notify 方法）

小南于是可以离开休息室，重新进入竞争锁的队列

API 介绍

obj.wait() 让进入 object 监视器的线程到 waitSet 等待
obj.notify() 在 object 上正在 waitSet 等待的线程中挑一个唤醒
obj.notifyAll() 让 object 上正在 waitSet 等待的线程全部唤醒

它们都是线程之间进行协作的手段，都属于 Object 对象的方法。必须获得此对象的锁，才能调用这几个方法

代码

@Slf4j
public class Test01 {
    final static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                log.debug("执行1....");
                try {
                    obj.wait(); // 让线程在obj上一直等待下去
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug("其它代码1....");
            }
        }).start();
        new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                log.debug("执行2....");
                try {
                    obj.wait(); // 让线程在obj上一直等待下去
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug("其它代码2....");
            }
        }).start();
        // 主线程两秒后执行
        try {
            sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        log.debug("唤醒 obj 上其它线程");
        synchronized (obj) {
            obj.notify(); // 唤醒obj上一个线程
             //obj.notifyAll(); // 唤醒obj上所有等待线程
        }

    }
}

运行结果

// notify()的运行结果 唤醒的不一定是1，也可能是2，随机事件
12:32:28.817 [Thread-0] DEBUG notify.Test01 - 执行1....
12:32:28.820 [Thread-1] DEBUG notify.Test01 - 执行2....
12:32:30.826 [main] DEBUG notify.Test01 - 唤醒 obj 上其它线程
12:32:30.826 [Thread-0] DEBUG notify.Test01 - 其它代码1....

// notifyAll()的运行结果
12:33:11.321 [Thread-0] DEBUG notify.Test01 - 执行1....
12:33:11.323 [Thread-1] DEBUG notify.Test01 - 执行2....
12:33:13.331 [main] DEBUG notify.Test01 - 唤醒 obj 上其它线程
12:33:13.331 [Thread-1] DEBUG notify.Test01 - 其它代码2....
12:33:13.331 [Thread-0] DEBUG notify.Test01 - 其它代码1....

wait() 方法会释放对象的锁，进入 WaitSet 等待区，从而让其他线程就机会获取对象的锁。无限制等待，直到 notify 为止
wait(long n) 有时限的等待, 到 n 毫秒后结束等待，或是被 notify

wait notify 的正确姿势

sleep(long n) 和wait(long n)的区别

sleep 是 Thread 方法，而 wait 是 Object 的方法
sleep 不需要强制和 synchronized 配合使用，但 wait 需要和 synchronized 一起用
sleep 在睡眠的同时，不会释放对象锁的，但 wait 在等待的时候会释放对象锁
它们状态是 TIMED_WAITING

step 1

代码

@Slf4j
public class Test02 {
    static final Object room = new Object();
    static boolean hasCigarette = false;
    static boolean hasTakeout = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                if (!hasCigarette) {
                    log.debug("没烟，先歇会！");
                    try {
                        sleep(2000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                if (hasCigarette) {
                    log.debug("可以开始干活了");
                }
            }
        }, "小南").start();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                synchronized (room) {
                    log.debug("可以开始干活了");
                }
            }, "其它人").start();
        }

        try {
            sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        new Thread(() -> {
            // 这里能不能加 synchronized (room)？
            hasCigarette = true;
            log.debug("烟到了噢！");
        }, "送烟的").start();

    }
}

运行结果

其他人会被小南阻塞住，无法执行任务

14:19:39.085 [小南] DEBUG notify.Test02 - 有烟没？[false]
14:19:39.087 [小南] DEBUG notify.Test02 - 没烟，先歇会！
14:19:40.096 [送烟的] DEBUG notify.Test02 - 烟到了噢！
14:19:41.092 [小南] DEBUG notify.Test02 - 有烟没？[true]
14:19:41.092 [小南] DEBUG notify.Test02 - 可以开始干活了
14:19:41.092 [其它人] DEBUG notify.Test02 - 可以开始干活了
14:19:41.092 [其它人] DEBUG notify.Test02 - 可以开始干活了
14:19:41.092 [其它人] DEBUG notify.Test02 - 可以开始干活了
14:19:41.092 [其它人] DEBUG notify.Test02 - 可以开始干活了
14:19:41.092 [其它人] DEBUG notify.Test02 - 可以开始干活了

其它干活的线程，都要一直阻塞，效率太低
小南线程必须睡足 2s 后才能醒来，就算烟提前送到，也无法立刻醒来
加了 synchronized (room) 后，就好比小南在里面反锁了门睡觉，烟根本没法送进门，main 没加 synchronized 就好像 main 线程是翻窗户进来的
解决方法，使用 wait - notify 机制

step2

代码

@Slf4j
public class Test03 {
    static final Object room = new Object();
    static boolean hasCigarette = false;
    static boolean hasTakeout = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                if (!hasCigarette) {
                    log.debug("没烟，先歇会！");
                    try {
                        room.wait(2000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                if (hasCigarette) {
                    log.debug("可以开始干活了");
                }
            }
        }, "小南").start();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                synchronized (room) {
                    try {
                        Thread.sleep(2000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    log.debug("可以开始干活了");
                }
            }, "其它人").start();
        }
        try {
            sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                hasCigarette = true;
                log.debug("烟到了噢！");
                room.notify();
            }
        }, "送烟的").start();
    }
}

