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并发编程（二）更新于2023年11月05日02点58分。
并发编程
1.概览
1.1.总体路线
1.2.预备知识
1.2.1.pom.xml依赖如下
<properties>
<project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
<maven.compiler.source>1.8</maven.compiler.source>
<maven.compiler.target>1.8</maven.compiler.target>
</properties>
<dependencies>
<dependency>
<groupId>junit</groupId>
<artifactId>junit</artifactId>
<version>4.11</version>
<scope>test</scope>
</dependency>
<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.projectlombok/lombok -->
<dependency>
<groupId>org.projectlombok</groupId>
<artifactId>lombok</artifactId>
<version>1.18.22</version>
<scope>provided</scope>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.slf4j</groupId>
<artifactId>slf4j-api</artifactId>
<version>1.7.22</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>ch.qos.logback</groupId>
<artifactId>logback-classic</artifactId>
<version>1.2.3</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.junit.jupiter</groupId>
<artifactId>junit-jupiter</artifactId>
<version>RELEASE</version>
<scope>compile</scope>
</dependency>
</dependencies>
1.2.2.logback.xml 配置如下：
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<configuration scan="true">
<appender name="STDOUT" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender">
<encoder>
<pattern>%date{HH:mm:ss} [%t] %logger - %m%n</pattern>
</encoder>
</appender>
<logger name="c" level="debug" additivity="false">
<appender-ref ref="STDOUT"/>
</logger>
<root level="ERROR">
<appender-ref ref="STDOUT"/>
</root>
</configuration>
2.进程与线程
2.1. 进程与线程
进程
- 程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至 CPU，数据加载至内存。在 指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的 。
- 当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程。
- 进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本、画图、浏览器 等），也有的程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐、360 安全卫士等）
线程
- 一个进程之内可以分为一到多个线程。
- 一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行
- Java 中，线程作为最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。 在 windows 中进程是不活动的，只是作 为线程的容器
二者对比
- 进程基本上相互独立的，而线程存在于进程内，是进程的一个子集
- 进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享
-
进程间通信较为复杂
- 同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）
- 不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP
-
线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量
- 线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低
2.2.并行与并发
单核cpu下，线程实际还是串行执行的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 cpu 的时间片（windows 下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于 cpu 在线程间（时间片很短）的切换非常快，人类感觉是同时运行的 。总结为一句话就是： 微观串行，宏观并行 。
一般会将这种线程轮流使用 CPU 的做法称为并发， concurrent
| CPU | 时间片 1 | 时间片 2 | 时间片 3 | 时间片 4 |
|---|---|---|---|---|
| core | 线程 1 | 线程 2 | 线程 3 | 线程 4 |
多核 cpu下，每个 核（core） 都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的。
| CPU | 时间片 1 | 时间片 2 | 时间片 3 | 时间片 4 |
|---|---|---|---|---|
| core1 | 线程 1 | 线程 2 | 线程 3 | 线程 4 |
| core2 | 线程 4 | 线程 4 | 线程 2 | 线程 2 |
引用 Rob Pike 的一段描述：
- 并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力 。
- 并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力。
例子
- 家庭主妇做饭、打扫卫生、给孩子喂奶，她一个人轮流交替做这多件事，这时就是并发
- 雇了3个保姆，一个专做饭、一个专打扫卫生、一个专喂奶，互不干扰，这时是并行
- 家庭主妇雇了个保姆，她们一起这些事，这时既有并发，也有并行（这时会产生竞争，例如锅只有一口，一 个人用锅时，另一个人就得等待）
2.3. 同步与异步概念
以调用方角度来讲，如果
- 需要等待结果返回，才能继续运行就是同步
- 不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步
案例
充分利用多核 cpu 的优势，提高运行效率。想象下面的场景，执行 3 个计算，最后将计算结果汇总。
计算 1 花费 10 ms
计算 2 花费 11 ms
计算 3 花费 9 ms
汇总需要 1 ms
- 如果是串行执行，那么总共花费的时间是 10 + 11 + 9 + 1 = 31ms
- 但如果是四核 cpu，各个核心分别使用线程 1 执行计算 1，线程 2 执行计算 2，线程 3 执行计算 3，那么 3 个 线程是并行的，花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间，即 11ms 最后加上汇总时间只会花费 12ms
注意：
需要在多核 cpu 才能提高效率，单核仍然时是轮流执行
结论
-
单核 cpu 下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用 cpu ，不至于一个线程总占用 cpu，别的线程没法干活
-
多核 cpu 可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的
- 有些任务，经过精心设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率。但不是所有计算任 务都能拆分（参考后文的【阿姆达尔定律】）
- 也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义
-
IO 操作不占用 cpu，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO】，这时相当于线程虽然不用 cpu，但需要一 直等待 IO 结束，没能充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞 IO】和【异步 IO】优化。
3.Java 线程
3.1. 创建和运行线程
方法一，直接使用 Thread
// 创建线程对象
Thread t = new Thread() {
public void run() {
// 要执行的任务
}
};
// 启动线程
t.start();
例如：
// 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.start();
输出：
19:19:00 [t1] c.ThreadStarter - hello
方法二，使用 Runnable 配合 Thread
把【线程】和【任务】（要执行的代码）分开
- Thread 代表线程
- Runnable 可运行的任务（线程要执行的代码）
Runnable runnable = new Runnable() {
public void run(){
// 要执行的任务
}
};
// 创建线程对象
Thread t = new Thread( runnable );
// 启动线程
t.start();
例如：
// 创建任务对象
Runnable task2 = new Runnable() {
@Override
public void run() {
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();
输出：
9:19:00 [t2] c.ThreadStarter - hello
Java 8 以后可以使用 lambda 精简代码
// 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();
Thread 与 Runnable 的关系
分析 Thread 的源码，理清它与 Runnable 的关系
//Runnable源码
public interface Runnable {
public abstract void run();
}
//Thread源码（部分）
public class Thread implements Runnable {
/* What will be run. */
private Runnable target;
public Thread(Runnable target) {
init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
}
private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
long stackSize, AccessControlContext acc,
boolean inheritThreadLocals) {
//...
this.target = target;
//...
}
@Override
public void run() {
if (target != null) {
target.run();
}
}
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
方法三，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();
// 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
Integer result = task3.get();
log.debug("结果是:{}", result);
输出
19:22:27 [t3] c.ThreadStarter - hello
19:22:27 [main] c.ThreadStarter - 结果是:100
源码分析
//FutureTask源码（部分）
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
/** The underlying callable; nulled out after running */
private Callable<V> callable;
/** The result to return or exception to throw from get() */
private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes
public FutureTask(Callable<V> callable) {
if (callable == null)
throw new NullPointerException();
this.callable = callable;
this.state = NEW; // ensure visibility of callable
}
public void run() {
//...
try {
Callable<V> c = callable;
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
setException(ex);
}
if (ran)
set(result);
}
}
//...
