Java中的多線程你只要看這一篇就夠了

程序員大咖2018-12-11 13:33:33

Linux編程
點擊右側關注,免費入門到精通!


作者丨納達丶無忌
https://www.jianshu.com/p/40d4c7aebd66



如果對什麼是線程、什麼是進程仍存有疑惑,請先Google之,因為這兩個概念不在本文的範圍之內。


用多線程只有一個目的,那就是更好的利用cpu的資源,因為所有的多線程代碼都可以用單線程來實現。說這個話其實只有一半對,因為反應“多角色”的程序代碼,最起碼每個角色要給他一個線程吧,否則連實際場景都無法模擬,當然也沒法說能用單線程來實現:比如最常見的“生產者,消費者模型”。


很多人都對其中的一些概念不夠明確,如同步、併發等等,讓我們先建立一個數據字典,以免產生誤會。


  • 多線程:指的是這個程序(一個進程)運行時產生了不止一個線程

  • 並行與併發:

  • 並行:多個cpu實例或者多臺機器同時執行一段處理邏輯,是真正的同時。

  • 併發:通過cpu調度算法,讓用戶看上去同時執行,實際上從cpu操作層面不是真正的同時。併發往往在場景中有公用的資源,那麼針對這個公用的資源往往產生瓶頸,我們會用TPS或者QPS來反應這個系統的處理能力。


線程安全:經常用來描繪一段代碼。指在併發的情況之下,該代碼經過多線程使用,線程的調度順序不影響任何結果。這個時候使用多線程,我們只需要關注系統的內存,cpu是不是夠用即可。反過來,線程不安全就意味著線程的調度順序會影響最終結果,如不加事務的轉賬代碼:


void transferMoney(User from, User to, float amount){
    to.setMoney(to.getBalance() + amount);
    from.setMoney(from.getBalance() - amount);
}


同步:Java中的同步指的是通過人為的控制和調度,保證共享資源的多線程訪問成為線程安全,來保證結果的準確。如上面的代碼簡單加入@synchronized關鍵字。在保證結果準確的同時,提高性能,才是優秀的程序。線程安全的優先級高於性能。


好了,讓我們開始吧。我準備分成幾部分來總結涉及到多線程的內容:


  1. 紮好馬步:線程的狀態

  2. 內功心法:每個對象都有的方法(機制)

  3. 太祖長拳:基本線程類

  4. 九陰真經:高級多線程控制類

紮好馬步:線程的狀態


先來兩張圖:



各種狀態一目瞭然,值得一提的是"Blocked"和"Waiting"這兩個狀態的區別:


線程在Running的過程中可能會遇到阻塞(Blocked)情況
對Running狀態的線程加同步鎖(Synchronized)使其進入(lock blocked pool ),同步鎖被釋放進入可運行狀態(Runnable)。從jdk源碼註釋來看,blocked指的是對monitor的等待(可以參考下文的圖)即該線程位於等待區。


線程在Running的過程中可能會遇到等待(Waiting)情況
線程可以主動調用object.wait或者sleep,或者join(join內部調用的是sleep,所以可看成sleep的一種)進入。從jdk源碼註釋來看,waiting是等待另一個線程完成某一個操作,如join等待另一個完成執行,object.wait()等待object.notify()方法執行。


Waiting狀態和Blocked狀態有點費解,我個人的理解是:Blocked其實也是一種wait,等待的是monitor,但是和Waiting狀態不一樣,舉個例子,有三個線程進入了同步塊,其中兩個調用了object.wait(),進入了waiting狀態,這時第三個調用了object.notifyAll(),這時候前兩個線程就一個轉移到了Runnable,一個轉移到了Blocked。


從下文的monitor結構圖來區別:每個 Monitor在某個時刻,只能被一個線程擁有,該線程就是 “Active Thread”,而其它線程都是 “Waiting Thread”,分別在兩個隊列 “ Entry Set”和 “Wait Set”裡面等候。在 “Entry Set”中等待的線程狀態Blocked,從jstack的dump中來看是 “Waiting for monitor entry”,而在 “Wait Set”中等待的線程狀態是Waiting,表現在jstack的dump中是 “in Object.wait()”。


