多线程

1 多线程简介

多线程（Multithreading）指的是在单个程序中同时执行多个线程，每个线程可以独立运行，拥有自己的执行堆栈和程序计数器，但是它们共享相同的内存空间。

多线程的优点是可以提高程序的执行效率和响应速度。在单个线程中，当程序执行到某个耗时的操作时，程序将被阻塞，不能执行其它任务，从而降低了程序的效率。而使用多线程，可以将耗时的操作放在一个线程中执行，而其它线程可以继续执行其它任务，从而提高了程序的效率。

多线程常用于实现并发编程、异步编程等场景，如网络编程、图形界面编程、并行计算等。

Java是一种面向对象的编程语言，提供了强大的多线程支持。Java多线程编程可以使用Thread类或Runnable接口来创建线程，也可以使用线程池来管理线程。同时，Java还提供了synchronized关键字、volatile关键字、Lock对象等机制来保证多线程并发访问的线程安全性。

虽然多线程能够提高程序效率和响应速度，但也会带来一些问题，如线程安全问题、死锁问题、竞争问题等，因此在多线程编程时需要特别注意这些问题。

1.1) 多线程的基本属性、方法、生命周期

1. 线程属性：线程有自己的ID、状态、优先级、名称、线程组等属性。
2. 线程方法：线程有创建、启动、休眠、恢复、等待、中断、加入等方法。
3. 线程生命周期：线程从创建到销毁的整个过程称为线程生命周期，它包括以下几个阶段：

• 新建（New）：线程被创建后，它处于新建状态。

• 就绪（Runnable）：当线程启动时，它进入就绪状态，等待CPU调度。

• 运行（Running）：当线程获得CPU时间片后，它进入运行状态，执行run()方法中的代码。

• 阻塞（Blocked）：线程在等待某些资源时，进入阻塞状态。

• 等待（Waiting）：线程在等待某个条件时，进入等待状态。

• 超时等待（Timed Waiting）：线程在等待某个条件时，可以指定等待的时间，超时后进入就绪状态。

• 终止（Terminated）：当线程执行完run()方法后，或者因异常或其他原因退出run()方法，线程进入终止状态。

在多线程编程中，需要注意线程安全问题，如共享变量的访问、同步、锁、原子性等。同时也需要注意死锁、竞态条件等问题，保证程序的正确性和性能。

2 多线程创建方式

1. 继承Thread类，重写run()方法。这种方式是最基本的创建多线程的方式，需要定义一个类继承Thread类，并重写run()方法，然后实例化该类并调用start()方法来启动线程。

   class MyThread extends Thread {
       @Override
       public void run() {
           // 执行任务
       }
   }
   ​
   // 实例化并启动线程
   MyThread thread = new MyThread();
   thread.start();
   

2. 实现Runnable接口，重写run()方法。这种方式可以避免单继承的限制，实现Runnable接口的类可以被多个线程共享。需要实例化Thread对象，并将Runnable对象作为参数传递给Thread的构造函数，然后调用start()方法来启动线程。

   class MyRunnable implements Runnable {
       @Override
       public void run() {
           // 执行任务
       }
   }
   ​
   // 实例化并启动线程
   MyRunnable runnable = new MyRunnable();
   Thread thread = new Thread(runnable);
   thread.start();
   ​
   

3. 使用Executor框架。这种方式可以将线程的创建、管理、调度等操作交给Executor框架处理，简化了线程编程。Executor框架提供了多种线程池类型，可以根据具体的需求选择不同的线程池。

   ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
   executorService.execute(new Runnable() {
       @Override
       public void run() {
           // 执行任务
       }
   });
   executorService.shutdown();
   ​
   

以上是多线程的几种方式，程序员可以根据实际需求和场景选择不同的方式。

3 多线程在jmm中的形式是如何的?

多线程在JMM中的形式可以用一个虚拟的内存模型来表示。这个内存模型中包含两个部分：主内存和工作内存。

主内存是共享的，所有线程都可以访问。它存储了所有的共享变量，包括实例变量、静态变量等。在多线程程序中，当一个线程对共享变量进行修改时，它首先要将变量的值从主内存复制到自己的工作内存中，然后再对这个工作内存中的副本进行操作。当一个线程需要读取共享变量的值时，它也需要先将变量的值从主内存复制到自己的工作内存中，然后再进行读取操作。

工作内存是每个线程独有的，它存储了当前线程使用到的共享变量的副本。每个线程对共享变量的操作都是在自己的工作内存中进行的，而不是直接在主内存中进行。因此，如果一个线程修改了共享变量的值，这个变化并不会立即被其他线程所感知，其他线程仍然在使用自己工作内存中的变量副本。