}
protected void set(V v) {
if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
outcome = v;
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
finishCompletion();
}
}
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
s = awaitDone(false, 0L);
return report(s);
}
private V report(int s) throws ExecutionException {
Object x = outcome;
if (s == NORMAL)
return (V)x;
if (s >= CANCELLED)
throw new CancellationException();
throw new ExecutionException((Throwable)x);
}
}
//Callable源码
@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
/**
* Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
*
* @return computed result
* @throws Exception if unable to compute a result
*/
V call() throws Exception;
}
说明：
- FutureTask内置了一个Callable对象，初始化方法将指定的Callable赋给这个对象。
- FutureTask实现了Runnable接口，并重写了Run方法，在Run方法中调用了Callable中的call方法，并将返回值赋值给outcome变量
- get方法就是取出outcome的值。
Future提供了三种功能：
- 判断任务是否完成；
- 能够中断任务；
- 能够获取任务执行结果
public interface Future<V> {
// 取消任务
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
// 获取任务执行结果
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
// 获取任务执行结果，带有超时时间限制
V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
// 判断任务是否已经取消
boolean isCancelled();
// 判断任务是否已经结束
boolean isDone();
}
3.2. 观察多个线程同时运行
主要是理解
- 交替执行
- 谁先谁后，不由我们控制
示例代码
@Slf4j(topic = "c.TestMultiThread")
public class TestMultiThread {
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
while(true) {
log.debug("running");
}
},"t1").start();
new Thread(() -> {
while(true) {
log.debug("running");
}
},"t2").start();
}
}
运行结果：
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t2] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t2] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t2] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t2] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t1] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t1] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t1] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t1] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t1] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t1] - running
3.3. 查看进程线程的方法
windows
-
任务管理器可以查看进程和线程数，也可以用来杀死进程
-
tasklist 查看进程
tasklist|findstr(查找关键字)
-
taskkill 杀死进程
- taskkill /F(彻底杀死）/PID(进程PID)
Linux
- ps -fe 查看所有进程
- ps -fe | grep java 查看Java进程
- ps -fT -p 查看某个进程（PID）的所有线程
- kill 杀死进程 kill 4262
- top -H -p 查看某个进程（PID）的所有线程
Java
- jps 命令查看所有 Java 进程
- jstack 4262 jstack 查看某个 Java 进程（PID）那一刻的所有线程状态信息
- jconsole 来查看某个 Java 进程中线程的运行情况（图形界面）
jconsole 远程监控配置
-
需要以如下方式运行你的 java 类
java -Djava.rmi.server.hostname=`ip地址` -Dcom.sun.management.jmxremote -Dcom.sun.management.jmxremote.port=`连接端口` -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=是否安全连接（true/false） -Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=是否认证(true/false) java类 -
关闭防火墙，允许端口
-
修改 /etc/hosts 文件将 127.0.0.1 映射至主机名
如果要认证访问，还需要做如下步骤
- 复制 jmxremote.password 文件
- 修改 jmxremote.password 和 jmxremote.access 文件的权限为 600 即文件所有者可读写
- 连接时填入 controlRole（用户名），R&D（密码）
3.4. 原理之线程运行
栈与栈帧
Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈）
我们都知道 JVM 中由堆、栈（先进后出）、方法区所组成，其中栈内存是给谁用的呢？其实就是线程，每个线程启动后，虚拟 机就会为其分配一块栈内存。
- 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
- 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法
method2执行完，栈内存就释放
图形化界面解释线程运行原理
线程上下文切换（Thread Context Switch）
因为以下一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码
- 线程的 cpu 时间片用完
- 垃圾回收
- 有更高优先级的线程需要运行
- 线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法
当 Context Switch 发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应的概念 就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条 jvm 指令的执行地址，是线程私有的
- 状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等
- Context Switch 频繁发生会影响性能（线程数不是越多越好，频繁的切换影响性能）
3.5.常见方法
| 方法 | 功能说明 | 注意 |
|---|---|---|
| public void start() | 启动一个新线程；Java虚拟机调用此线程的run方法 | start 方法只是让线程进入就绪，里面代码不一定立刻 运行（CPU 的时间片还没分给它）。每个线程对象的 start方法只能调用一次，如果调用了多次会出现 IllegalThreadStateException |
| public void run() | 线程启动后调用该方法 | 如果在构造 Thread 对象时传递了 Runnable 参数，则 线程启动后会调用 Runnable 中的 run 方法，否则默 认不执行任何操作。但可以创建 Thread 的子类对象， 来覆盖默认行为 |
| public void setName(String name) | 给当前线程取名字 | |
| public void getName() | 获取当前线程的名字。线程存在默认名称：子线程是Thread-索引，主线程是main | |
| public static Thread currentThread() | 获取当前线程对象，代码在哪个线程中执行 | |
| public static void sleep(long time) | 让当前线程休眠多少毫秒再继续执行。Thread.sleep(0) : 让操作系统立刻重新进行一次cpu竞争 | |
| public static native void yield() | 提示线程调度器让出当前线程对CPU的使用 | 主要是为了测试和调试 |
| public final int getPriority() | 返回此线程的优先级 | |
| public final void setPriority(int priority) | 更改此线程的优先级，常用1 5 10 | java中规定线程优先级是1~10 的整数，较大的优先级 能提高该线程被 CPU 调度的机率 |
| public void interrupt() | 中断这个线程，异常处理机制 | |
| public static boolean interrupted() | 判断当前线程是否被打断，清除打断标记 | 会清除打断标记 |
| public boolean isInterrupted() | 判断当前线程是否被打断，不清除打断标记 | |
| public final void join() | 等待这个线程结束 | |
| public final void join(long millis) | 等待这个线程结束，最多等待 millis毫秒，0意味着永远等待 | |
| public final native boolean isAlive() | 线程是否存活（还没有运行完毕） | |
| public final void setDaemon(boolean on) | 将此线程标记为守护线程或用户线程 | |
| public long getId() | 获取线程长整型 的 id | id 唯一 |
| public state getState() | 获取线程状态 | Java 中线程状态是用 6 个 enum 表示，分别为： NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED |
| public boolean isInterrupted() | 判断是否被打 断 | 不会清除 打断标记 |
3.6. start 与 run
调用 run
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread("t1") {
@Override
public void run() {
log.debug(Thread.currentThread().getName());
FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH);
}
};
t1.run();
log.debug("do other things ...");
}
输出
19:39:14 [main] c.TestStart - main
19:39:14 [main] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
19:39:18 [main] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4227 ms
19:39:18 [main] c.TestStart - do other things ...
程序仍在 main 线程运行， FileReader.read() 方法调用还是同步的
调用start
将上述代码的 t1.run() 改为
t1.start();
输出
19:41:30 [main] c.TestStart - do other things ...