此外,在runnable狀態的線程是處於被調度的線程,此時的調度順序是不一定的。Thread類中的yield方法可以讓一個running狀態的線程轉入runnable。


內功心法:每個對象都有的方法(機制)


synchronized, wait, notify 是任何對象都具有的同步工具。讓我們先來了解他們



他們是應用於同步問題的人工線程調度工具。講其本質,首先就要明確monitor的概念,Java中的每個對象都有一個監視器,來監測併發代碼的重入。在非多線程編碼時該監視器不發揮作用,反之如果在synchronized 範圍內,監視器發揮作用。


wait/notify必須存在於synchronized塊中。並且,這三個關鍵字針對的是同一個監視器(某對象的監視器)。這意味著wait之後,其他線程可以進入同步塊執行。


當某代碼並不持有監視器的使用權時(如圖中5的狀態,即脫離同步塊)去wait或notify,會拋出java.lang.IllegalMonitorStateException。也包括在synchronized塊中去調用另一個對象的wait/notify,因為不同對象的監視器不同,同樣會拋出此異常。


再講用法:


synchronized單獨使用:


代碼塊:如下,在多線程環境下,synchronized塊中的方法獲取了lock實例的monitor,如果實例相同,那麼只有一個線程能執行該塊內容


public class Thread1 implements Runnable {
        Object lock;
        public void run() {  
            synchronized(lock){
              ..do something
            }
        }
}


直接用於方法: 相當於上面代碼中用lock來鎖定的效果,實際獲取的是Thread1類的monitor。更進一步,如果修飾的是static方法,則鎖定該類所有實例。


public class Thread1 implements Runnable {
        public synchronized void run() {  
             ..do something
        }
}


synchronized, wait, notify結合:典型場景生產者消費者問題


/**
     * 生產者生產出來的產品交給店員
     */

    public synchronized void produce()
    {
        if(this.product >= MAX_PRODUCT)
        {
            try
            {
                wait();  
                System.out.println("產品已滿,請稍候再生產");
            }
            catch(InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
            return;
        }

        this.product++;
        System.out.println("生產者生產第" + this.product + "個產品.");
        notifyAll();   //通知等待區的消費者可以取出產品了
    }

    /**
     * 消費者從店員取產品
     */

    public synchronized void consume()
    {
        if(this.product <= MIN_PRODUCT)
        {
            try 
            {
                wait(); 
                System.out.println("缺貨,稍候再取");
            } 
            catch (InterruptedException e) 
            {
                e.printStackTrace();
            }
            return;
        }

        System.out.println("消費者取走了第" + this.product + "個產品.");
        this.product--;
        notifyAll();   //通知等待去的生產者可以生產產品了
    }

volatile


多線程的內存模型:main memory(主存)、working memory(線程棧),在處理數據時,線程會把值從主存load到本地棧,完成操作後再save回去(volatile關鍵詞的作用:每次針對該變量的操作都激發一次load and save)。



針對多線程使用的變量如果不是volatile或者final修飾的,很有可能產生不可預知的結果(另一個線程修改了這個值,但是之後在某線程看到的是修改之前的值)。其實道理上講同一實例的同一屬性本身只有一個副本。但是多線程是會緩存值的,本質上,volatile就是不去緩存,直接取值。在線程安全的情況下加volatile會犧牲性能。


太祖長拳:基本線程類


基本線程類指的是Thread類,Runnable接口,Callable接口


Thread 類實現了Runnable接口,啟動一個線程的方法:


 MyThread my = new MyThread();
  my.start();


Thread類相關方法:


//當前線程可轉讓cpu控制權,讓別的就緒狀態線程運行(切換)
public static Thread.yield() 
//暫停一段時間
public static Thread.sleep()  
//在一個線程中調用other.join(),將等待other執行完後才繼續本線程。    
public join()
//後兩個函數皆可以被打斷
public interrupte()