JMM定义了一些规则和限制来保证多线程程序的正确性和可靠性，包括：

• 有序性规则（Sequential Consistency） ：在多线程环境下，程序的执行顺序可能会发生变化，为了保证程序执行的正确性，需要保证操作的执行顺序与程序的编写顺序一致。也就是说，线程在执行时必须遵循原子性、可见性和有序性三个规则。
• 可见性规则（Visibility） ：由于多线程共享同一块内存，因此线程之间需要保证对内存中共享变量的读写操作可见。也就是说，当一个线程对共享变量进行修改后，其它线程需要能够立即看到该变量的修改。为了保证可见性，可以使用synchronized关键字、volatile关键字等。
• 原子性规则（Atomicity） ：在多线程环境下，多个线程可能同时访问共享的变量，因此需要保证对共享变量的读写操作是原子性的。也就是说，一个线程在修改共享变量的值时，必须要完成整个操作，而不能被其它线程打断。

为了保证有序性规则、可见性规则、原子性规则，可以使用以下方法：

1. 使用synchronized关键字或Lock对象来实现同步，保证线程访问共享变量的互斥性，从而保证原子性。
2. 使用volatile关键字来修饰共享变量，保证线程对共享变量的修改对其它线程是可见的。
3. 使用java.util.concurrent包中提供的工具类，如AtomicInteger、CountDownLatch等，保证多线程访问共享变量的原子性和可见性。
4. 在多线程环境下，尽量避免使用静态变量、全局变量等共享变量，尽可能地将变量的作用域限定在方法内部，从而避免竞争和并发问题。

3.1) volatile关键字、synchronized关键字、锁

0. volatile关键字：volatile关键字可以保证多线程之间的可见性和有序性。使用volatile修饰的变量在每次读写时都会从主内存中刷新，因此可以避免由于指令重排等原因导致的有序性问题。但是，volatile并不能保证原子性，因此在需要保证原子性的场合，还需要使用其他机制，如synchronized或Lock。
1. synchronized关键字：synchronized关键字可以保证多线程之间的互斥访问。它可以修饰方法、代码块或者类。当一个线程获取了对象锁，其他线程就必须等待该线程释放锁后才能获取锁进入临界区。使用synchronized关键字可以避免由于竞态条件而导致的数据不一致等问题。
2. 锁：锁是一种更加灵活的多线程同步机制。在Java中，常用的锁包括ReentrantLock、ReadWriteLock、StampedLock等。锁可以保证线程之间的互斥访问，并且可以支持更加复杂的同步场景，如读写锁、乐观锁等。锁的使用需要手动加锁和释放锁，因此需要注意死锁、饥饿等问题。

需要注意的是，使用同步机制可以保证多线程之间的安全性，但是也会降低程序的性能，因此在选择同步机制时需要权衡安全性和性能。同时，需要注意死锁、饥饿、性能瓶颈等问题，确保程序的正确性和性能。

3.2) 序性规则、可见性规则、原子性规则相关例子

下面是一个使用 Kotlin 编写的可见性问题程序：

class VisibilityProblem: Thread() {
    private var flag = false
    
    override fun run() {
        while (!flag) {
            // do something here
        }
    }
    
    fun stopThread() {
        flag = true
    }
}
​
fun main() {
    val visibilityProblem = VisibilityProblem()
    visibilityProblem.start()
​
    // 休眠一段时间后停止线程
    Thread.sleep(1000)
    visibilityProblem.stopThread()
}

这个程序中，VisibilityProblem 类继承自 Thread 类，重写了 run 方法，并在其中使用了一个 flag 变量来控制循环的终止。在 main 函数中，创建了一个 VisibilityProblem 的实例，并在其启动后休眠 1 秒钟后再调用 stopThread 方法来停止线程。然而，由于 flag 变量没有加上 volatile 关键字修饰，因此在多线程环境下，有可能会出现可见性问题，导致线程无法被停止。

解决这个可见性问题，可以使用 volatile 关键字来修饰 flag 变量，从而保证其在多线程环境下的可见性。修改后的程序如下所示：

class VisibilitySolution: Thread() {
    @Volatile
    private var flag = false
​
    override fun run() {
        while (!flag) {
            // do something here
        }
    }
​
    fun stopThread() {
        flag = true
    }
}
​
fun main() {
    val visibilitySolution = VisibilitySolution()
    visibilitySolution.start()
​
    // 休眠一段时间后停止线程
    Thread.sleep(1000)
    visibilitySolution.stopThread()
}

在这个程序中，flag 变量前加上了 @Volatile 注解，使其成为一个 volatile 变量。这样，当一个线程修改了 flag 变量的值后，其它线程可以立即看到这个修改，从而保证了程序在多线程环境下的正确性。

下面是一个使用 Kotlin 编写的原子性问题程序：

class AtomicityProblem: Thread() {
    private var count = 0
​
    override fun run() {
        for (i in 1..10000) {
            count++
        }
    }
​
    fun getCount(): Int {
        return count
    }
}
​
fun main() {
    val threads = mutableListOf<AtomicityProblem>()
​
    // 创建 10 个线程并启动
    for (i in 1..10) {
        val thread = AtomicityProblem()
        thread.start()
        threads.add(thread)
    }
​
    // 等待所有线程执行完毕
    for (thread in threads) {
        thread.join()
    }
​
    // 输出结果
    println("count = ${threads[0].getCount()}")
}