19:41:30 [t1] c.TestStart - t1
19:41:30 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
19:41:35 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4542 ms
程序在 t1 线程运行， FileReader.read() 方法调用是异步的
小结
-
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
public static void main(String[] args) { Thread t1 = new Thread("t1") { @Override public void run() { log.debug("running..."); } }; System.out.println(t1.getState()); t1.start(); System.out.println(t1.getState()); }可以看见，start方法创建了一个新线程，将线程从就绪状态切换为Runnable
NEW RUNNABLE 03:45:12.255 c.Test5 [t1] - running...
3.7. 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
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread("t1") { @Override public void run() { log.debug("enter sleep..."); try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { log.debug("wake up..."); e.printStackTrace(); } } }; t1.start(); Thread.sleep(1000); log.debug("interrupt..."); t1.interrupt(); }输出结果：
03:47:18.141 c.Test7 [t1] - enter sleep... 03:47:19.132 c.Test7 [main] - interrupt... 03:47:19.132 c.Test7 [t1] - wake up... java.lang.InterruptedException: sleep interrupted at java.lang.Thread.sleep(Native Method) at cn.itcast.test.Test7$1.run(Test7.java:14) -
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 。其底层还是sleep方法。
@Slf4j(topic = "c.Test8") public class Test8 { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { log.debug("enter"); TimeUnit.SECONDS.sleep(1); log.debug("end"); // Thread.sleep(1000); } } -
在循环访问锁的过程中，可以加入sleep让线程阻塞时间，防止大量占用cpu资源。
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
sleep 与 yield区别：
- Runnable 就绪状态有机会被任务调度器调度的
3.8.线程优先级
- 线程优先级（1～10），最小的是1，最大的是10，默认的是5，数字越大优先级越高
- 线程优先级大会提示（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
3.9.测试优先级和yield
@Slf4j(topic = "c.TestYield")
public class TestYield {
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(); //让出时间片
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();
}
}
测试结果：
#优先级
---->1 283500
---->2 374389
#yield
---->1 119199
---->2 101074
可以看出，线程优先级和yield会对线程获取cpu时间片产生一定影响，但不会影响太大。
3.10.案例-防止CPU占用100%
sleep 实现
在没有利用 cpu 来计算时，不要让 while(true) 空转浪费 cpu，这时可以使用 yield 或 sleep 来让出 cpu 的使用权 给其他程序
while(true) {
try {
Thread.sleep(50);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
- 可以用 wait 或 条件变量达到类似的效果
- 不同的是，后两种(wait 或 条件变量)都需要加锁，并且需要相应的唤醒操作，一般适用于要进行同步的场景
- sleep 适用于无需锁同步的场景
wait 实现
synchronized(锁对象) {
while(条件不满足) {
try {
锁对象.wait();
} catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// do sth...
}
条件变量实现
lock.lock();
try {
while(条件不满足) {
try {
条件变量.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// do sth...
} finally {
lock.unlock();
}
3.11. join 方法详解
为什么需要 join
下面的代码执行，打印 r 是什么？
static int r = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test1();
}
private static void test1() throws InterruptedException {
log.debug("开始");
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("开始");
sleep(1);
log.debug("结束");
r = 10;
});
t1.start();
log.debug("结果为:{}", r);
log.debug("结束");
}
分析
- 因为主线程和线程 t1 是并行执行的，t1 线程需要 1 秒之后才能算出 r=10
- 而主线程一开始就要打印 r 的结果，所以只能打印出 r=0
解决方法
- 用 sleep 行不行？不行，为什么？ 因为时间上不好判断，不知道要等多久才可以
- 用 join，加在 t1.start() 之后即可，如下：
static int r = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test1();
}
private static void test1() throws InterruptedException {
log.debug("开始");
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("开始");
sleep(1);
log.debug("结束");
r = 10;
});
t1.start();
t1.join(); //添加join()
log.debug("结果为:{}", r);
log.debug("结束");
}
输出：
结果为:10
等待多个结果
问，下面代码 cost 大约多少秒？
static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test2();
}
private static void test2() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
sleep(1);
r1 = 10;
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
sleep(2);
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);
}
分析如下
- 第一个 join：等待 t1 时, t2 并没有停止, 而在运行
- 第二个 join：1s 后, 执行到此, t2 也运行了 1s, 因此也只需再等待 1s
如果颠倒两个 join 呢？
最终都是输出:2s
20:45:43.239 [main] c.TestJoin - r1: 10 r2: 20 cost: 2005ms
有时效的join. --->【join(long n)】
当线程执行时间没有超过join设定时间
static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test3();
}
public static void test3() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
sleep(1);
r1 = 10;
});
long start = System.currentTimeMillis();
t1.start();
// 线程执行结束会导致 join提前结束
t1.join(1500);
long end = System.currentTimeMillis();
log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}
输出
20:48:01.320 [main] c.TestJoin - r1: 10 r2: 0 cost: 1010
当执行时间超时
static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test3();
}
public static void test3() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
sleep(2);
r1 = 10;
});
long start = System.currentTimeMillis();
t1.start();
t1.join(1500);
long end = System.currentTimeMillis();
log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}
输出
20:52:15.623 [main] c.TestJoin - r1: 0 r2: 0 cost: 1502
3.12. interrupt方法详解
Interrupt说明
interrupt的本质是将线程的打断标记设为true，并调用线程的三个parker对象（C++实现级别）unpark该线程。
基于以上本质，有如下说明：
-
打断线程不等于中断线程，有以下两种情况：
- 打断正在运行中的线程并不会影响线程的运行，但如果线程监测到了打断标记为true，可以自行决定后续处理。
- 打断阻塞中的线程会让此线程产生一个
InterruptedException异常，结束线程的运行。但如果该异常被线程捕获住，该线程依然可以自行决定后续处理（终止运行，继续运行，做一些善后工作等等）
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，打断标记为假false（wait,join都是），以 sleep 为例
private static void test1() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(()->{
sleep(1);
}, "t1");
t1.start();
sleep(0.5);
t1.interrupt();//打断
log.debug(" 打断状态: {}", t1.isInterrupted());
}
输出
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
at java.lang.Thread.sleep(Thread.java:340)
at java.util.concurrent.TimeUnit.sleep(TimeUnit.java:386)
at cn.itcast.n2.util.Sleeper.sleep(Sleeper.java:8)