运行结果

14:28:11.949 [小南] DEBUG notify.Test03 - 有烟没？[false]
14:28:11.952 [小南] DEBUG notify.Test03 - 没烟，先歇会！
14:28:13.955 [其它人] DEBUG notify.Test03 - 可以开始干活了
14:28:15.963 [其它人] DEBUG notify.Test03 - 可以开始干活了
14:28:17.977 [其它人] DEBUG notify.Test03 - 可以开始干活了
14:28:19.986 [其它人] DEBUG notify.Test03 - 可以开始干活了
14:28:21.995 [其它人] DEBUG notify.Test03 - 可以开始干活了
14:28:21.995 [小南] DEBUG notify.Test03 - 有烟没？[false]
14:28:21.995 [送烟的] DEBUG notify.Test03 - 烟到了噢！

如果小南只等待2s，但是其他线程也需要等待，但是等送烟的来了之后已经超过2s了，会导致小南的任务无法继续执行

step3

代码

@Slf4j
public class Test04 {
    static final Object room = new Object();
    static boolean hasCigarette = false;
    static boolean hasTakeout = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                while (!hasCigarette) {
                    log.debug("没烟，先歇会！");
                    try {
                        room.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                if (hasCigarette) {
                    log.debug("可以开始干活了");
                } else {
                    log.debug("没干成活...");
                }
            }
        }, "小南").start();
        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                Thread thread = Thread.currentThread();
                log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);
                while (!hasTakeout) {
                    log.debug("没外卖，先歇会！");
                    try {
                        room.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);
                if (hasTakeout) {
                    log.debug("可以开始干活了");
                } else {
                    log.debug("没干成活...");
                }
            }
        }, "小女").start();
        try {
            sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                hasTakeout = true;
                log.debug("外卖到了噢！");
                room.notifyAll();
            }
        }, "送外卖的").start();
    }

}

运行结果

14:32:16.904 [小南] DEBUG notify.Test04 - 有烟没？[false]
14:32:16.907 [小南] DEBUG notify.Test04 - 没烟，先歇会！
14:32:16.908 [小女] DEBUG notify.Test04 - 外卖送到没？[false]
14:32:16.908 [小女] DEBUG notify.Test04 - 没外卖，先歇会！
14:32:17.908 [送外卖的] DEBUG notify.Test04 - 外卖到了噢！
14:32:17.908 [小女] DEBUG notify.Test04 - 外卖送到没？[true]
14:32:17.908 [小女] DEBUG notify.Test04 - 可以开始干活了
14:32:17.908 [小南] DEBUG notify.Test04 - 没烟，先歇会！

Park & Unpark

基本用法

// 暂停当前线程 
LockSupport.park(); 

// 恢复某个线程的运行 
LockSupport.unpark(暂停线程对象)

情况1

@Slf4j
public class Test01 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("start...");
            try {
                sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            log.debug("park...");
            LockSupport.park();
            log.debug("resume...");
        },"t1");
        t1.start();
        try {
            sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        log.debug("unpark...");
        LockSupport.unpark(t1);
    }
}

运行结果

14:35:47.340 [t1] DEBUG park.Test01 - start...
14:35:48.348 [t1] DEBUG park.Test01 - park...
14:35:49.344 [main] DEBUG park.Test01 - unpark...
14:35:49.344 [t1] DEBUG park.Test01 - resume...

47s park住，然后等了2s之后执行unpark，t1才可以往下执行

情况2

@Slf4j
public class Test02 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("start...");
            try {
                sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            log.debug("park...");
            LockSupport.park();
            log.debug("resume...");
        }, "t1");
        t1.start();
        sleep(1000);
        log.debug("unpark...");
        LockSupport.unpark(t1);

    }
}

运行结果

14:45:10.847 [t1] DEBUG park.Test02 - start...
14:45:11.857 [main] DEBUG park.Test02 - unpark...
14:45:12.863 [t1] DEBUG park.Test02 - park...
14:45:12.863 [t1] DEBUG park.Test02 - resume...