这个程序中，AtomicityProblem 类继承自 Thread 类，重写了 run 方法，并在其中使用了一个 count 变量来记录循环次数。在 main 函数中，创建了 10 个 AtomicityProblem 的实例，并在它们启动后等待它们执行完毕。最后，输出其中一个实例的 count 变量的值。然而，由于 count 变量没有做任何同步措施，因此在多线程环境下，有可能会出现原子性问题，导致最终输出的结果不是预期的 100000。

解决这个原子性问题，可以使用 Kotlin 标准库提供的 AtomicInteger 类，从而保证对 count 变量的操作具有原子性。修改后的程序如下所示：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger
​
class AtomicitySolution: Thread() {
    private var count = AtomicInteger(0)
​
    override fun run() {
        for (i in 1..10000) {
            count.incrementAndGet()
        }
    }
​
    fun getCount(): Int {
        return count.get()
    }
}
​
fun main() {
    val threads = mutableListOf<AtomicitySolution>()
​
    // 创建 10 个线程并启动
    for (i in 1..10) {
        val thread = AtomicitySolution()
        thread.start()
        threads.add(thread)
    }
​
    // 等待所有线程执行完毕
    for (thread in threads) {
        thread.join()
    }
​
    // 输出结果
    println("count = ${threads[0].getCount()}")
}

这段代码是一个使用AtomicInteger类实现原子性的示例程序。该程序创建了10个线程，并将它们启动，每个线程执行了10000次原子递增操作。最后，主线程等待所有线程执行完毕，然后输出共享变量count的值。

具体来说，该程序定义了一个继承自Thread类的AtomicitySolution类，该类包含一个AtomicInteger类型的count变量和一个run()方法。run()方法使用AtomicInteger类的incrementAndGet()方法对count变量进行10000次原子递增操作。同时，该类还包含一个getCount()方法，用于获取count变量的值。

在main()函数中，该程序创建了10个AtomicitySolution对象，并将它们添加到一个线程列表中。然后，它启动所有线程，并等待它们执行完毕。最后，它输出线程列表中第一个元素的count变量值。

由于AtomicInteger类确保了多个线程同时访问共享变量时的原子性，因此该程序可以保证count变量的值在多线程环境下是正确的。

下面是一个使用volatile关键字解决有序性问题的示例程序：

class OrderingSolution : Thread() {
    @Volatile private var ready: Boolean = false
    private var number: Int = 0
​
    override fun run() {
        number = 42
        ready = true
    }
​
    fun printNumber() {
        while (!ready) {
            Thread.sleep(1)
        }
        println("number = $number")
    }
}
​
fun main() {
    val thread = OrderingSolution()
    thread.start()
    thread.printNumber()
}

该程序定义了一个继承自Thread类的OrderingSolution类，该类包含一个使用volatile关键字修饰的Boolean类型的ready变量和一个Int类型的number变量。在run()方法中，number被赋值为42，然后ready被设置为true。在printNumber()方法中，程序循环检查ready变量是否为true，如果为true，则输出number变量的值。

使用volatile关键字可以解决多线程环境下的有序性问题。在该示例程序中，ready变量使用volatile关键字修饰，这意味着当一个线程修改了该变量的值时，其他线程可以立即看到这个变化。在printNumber()方法中，程序会循环检查ready变量的值，确保在读取number变量的值之前ready已经被设置为true。

使用volatile关键字可以保证在多线程环境下，变量的读取和写入操作是有序的，因此可以避免由于指令重排等原因导致的有序性问题。

多线程工具包

0. Executor框架：Executor框架是Java多线程编程的核心框架之一，提供了线程池的管理和任务调度等功能，可以方便地管理和控制多线程任务的执行。
1. Lock框架：Lock框架是Java多线程编程中用于实现锁机制的核心框架之一，提供了比synchronized更加灵活和精细的锁机制，支持可重入锁、读写锁、公平锁、非公平锁等。
2. CountDownLatch：CountDownLatch是Java多线程编程中用于线程同步的工具类之一，可以用来等待一个或多个线程完成任务后再继续执行。
3. CyclicBarrier：CyclicBarrier是Java多线程编程中用于线程同步的工具类之一，可以用来等待多个线程都达到某个状态后再继续执行。
4. Semaphore：Semaphore是Java多线程编程中用于控制并发访问的工具类之一，可以用来限制同时访问某个共享资源的线程数量。
5. BlockingQueue：BlockingQueue是Java多线程编程中用于线程间通信的工具类之一，可以用来实现生产者消费者模式。
6. Future和Callable：Future和Callable是Java多线程编程中用于异步计算的机制之一，可以用来提交一个任务，并返回一个Future对象，用来获取任务执行的结果。