at cn.itcast.n4.TestInterrupt.lambda$test1$3(TestInterrupt.java:59)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
21:18:10.374 [main] c.TestInterrupt - 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
private static void test2() throws InterruptedException {
Thread t2 = new Thread(()->{
while(true) {
Thread current = Thread.currentThread();
boolean interrupted = current.isInterrupted();
if(interrupted) {//获取打断标记，是true就推出循环，线程结束
log.debug(" 打断状态: {}", interrupted);
break;
}
}
}, "t2");
t2.start();
sleep(0.5);
t2.interrupt();
}
输出
20:57:37.964 [t2] c.TestInterrupt - 打断状态: true
3.13.模式之两阶段终止
说明：
Two Phase Termination 在一个线程 T1 中如何“优雅”终止线程 T2？这里的【优雅】指的是给 T2 一个料理后事的机会。
错误思路
-
使用线程对象的 stop() (废弃)方法停止线程
- stop 方法会真正杀死线程，如果这时线程锁住了共享资源，那么当它被杀死后就再也没有机会释放锁， 其它线程将永远无法获取锁
-
使用 System.exit(int) 方法停止线程
- 目的仅是停止一个线程，但这种做法会让整个程序都停止
两阶段终止模式
利用 isInterrupted判断是否被打断
interrupt 可以打断正在执行的线程，无论这个线程是在 sleep，wait，还是正常运行
class TwoPhaseTermination {
private Thread monitor;
public void start(){
monitor = new Thread(() -> {
while(true) {
Thread current = Thread.currentThread();
if(current.isInterrupted()) {
log.debug("料理后事");
break;
}
try {
Thread.sleep(1000);
log.debug("执行监控记录");
} catch (InterruptedException e) {
current.interrupt();//打断 这个是这个代码的灵魂所在 没有这个代码，就会一直死循环
}
// 执行监控操作
}
},"监控线程");
monitor.start();
}
public void stop() {
monitor.interrupt();//打断
}
}
调用
TwoPhaseTermination t = new TwoPhaseTermination();
t.start();
Thread.sleep(3500);
log.debug("stop");
t.stop();
结果
11:49:42.915 c.TwoPhaseTermination [监控线程] - 执行监控记录
11:49:43.919 c.TwoPhaseTermination [监控线程] - 执行监控记录
11:49:44.919 c.TwoPhaseTermination [监控线程] - 执行监控记录
11:49:45.413 c.TestTwoPhaseTermination [main] - stop
11:49:45.413 c.TwoPhaseTermination [监控线程] - 料理后事
注意
isInterrupted()不会清除打断标记，interrupted()会清楚打断标记（false）
利用停止标记
// 停止标记用 volatile 是为了保证该变量在多个线程之间的可见性
// 我们的例子中，即主线程把它修改为 true 对 t1 线程可见
class TPTVolatile {
private Thread thread;
private volatile boolean stop = false;
public void start(){
thread = new Thread(() -> {
while(true) {
Thread current = Thread.currentThread();
if(stop) {
log.debug("料理后事");
break;
}
try {
Thread.sleep(1000);
log.debug("将结果保存");
} catch (InterruptedException e) {
}
// 执行监控操作
}
},"监控线程");
thread.start();
}
public void stop() {
stop = true;
thread.interrupt();
}
}
调用
TPTVolatile t = new TPTVolatile();
t.start();
Thread.sleep(3500);
log.debug("stop");
t.stop();
结果
11:54:52.003 c.TPTVolatile [监控线程] - 将结果保存
11:54:53.006 c.TPTVolatile [监控线程] - 将结果保存
11:54:54.007 c.TPTVolatile [监控线程] - 将结果保存
11:54:54.502 c.TestTwoPhaseTermination [main] - stop
11:54:54.502 c.TPTVolatile [监控线程] - 料理后事
3.14.打断 park 线程
打断 park 线程, 不会清空打断状态
private static void test3() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("park...");
LockSupport.park();
log.debug("unpark...");
log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
}, "t1");
t1.start();
sleep(0.5);
t1.interrupt();// 如果没有这行代码，那么 只会执行到 【log.debug("park...");】这一行
}
输出
21:11:52.795 [t1] c.TestInterrupt - park...
21:11:53.295 [t1] c.TestInterrupt - unpark...
21:11:53.295 [t1] c.TestInterrupt - 打断状态：true
如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效,只有第一次的park是好用的
private static void test4() {
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();
sleep(1);
t1.interrupt();
}
输出
21:13:48.783 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.809 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true
21:13:49.812 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true
提示
可以使用 Thread.interrupted() 清除打断状态
3.15. 不推荐的方法
还有一些不推荐使用的方法，这些方法已过时，容易破坏同步代码块，造成线程死锁
| 方法名 | static | 功能说明 |
|---|---|---|
| stop() | 停止线程运行，推荐使用interrupt() | |
| suspend() | 挂起（暂停）线程运行，推荐使用wait() | |
| resume() | 恢复线程运行 |
3.16. 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。
例:
log.debug("开始运行...");
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("开始运行...");
sleep(2);
log.debug("运行结束...");
}, "daemon");
// 设置该线程为守护线程,默认非守护线程
t1.setDaemon(true);
t1.start();
sleep(1);
log.debug("运行结束...");
输出：
08:26:38.123 [main] c.TestDaemon - 开始运行...
08:26:38.213 [daemon] c.TestDaemon - 开始运行...
08:26:39.215 [main] c.TestDaemon - 运行结束...
注意
- 垃圾回收器线程就是一种守护线程
- Tomcat 中的 Acceptor 和 Poller 线程都是守护线程，所以 Tomcat 接收到 shutdown 命令后，不会等待它们处理完当前请求
3.17. 五种状态
这是从 操作系统 层面来描述的
-
【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
3.18. 六种状态
这是从 Java API 层面来描述的
根据 Thread.State 枚举，分为六种状态:NEW（初始状态）、RUNNABLE（【可运行状态】、【运行状态】和【阻塞状态】）、BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING、TERMINATED（终止状态）
- 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
例子：
public static void main(String[] args) throws IOException {
Thread t1 = new Thread("t1") {
@Override
public void run() {
log.debug("running...");
}
};
Thread t2 = new Thread("t2") {
@Override
public void run() {
while(true) { // runnable
}
}
};
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 (TestState.class) {
try {
Thread.sleep(1000000); // timed_waiting
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
};
t4.start();
Thread t5 = new Thread("t5") {
@Override
public void run() {
try {
t2.join(); // waiting
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
t5.start();
Thread t6 = new Thread("t6") {
@Override
public void run() {
synchronized (TestState.class) { // blocked
try {
Thread.sleep(1000000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
};
t6.start();
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug("t1 state {}", t1.getState());
log.debug("t2 state {}", t2.getState());
log.debug("t3 state {}", t3.getState());
log.debug("t4 state {}", t4.getState());
log.debug("t5 state {}", t5.getState());
log.debug("t6 state {}", t6.getState());
System.in.read();
}
输入结果：
running...