问题：为什么调用了park会马上resume呢？

可以引入干粮这个概念

干粮默认为0
调用unpark会让干粮+1
调用park会检查干粮并且让干粮-1，如果干粮为1就继续执行，否则就park住

多把锁

多把不相干的锁

一间大屋子有两个功能：睡觉、学习，互不相干。现在小南要学习，小女要睡觉，但如果只用一间屋子（一个对象锁）的话，那么并发度很低解决方法是准备多个房间（多个对象锁）

例如

@Slf4j
public class Test01 {
    public static void main(String[] args) {
        BigRoom bigRoom = new BigRoom();
        new Thread(() -> {
            bigRoom.study();
        },"小南").start();
        new Thread(() -> {
            bigRoom.sleep();
        },"小女").start();
    }
}
@Slf4j
class BigRoom {
    @SneakyThrows
    public void sleep() {
        synchronized (this) {
            log.debug("sleeping 2 小时");
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        }
    }
    @SneakyThrows
    public void study() {
        synchronized (this) {
            log.debug("study 1 小时");
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        }
    }
}

运行结果

22:44:11.239 [小南] DEBUG lock.BigRoom - study 1 小时
22:44:12.249 [小女] DEBUG lock.BigRoom - sleeping 2 小时

在只有一把锁的情况下，需要灯带stydu结束之后才可以进行下一个任务

改进

public class Test02 {
    public static void main(String[] args) {
        BigRoom02 bigRoom = new BigRoom02();
        new Thread(() -> {
            bigRoom.sleep();
        }, "小南").start();
        new Thread(() -> {
            bigRoom.study();
        }, "小女").start();

    }
}

@Slf4j
class BigRoom02 {
    private final Object studyRoom = new Object();
    private final Object bedRoom = new Object();

    @SneakyThrows
    public void sleep() {
        synchronized (bedRoom) {
            log.debug("sleeping 2 小时");
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        }
    }

    @SneakyThrows
    public void study() {
        synchronized (studyRoom) {
            log.debug("study 1 小时");
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        }
    }
}

运行结果

22:46:05.646 [小南] DEBUG lock.BigRoom02 - sleeping 2 小时
22:46:05.646 [小女] DEBUG lock.BigRoom02 - study 1 小时

将锁的粒度细分

好处，是可以增强并发度
坏处，如果一个线程需要同时获得多把锁，就容易发生死锁

活跃性

死锁

有这样的情况：一个线程需要同时获取多把锁，这时就容易发生死锁

t1线程获得A对象锁，接下来想获取B对象的锁

t2线程获得B对象锁，接下来想获取A对象的锁

例子如下：

代码

@Slf4j
public class Test01 {
    public static void main(String[] args) {
        Object A = new Object();
        Object B = new Object();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (A) {
                log.debug("lock A");
                try {
                    sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (B) {
                    log.debug("lock B");
                    log.debug("操作...");
                }
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (B) {
                log.debug("lock B");
                try {
                    sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (A) {
                    log.debug("lock A");
                    log.debug("操作...");
                }
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();

    }
}

运行结果

22:52:21.896 [t1] DEBUG multiple_lock.Test01 - lock A
22:52:21.896 [t2] DEBUG multiple_lock.Test01 - lock B

检测死锁的工具

jconsole

可以在CMD输入jconsole，然后选择正在执行的类，点击连接

然后点击线程，点击检测死锁

然后就可以看到发生死锁的线程详情了

jps

避免死锁要注意加锁顺序
另外如果由于某个线程进入了死循环，导致其它线程一直等待，对于这种情况 linux 下可以通过 top 先定位到 CPU 占用高的 Java 进程，再利用 top -Hp 进程id 来定位是哪个线程，最后再用 jstack 排查

哲学家就餐问题

有五位哲学家，围坐在圆桌旁。

他们只做两件事，思考和吃饭，思考一会吃口饭，吃完饭后接着思考。
吃饭时要用两根筷子吃，桌上共有 5 根筷子，每位哲学家左右手边各有一根筷子。
如果筷子被身边的人拿着，自己就得等待

多线程笔记

为什么需要学习和使用多线程

基础知识

并行和并发

Java线程

创建线程的方式

1.new Thread

2.使用 Runnable 配合 Thread

3.FutureTask 配合 Thread

4.小结

栈帧

启动线程的方式

1.run()

2.start()

3.总结

sleep 与 yield

sleep

yield

线程优先级

join 方法详解

单线程的join

多线程的join

有时效的 join

interrupt 方法详解

打断 sleep，wait，join 的线程

打断正常运行的线程

打断park线程

主线程与守护线程

线程状态

操作系统层面

Java API层面

共享模型之管程

本章内容

共享带来的问题

Java 的体现

临界区 Critical Section

竞态条件 Race Condition

synchronized 解决方案

面向对象改进

方法上的 synchronized

不加 synchronized 的方法

所谓的“线程八锁”

情况1：锁的是普通方法，相当于锁住this，有可能出现12 或者 21

情况2：1s1再2 或者2 1s后1

情况3：3 1s1 2 或者3 2 1s1 或者23 1s1

情况4：2 1s1（锁的不是同一个对象，互不影响）

情况5：2 1s1 （锁的不是同一个东西，一个锁的是this，一个是Class）

情况6：1s1 2 或者 2 1s1（锁的都是Class）

情况7: 2 1s1 （锁的不是同一个东西）

情况8： 2 1s 1 或者 1s1 2（锁的是Class）

Monitor 原理

变量的线程安全分析

常见线程安全类

卖票练习

转账练习

小故事

wait notify

小故事 - 为什么需要 wait

API 介绍

wait notify 的正确姿势

Park & Unpark

多把锁

多把不相干的锁

活跃性

死锁

jconsole

jps

哲学家就餐问题