t1 state {}NEW
t2 state {}RUNNABLE
t3 state {}TERMINATED
t4 state {}TIMED_WAITING
t5 state {}WAITING
t6 state {}BLOCKED
3.19. 习题
阅读华罗庚《统筹方法》，给出烧水泡茶的多线程解决方案，提示
-
参考图二，用两个线程（两个人协作）模拟烧水泡茶过程
- 文中办法乙、丙都相当于任务串行
- 而图一相当于启动了 4 个线程，有点浪费
-
用 sleep(n) 模拟洗茶壶、洗水壶等耗费的时间
附：华罗庚《统筹方法》
统筹方法，是一种安排工作进程的数学方法。它的实用范围极广泛，在企业管理和基本建设中，以及关系复杂的科研项目的组织与管理中，都可以应用。怎样应用呢？主要是把工序安排好。 比如，想泡壶茶喝。当时的情况是：开水没有；水壶要洗，茶壶、茶杯要洗；火已生了，茶叶也有了。怎么 办？
-
办法甲：洗好水壶，灌上凉水，放在火上；在等待水开的时间里，洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶；等水开
了，泡茶喝。
-
办法乙：先做好一些准备工作，洗水壶，洗茶壶茶杯，拿茶叶；一切就绪，灌水烧水；坐待水开了，泡
茶喝。
-
办法丙：洗净水壶，灌上凉水，放在火上，坐待水开；水开了之后，急急忙忙找茶叶，洗茶壶茶杯，泡
茶喝。
哪一种办法省时间？我们能一眼看出，第一种办法好，后两种办法都窝了工。 这是小事，但这是引子，可以引出生产管理等方面有用的方法来。 水壶不洗，不能烧开水，因而洗水壶是烧开水的前提。没开水、没茶叶、不洗茶壶茶杯，就不能泡茶，因而 这些又是泡茶的前提。它们的相互关系，可以用下边的箭头图来表示：
从这个图上可以一眼看出，办法甲总共要16分钟（而办法乙、丙需要20分钟）。如果要缩短工时、提高工作效率，应当主要抓烧开水这个环节，而不是抓拿茶叶等环节。同时，洗茶壶茶杯、拿茶叶总共不过4分钟，大可利用“等水开”的时间来做。是的，这好像是废话，卑之无甚高论。有如走路要用两条腿走，吃饭要一口一口吃，这些道理谁都懂得。但稍有变化，临事而迷的情况，常常是存在的。在近代工业的错综复杂的工艺过程中，往往就不是像泡茶喝这么简单了。任务多了，几百几千，甚至有好几万个任务。关系多了，错综复杂，千头万绪，往往出现“万事俱备，只欠东风”的情况。由于一两个零件没完成，耽误了一台复杂机器的出厂时间。或往往因为抓的不是关键，连夜三班，急急忙忙，完成这一环节之后，还得等待旁的环节才能装配。洗茶壶，洗茶杯，拿茶叶，或先或后，关系不大，而且同是一个人的活儿，因而可以合并成为：
看来这是“小题大做”，但在工作环节太多的时候，这样做就非常必要了。这里讲的主要是时间方面的事，但在具体生产实践中，还有其他方面的许多事。这种方法虽然不一定能直接解决所有问题，但是，我们利用这种方法来考虑问题，也是不无裨益的。
应用之统筹（烧水泡茶）
解法1：join
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("洗水壶");
sleep(1);
log.debug("烧开水");
sleep(15);
}, "老王");
Thread t2 = new Thread(() -> {
log.debug("洗茶壶");
sleep(1);
log.debug("洗茶杯");
sleep(2);
log.debug("拿茶叶");
sleep(1);
try {
t1.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug("泡茶");
}, "小王");
t1.start();
t2.start();
输出
19:19:37.547 [小王] c.TestMakeTea - 洗茶壶
19:19:37.547 [老王] c.TestMakeTea - 洗水壶
19:19:38.552 [小王] c.TestMakeTea - 洗茶杯
19:19:38.552 [老王] c.TestMakeTea - 烧开水
19:19:40.553 [小王] c.TestMakeTea - 拿茶叶
19:19:53.553 [小王] c.TestMakeTea - 泡茶
解法1 的缺陷：
- 上面模拟的是小王等老王的水烧开了，小王泡茶，如果反过来要实现老王等小王的茶叶拿来了，老王泡茶 呢？代码最好能适应两种情况
- 上面的两个线程其实是各执行各的，如果要模拟老王把水壶交给小王泡茶，或模拟小王把茶叶交给老王泡茶 呢
解法2：wait/notify
class S2 {
static String kettle = "冷水";
static String tea = null;
static final Object lock = new Object();
static boolean maked = false;
public static void makeTea() {
new Thread(() -> {
log.debug("洗水壶");
sleep(1);
log.debug("烧开水");
sleep(5);
synchronized (lock) {
kettle = "开水";
lock.notifyAll();
while (tea == null) {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (!maked) {
log.debug("拿({})泡({})", kettle, tea);
maked = true;
}
}
}, "老王").start();
new Thread(() -> {
log.debug("洗茶壶");
sleep(1);
log.debug("洗茶杯");
sleep(2);
log.debug("拿茶叶");
sleep(1);
synchronized (lock) {
tea = "花茶";
lock.notifyAll();
while (kettle.equals("冷水")) {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (!maked) {
log.debug("拿({})泡({})", kettle, tea);
maked = true;
}
}
}, "小王").start();
}
}
输出
20:04:48.179 c.S2 [小王] - 洗茶壶
20:04:48.179 c.S2 [老王] - 洗水壶
20:04:49.185 c.S2 [老王] - 烧开水
20:04:49.185 c.S2 [小王] - 洗茶杯
20:04:51.185 c.S2 [小王] - 拿茶叶
20:04:54.185 c.S2 [老王] - 拿(开水)泡(花茶)
解法2 解决了解法1 的问题，不过老王和小王需要相互等待，不如他们只负责各自的任务，泡茶交给第三人来做
class S3 {
static String kettle = "冷水";
static String tea = null;
static final Object lock = new Object();
public static void makeTea() {
new Thread(() -> {
log.debug("洗水壶");
sleep(1);
log.debug("烧开水");
sleep(5);
synchronized (lock) {
kettle = "开水";
lock.notifyAll();
}
}, "老王").start();
new Thread(() -> {
log.debug("洗茶壶");
sleep(1);
log.debug("洗茶杯");
sleep(2);
log.debug("拿茶叶");
sleep(1);
synchronized (lock) {
tea = "花茶";
lock.notifyAll();
}
}, "小王").start();
new Thread(() -> {
synchronized (lock) {
while (kettle.equals("冷水") || tea == null) {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("拿({})泡({})", kettle, tea);
}
}, "王夫人").start();
}
}
输出
20:13:18.202 c.S3 [小王] - 洗茶壶
20:13:18.202 c.S3 [老王] - 洗水壶
20:13:19.206 c.S3 [小王] - 洗茶杯
20:13:19.206 c.S3 [老王] - 烧开水
20:13:21.206 c.S3 [小王] - 拿茶叶
20:13:24.207 c.S3 [王夫人] - 拿(开水)泡(花茶)
3.20.本章小结
本章的重点在于掌握
-
线程创建
-
线程重要 api，如 start，run，sleep，join，interrupt 等
-
线程状态
-
应用方面
- 异步调用：主线程执行期间，其它线程异步执行耗时操作
- 提高效率：并行计算，缩短运算时间
- 同步等待：join
- 统筹规划：合理使用线程，得到最优效果
-
原理方面
- 线程运行流程：栈、栈帧、上下文切换、程序计数器
- Thread 两种创建方式 的源码
-
模式方面
- 终止模式之两阶段终止
4.共享模型之管程
4.1共享带来的问题
4.1.1.小故事
- 老王（操作系统）有一个功能强大的算盘（CPU），现在想把它租出去，赚一点外快
- 小南、小女（线程）来使用这个算盘来进行一些计算，并按照时间给老王支付费用
- 但小南不能一天24小时使用算盘，他经常要小憩一会（sleep），又或是去吃饭上厕所（阻塞 io 操作），有时还需要一根烟，没烟时思路全无（wait）这些情况统称为（阻塞）
- 在这些时候，算盘没利用起来（不能收钱了），老王觉得有点不划算
- 另外，小女也想用用算盘，如果总是小南占着算盘，让小女觉得不公平
- 于是，老王灵机一动，想了个办法 [ 让他们每人用一会，轮流使用算盘 ]
- 这样，当小南阻塞的时候，算盘可以分给小女使用，不会浪费，反之亦然
- 最近执行的计算比较复杂，需要存储一些中间结果，而学生们的脑容量（工作内存）不够，所以老王申请了一个笔记本（主存），把一些中间结果先记在本上
- 计算流程是这样的
- 但是由于分时系统，有一天还是发生了事故
- 小南刚读取了初始值 0 做了个 +1 运算，还没来得及写回结果
- 老王说 [ 小南，你的时间到了，该别人了，记住结果走吧 ]，于是小南念叨着 [ 结果是1，结果是1...] 不甘心地到一边待着去了（上下文切换）
- 老王说 [ 小女，该你了 ]，小女看到了笔记本上还写着 0 做了一个 -1 运算，将结果 -1 写入笔记本
- 这时小女的时间也用完了，老王又叫醒了小南：[小南，把你上次的题目算完吧]，小南将他脑海中的结果 1 写入了笔记本
- 小南和小女都觉得自己没做错，但笔记本里的结果是 1 而不是 0
4.1.2.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？
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
counter++;
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
counter--;
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("{}",counter);
}
4.1.3.问题分析
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
例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：
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
而对应 i-- 也是类似：
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：
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：
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：
4.1.4.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--;
}
4.1.5.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(线程安全问题)
4.2.synchronized 解决方案
4.2.1.应用之互斥
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
4.2.2.synchronized
语法
synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
{
临界区
}
解决上面例子代码线程安全问题，如下：
static int counter = 0;
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();
log.debug("{}",counter);
}
图示流程
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
用图表示或理解：
思考
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。
为了加深理解，请思考下面的问题
- 如果把 synchronized(obj) 放在 for 循环的外面，如何理解？-- 能保证原子性
- 如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会怎样运作？-- 锁对象 ，会有线程安全，要锁同一个对象
- 如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？-- 锁对象，会有线程安全
4.2.1.面向对象改进 (思想)
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;
}
}
}
@Slf4j
public class Test1 {
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());
}
}
4.3 synchronized加在方法上的
加在成员方法上（非static方法），锁的是this（ 当前实例，即锁住当前对象的this指针）对象，不是锁方法
class Test{
public synchronized void test() {
}
}
//等价于
class Test{
public void test() {
synchronized(this) {
}
}
}
加在static方法上，锁的是类对象
class Test{
public synchronized static void test() {
}
}
等价于
class Test{
public static void test() {
synchronized(Test.class) {
}
}
}
4.3.1.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）
4.3.2.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：要么先1后2 或 要么2后1 -----锁的是同一个对象，锁的this
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public synchronized void a() {
log.debug("1");
}
public synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}
情况2：要么先1s后1，要么先2， 1s后 1 ----------锁的是同一个对象，锁的this
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public synchronized void a() {
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}
情况3：3 1s 12 或 23 1s 1 或 32 1s 1 ----------锁的是同一个对象，锁的this
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public synchronized void a() {
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b() {
log.debug("2");
}
public void c() {
log.debug("3");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
new Thread(()->{ n1.c(); }).start();
}
情况4：2 1s 后 1 ----锁的不是同一个对象。a锁的是n1对象，b锁的是n2对象
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public synchronized void a() {
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
Number n2 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}
情况5：2 1s 后 1 ----a锁的是类对象（因为有static关键字），b锁的是n1对象
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public static synchronized void a() {
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}
情况6：1s 后12 ---- 或 2 1s后 1。锁的是同一个对象（因为有static关键字）
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public static synchronized void a() {
sleep(1);
log.debug("1");
}
public static synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}
情况7：2 1s 后 1 ---- a锁的是类对象，b锁的是this(n2)
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public static synchronized void a() {
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
Number n2 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}
情况8：1s 后12， 或 2 1s后 1 ---- a锁的是类对象，b锁的是类对象
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public static synchronized void a() {
sleep(1);
log.debug("1");
}
public static synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
Number n2 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}
4.4 变量的线程安全分析
4.4.1.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
4.4.2.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
4.4.3.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
public static void test1();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=0
0: bipush 10
2: istore_0
3: iinc 0, 1
6: return
LineNumberTable:
line 10: 0
line 11: 3
line 12: 6
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
3 4 0 i I
如图
局部变量的引用稍有不同
先看一个成员变量的例子
class ThreadUnsafe {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
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);
}
}
执行
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();
}
}
其中一种情况是，如果线程2 还未 add，线程1 remove 就会报错：
Exception in thread "Thread1" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0
at java.util.ArrayList.rangeCheck(ArrayList.java:657)
at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:496)
at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method3(TestThreadSafe.java:35)
at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method1(TestThreadSafe.java:26)
at cn.itcast.n6.TestThreadSafe.lambda$main$0(TestThreadSafe.java:14)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
分析：
- 无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量
- method3 与 method2 分析相同
将 list 修改为局部变量
class ThreadSafe {
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");
}
private void method3(ArrayList<String> list) {
list.remove(0);
}
}
那么就不会有上述问题了
分析：
- list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享
- 而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象
- method3 的参数分析与 method2 相同
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，
class ThreadSafe {
public final void method1(int loopNumber) {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
method2(list);
method3(list);
}
}
public 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();
}
}
从这个例子可以看出 private 或 final 提供【安全】的意义所在，请体会开闭原则中的【闭】
4.4.4.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
4.4.5.线程安全类方法的组合
分析下面代码是否线程安全？ get和put都是线程安全的
Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2
if( table.get("key") == null) {
table.put("key", value);
}
4.4.6.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？
public class Immutable{
private int value = 0;
public Immutable(int value){
this.value = value;
}
public int getValue(){
return this.value;
}
}
如果想增加一个增加的方法呢？
public class Immutable{
private int value = 0;
public Immutable(int value){
this.value = value;
}
public int getValue(){
return this.value;
}
public Immutable add(int v){
return new Immutable(this.value + v);
}
}
4.4.7.实例分析
例1：
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全？不是
Map<String,Object> map = new HashMap<>();
// 是否安全？是
String S1 = "...";
// 是否安全？是
final String S2 = "...";
// 是否安全？不是
Date D1 = new Date();
// 是否安全？不是。日期里面的属性是可以改变，只是D2的引用是不变的
final Date D2 = new Date();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
// 使用上述变量
}
}
例2：
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全？不是，因为Servlet是一份的，作为他的成员变量serServiceImpl()也是一份的，会有多个线程使用它（共享使用它）
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 记录调用次数
private int count = 0;
public void update() {
// ...
count++;
}
}
例3：
@Aspect
@Component
public class MyAspect {
// 是否安全？不是 因为MyAspect是单例的，使用环绕通知解决
private long start = 0L;
@Before("execution(* *(..))")
public void before() {
start = System.nanoTime();
}
@After("execution(* *(..))")
public void after() {
long end = System.nanoTime();
System.out.println("cost time:" + (end-start));
}
}
例4:
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全 是，因为userService是私有的
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 是否安全 是 没有成员变量，所以是线程安全的
private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
public void update() {
userDao.update();
}
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
public void update() {
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
// 是否安全 是，Connection属于方法内的局部变量
try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){
// ...
} catch (Exception e) {
// ...
}
}
}
例5:
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全 是
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 是否安全 是
private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
public void update() {
userDao.update();
}
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
// 是否安全 不是，Connection是成员变量。
private Connection conn = null;
public void update() throws SQLException {
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
conn = DriverManager.getConnection("","","");
// ...
conn.close();
}
}
例6：
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全 是
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
public void update() {
UserDao userDao = new UserDaoImpl();
userDao.update();
}
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
// 是否安全 是 因为UserDao 每次重新创建
private Connection = null;
public void update() throws SQLException {
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
conn = DriverManager.getConnection("","","");
// ...
conn.close();
}
}
例7:
public abstract class Test {
public void bar() {
// 是否安全 不是
SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
foo(sdf);
}
public abstract foo(SimpleDateFormat sdf);
public static void main(String[] args) {
new Test().bar();
}
}
其中 foo 的行为是不确定的，可能导致不安全的发生，被称之为外星方法
public void foo(SimpleDateFormat sdf) {
String dateStr = "1999-10-11 00:00:00";
for (int i = 0; i < 20; i++) {
new Thread(() -> {
try {
sdf.parse(dateStr);
} catch (ParseException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
请比较 JDK 中 String 类的实现
例8：
private static Integer i = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
List<Thread> list = new ArrayList<>();
for (int j = 0; j < 2; j++) {
Thread thread = new Thread(() -> {
for (int k = 0; k < 5000; k++) {
synchronized (i) {
i++;
}
}
}, "" + j);
list.add(thread);
}
list.stream().forEach(t -> t.start());
list.stream().forEach(t -> {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
log.debug("{}", i);
}
4.5 习题
4.5.1.卖票练习
测试下面代码是否存在线程安全问题，并尝试改正
- 将sell方法声明为synchronized即可
- 注意只将对count进行修改的一行代码用synchronized括起来也不行。对count大小的判断也必须是为原子操作的一部分，否则也会导致count值异常。
public class ExerciseSell {
public static void main(String[] args) {
TicketWindow ticketWindow = new TicketWindow(2000);
//所有线程的集合
List<Thread> list = new ArrayList<>();
// 用来存储卖出去多少张票
List<Integer> sellCount = new Vector<>();
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();
}
});
// 卖出去的票求和
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;
}
//在方法上加一个synchronized即可
public int sell(int amount) {
if (this.count >= amount) {
this.count -= amount;
return amount;
} else {
return 0;
}
}
}
另外，用下面的代码行不行，为什么？
- 不行，因为sellCount会被多个线程共享，必须使用线程安全的实现类。
List<Integer> sellCount = new ArrayList<>();
测试脚本
for /L %n in (1,1,10) do java -cp ".;C:\Users\manyh.m2\repository\ch\qos\logback\logbackclassic\1.2.3\logback-classic-1.2.3.jar;C:\Users\manyh.m2\repository\ch\qos\logback\logbackcore\1.2.3\logback-core-1.2.3.jar;C:\Users\manyh.m2\repository\org\slf4j\slf4japi\1.7.25\slf4j-api-1.7.25.jar" cn.itcast.n4.exercise.ExerciseSell
说明：
- 两段没有前后因果关系的临界区代码，只需要保证各自的原子性即可，不需要括起来。
4.5.2.转账练习
测试下面代码是否存在线程安全问题，并尝试改正
- 将transfer方法的方法体用同步代码块包裹，将当Account.class设为锁对象。
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) {
if (this.money > amount) {
this.setMoney(this.getMoney() - amount);
target.setMoney(target.getMoney() + amount);
}
}
}
这样改正行不行，为什么？
- 不行，因为不同线程调用此方法，将会锁住不同的对象
public synchronized void transfer(Account target, int amount) {
if (this.money > amount) {
this.setMoney(this.getMoney() - amount);
target.setMoney(target.getMoney() + amount);
}
}
正确改正方法(这个效率是不好的)
public void transfer(Account target, int amount) {
synchronized(Account.class){
if (this.money > amount) {
this.setMoney(this.getMoney() - amount);
target.setMoney(target.getMoney() + amount);
}
}
}
4.6 Monitor 概念
4.6.1.Java 对象头
以 32 位虚拟机为例
普通对象
|--------------------------------------------------------------|
| Object Header (64 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
| Mark Word (32 bits) | Klass Word (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
数组对象
|---------------------------------------------------------------------------------|
| Object Header (96 bits) |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
| Mark Word(32bits) | Klass Word(32bits) | array length(32bits) |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
其中 Mark Word 结构为
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| Mark Word (32 bits) | State |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| hashcode:25 | age:4 | biased_lock:0 | 01 | Normal |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|thread:23|epoch:2| age:4 | biased_lock:1 | 01 | Biased |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_lock_record:30 | 00 | Lightweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_heavyweight_monitor:30 | 10 | Heavyweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| | 11 | Marked for GC |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
64 位虚拟机 Mark Word
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| Mark Word (64 bits) | State |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01 | Normal |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| thread:54 | epoch:2 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01 | Biased |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_lock_record:62 | 00 | Lightweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_heavyweight_monitor:62 | 10 | Heavyweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| | 11 | Marked for GC |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
参考资料
4.6.2.原理之Monitor(锁)
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
4.6.3.原理之 synchronized
static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
synchronized (lock) {
counter++;
}
}
对应的字节码为
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: getstatic #2 // <- lock引用 （synchronized开始）
3: dup
4: astore_1 // lock引用 -> slot 1
5: monitorenter // 将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针
6: getstatic #3 // <- i
9: iconst_1 // 准备常数 1
10: iadd // +1
11: putstatic #3 // -> i
14: aload_1 // <- lock引用
15: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
16: goto 24
19: astore_2 // e -> slot 2
20: aload_1 // <- lock引用
21: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
22: aload_2 // <- slot 2 (e)
23: athrow // throw e
24: return
Exception table:
from to target type
6 16 19 any
19 22 19 any
LineNumberTable:
line 8: 0
line 9: 6
line 10: 14
line 11: 24
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 25 0 args [Ljava/lang/String;
StackMapTable: number_of_entries = 2
frame_type = 255 /* full_frame */
offset_delta = 19
locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/Object ]
stack = [ class java/lang/Throwable ]
frame_type = 250 /* chop */
offset_delta = 4
注意
方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现
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(JVM)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
4.6.4.原理之 synchronized 进阶
4.6.4.1.轻量级锁
轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。
轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized
假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁
static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
method2();
}
}
public static void method2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
}
}
-
创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的 Mark Word
-
让锁记录中 Object reference 指向锁对象，并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存 入锁记录
-
如果 cas 替换成功，对象头中存储了 锁记录地址和状态 00 ，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下
-
如果 cas 失败，有两种情况
- 如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程
- 如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数
-
当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重 入计数减一
-
当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用cas将Mark Word的值恢复给对象头
- 成功，则解锁成功
- 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程
4.6.4.2.锁膨胀
如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有 竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。
static Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块
}
}
- 当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
-
这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程
- 即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址
- 然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED
- 当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁 流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程
4.6.4.3.自旋优化
重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步 块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。
自旋(多核CPU)重试成功的情况
| 线程1 ( core 1上) | 对象Mark | 线程2 ( core 2上) |
|---|---|---|
| - | 10（重量锁） | - |
| 访问同步块，获取monitor | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 成功（加锁） | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 执行同步块 | 10(重量锁）重量锁指针 | 访问同步块，获取 monitor |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 执行完毕 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 成功（解锁） | 01（无锁） | 自旋重试 |
| - | 10（重量锁）重量锁指针 | 成功（加锁) |
| - | 10（重量锁）重量锁指针 | 执行同步块 |
| - | ... | ... |
自旋重试失败的情况
| 线程1 ( core 1上) | 对象Mark | 线程2( core 2上) |
|---|---|---|
| - | 10（重量锁） | - |
| 访问同步块，获取monitor | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 成功（加锁) | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 访问同步块，获取monitor |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 阻塞 |
| - | ... | ... |
- 自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
- 在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会 高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。
- Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能
4.6.4.4.偏向锁
轻量级锁（缺点）在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。
Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现 这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有
例如：
static final Object obj = new Object();
public static void m1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
m2();
}
}
public static void m2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
m3();
}
}
public static void m3() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 C
}
}
偏向状态
回忆一下对象头格式
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| Mark Word (64 bits) | State |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01 | Normal |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| thread:54 | epoch:2 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01 | Biased |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_lock_record:62 | 00 | Lightweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_heavyweight_monitor:62 | 10 | Heavyweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| | 11 | Marked for GC |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
一个对象创建时：
- 001代表正常状态的对象，101代表偏向锁，00代表轻量级锁，10代表1重量级锁
- 如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，markword 值为 0x05 即最后 3 位为 101，这时它的 thread、epoch、age 都为 0
- 偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数
- XX:BiasedLockingStartupDelay=0来禁用延迟 - 如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001，这时它的 hashcode、 age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值
1） 测试延迟特性
2） 测试偏向锁
class Dog {}
利用 jol 第三方工具来查看对象头信息（注意这里我扩展了 jol 让它输出更为简洁）
// 添加虚拟机参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
public static void main(String[] args) throws IOException {
Dog d = new Dog();
ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d);
new Thread(() -> {
log.debug("synchronized 前");
System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug("synchronized 中");
System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
}
log.debug("synchronized 后");
System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
}, "t1").start();
}
11:08:58.117 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 中。-----前面54位是线程ID
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 后。-----前面54位是线程ID
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101
注意
处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中
3）测试禁用
在上面测试代码运行时在添加 VM 参数 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁
输出
11:13:10.018 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 00010100 11110011 10001000 00代表轻量级锁
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
结论
在禁用偏向锁的时候，此时加锁的时，应用轻量级锁。解锁的时候，恢复正常状态。有偏向锁的时候，首先使用偏向锁
4）测试 hashCode
- 正常状态对象一开始是没有 hashCode 的，第一次调用才生成
撤销 - 调用对象 hashCode
调用了对象的 hashCode，但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode 会导致偏向锁被撤销
- 轻量级锁会存在线程栈帧的锁记录中记录 hashCode
- 重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode
在调用 hashCode 后使用偏向锁，记得去掉-XX:-UseBiasedLocking
输出
11:22:10.386 c.TestBiased [main] - 调用 hashCode:1778535015
11:22:10.391 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 11000011 11110011 01101000
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001
5）撤销 - 其它线程使用对象
当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁
private static void test2() throws InterruptedException {
Dog d = new Dog();
Thread t1 = new Thread(() -> {
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
synchronized (TestBiased.class) {
TestBiased.class.notify();
}
// 如果不用 wait/notify 使用 join 必须打开下面的注释
// 因为：t1 线程不能结束，否则底层线程可能被 jvm 重用作为 t2 线程，底层线程 id 是一样的
/*try {
System.in.read();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}*/
}, "t1");
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (TestBiased.class) {
try {
TestBiased.class.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}, "t2");
t2.start();
}
输出
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 可偏向状态
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101 偏向锁
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101 解锁偏向锁
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101 解锁偏向锁
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110101 11110000 01000000 原本偏向t1，t2此时也想用这个对象，这个时候偏向锁失效，进入轻量级锁
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 撤销偏向锁
偏向锁和轻量级锁需要两个线程加锁是先后的，否则就是重量级锁
6）撤销 - 调用 wait/notify--只有重量级锁有
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Dog d = new Dog();
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
try {
d.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}, "t1");
t1.start();
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(6000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (d) {
log.debug("notify");
d.notify();
}
}, "t2").start();
}
输出
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110011 11111000 00000101
[t2] - notify
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011100 11010100 00001101 11001010