關於中斷:它並不像stop方法那樣會中斷一個正在運行的線程。線程會不時地檢測中斷標識位,以判斷線程是否應該被中斷(中斷標識值是否為true)。終端只會影響到wait狀態、sleep狀態和join狀態。被打斷的線程會拋出InterruptedException。


Thread.interrupted()檢查當前線程是否發生中斷,返回boolean
synchronized在獲鎖的過程中是不能被中斷的。


中斷是一個狀態!interrupt()方法只是將這個狀態置為true而已。所以說正常運行的程序不去檢測狀態,就不會終止,而wait等阻塞方法會去檢查並拋出異常。如果在正常運行的程序中添加while(!Thread.interrupted()) ,則同樣可以在中斷後離開代碼體


Thread類最佳實踐:


寫的時候最好要設置線程名稱 Thread.name,並設置線程組 ThreadGroup,目的是方便管理。在出現問題的時候,打印線程棧 (jstack -pid) 一眼就可以看出是哪個線程出的問題,這個線程是幹什麼的。


如何獲取線程中的異常



Runnable


與Thread類似


Callable


future模式:併發模式的一種,可以有兩種形式,即無阻塞和阻塞,分別是isDone和get。其中Future對象用來存放該線程的返回值以及狀態


ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);
 //submit方法有多重參數版本,及支持callable也能夠支持runnable接口類型.
Future future = e.submit(new myCallable());
future.isDone() //return true,false 無阻塞
future.get() // return 返回值,阻塞直到該線程運行結束


九陰真經:高級多線程控制類


以上都屬於內功心法,接下來是實際項目中常用到的工具了,Java1.5提供了一個非常高效實用的多線程包:java.util.concurrent, 提供了大量高級工具,可以幫助開發者編寫高效、易維護、結構清晰的Java多線程程序。


1.ThreadLocal類


用處:保存線程的獨立變量。對一個線程類(繼承自Thread)
當使用ThreadLocal維護變量時,ThreadLocal為每個使用該變量的線程提供獨立的變量副本,所以每一個線程都可以獨立地改變自己的副本,而不會影響其它線程所對應的副本。常用於用戶登錄控制,如記錄session信息。

實現:每個Thread都持有一個TreadLocalMap類型的變量(該類是一個輕量級的Map,功能與map一樣,區別是桶裡放的是entry而不是entry的鏈表。功能還是一個map。)以本身為key,以目標為value。


主要方法是get()和set(T a),set之後在map裡維護一個threadLocal -> a,get時將a返回。ThreadLocal是一個特殊的容器。


2.原子類(AtomicInteger、AtomicBoolean……)


如果使用atomic wrapper class如atomicInteger,或者使用自己保證原子的操作,則等同於synchronized


//返回值為boolean
AtomicInteger.compareAndSet(int expect,int update)


該方法可用於實現樂觀鎖,考慮文中最初提到的如下場景:a給b付款10元,a扣了10元,b要加10元。此時c給b2元,但是b的加十元代碼約為:


if(b.value.compareAndSet(old, value)){
   return ;
}else{
   //try again
   // if that fails, rollback and log
}


AtomicReference


對於AtomicReference 來講,也許對象會出現,屬性丟失的情況,即oldObject == current,但是oldObject.getPropertyA != current.getPropertyA。


這時候,AtomicStampedReference就派上用場了。這也是一個很常用的思路,即加上版本號


3.Lock類


lock: 在java.util.concurrent包內。共有三個實現:


  • ReentrantLock

  • ReentrantReadWriteLock.ReadLock

  • ReentrantReadWriteLock.WriteLock

主要目的是和synchronized一樣, 兩者都是為了解決同步問題,處理資源爭端而產生的技術。功能類似但有一些區別。

區別如下:


  1. lock更靈活,可以自由定義多把鎖的枷鎖解鎖順序(synchronized要按照先加的後解順序)

  2. 提供多種加鎖方案,lock 阻塞式, trylock 無阻塞式, lockInterruptily 可打斷式, 還有trylock的帶超時時間版本。

  3. 本質上和監視器鎖(即synchronized是一樣的)

  4. 能力越大,責任越大,必須控制好加鎖和解鎖,否則會導致災難。

  5. 和Condition類的結合。

  6. 性能更高,對比如下圖:


ReentrantLock 

   
可重入的意義在於持有鎖的線程可以繼續持有,並且要釋放對等的次數後才真正釋放該鎖。


使用方法是:


1.先new一個實例


static ReentrantLock r=new ReentrantLock();


2.加鎖

r.lock()或r.lockInterruptibly();



此處也是個不同,後者可被打斷。當a線程lock後,b線程阻塞,此時如果是lockInterruptibly,那麼在調用b.interrupt()之後,b線程退出阻塞,並放棄對資源的爭搶,進入catch塊。(如果使用後者,必須throw interruptable exception 或catch)


3.釋放鎖

r.unlock()


必須做!何為必須做呢,要放在finally裡面。以防止異常跳出了正常流程,導致災難。這裡補充一個小知識點,finally是可以信任的:經過測試,哪怕是發生了OutofMemoryError,finally塊中的語句執行也能夠得到保證。


ReentrantReadWriteLock


可重入讀寫鎖(讀寫鎖的一個實現)


 ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock()
  ReadLock r = lock.readLock();
  WriteLock w = lock.writeLock();


兩者都有lock,unlock方法。寫寫,寫讀互斥;讀讀不互斥。可以實現併發讀的高效線程安全代碼


4.容器類


這裡就討論比較常用的兩個:


  • BlockingQueue

  • ConcurrentHashMap

BlockingQueue

阻塞隊列。該類是java.util.concurrent包下的重要類,通過對Queue的學習可以得知,這個queue是單向隊列,可以在隊列頭添加元素和在隊尾刪除或取出元素。類似於一個管  道,特別適用於先進先出策略的一些應用場景。普通的queue接口主要實現有PriorityQueue(優先隊列),有興趣可以研究


BlockingQueue在隊列的基礎上添加了多線程協作的功能:



除了傳統的queue功能(表格左邊的兩列)之外,還提供了阻塞接口put和take,帶超時功能的阻塞接口offer和poll。put會在隊列滿的時候阻塞,直到有空間時被喚醒;take在隊 列空的時候阻塞,直到有東西拿的時候才被喚醒。用於生產者-消費者模型尤其好用,堪稱神器。


常見的阻塞隊列有:


  • ArrayListBlockingQueue

  • LinkedListBlockingQueue

  • DelayQueue

  • SynchronousQueue

** ConcurrentHashMap**


高效的線程安全哈希map。請對比hashTable , concurrentHashMap, HashMap


5.管理類


管理類的概念比較泛,用於管理線程,本身不是多線程的,但提供了一些機制來利用上述的工具做一些封裝。


瞭解到的值得一提的管理類:ThreadPoolExecutor和 JMX框架下的系統級管理類 ThreadMXBean


ThreadPoolExecutor


如果不瞭解這個類,應該瞭解前面提到的ExecutorService,開一個自己的線程池非常方便:


ExecutorService e = Executors.newCachedThreadPool();
    ExecutorService e = Executors.newSingleThreadExecutor();
    ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);
    // 第一種是可變大小線程池,按照任務數來分配線程,
    // 第二種是單線程池,相當於FixedThreadPool(1)
    // 第三種是固定大小線程池。
    // 然後運行
    e.execute(new MyRunnableImpl());


該類內部是通過ThreadPoolExecutor實現的,掌握該類有助於理解線程池的管理,本質上,他們都是ThreadPoolExecutor類的各種實現版本。請參見javadoc:



翻譯一下:


corePoolSize:池內線程初始值與最小值,就算是空閒狀態,也會保持該數量線程。


maximumPoolSize:線程最大值,線程的增長始終不會超過該值。


keepAliveTime:當池內線程數高於corePoolSize時,經過多少時間多餘的空閒線程才會被回收。回收前處於wait狀態


unit:


時間單位,可以使用TimeUnit的實例,如TimeUnit.MILLISECONDS 


workQueue:待入任務(Runnable)的等待場所,該參數主要影響調度策略,如公平與否,是否產生餓死(starving)


threadFactory:線程工廠類,有默認實現,如果有自定義的需要則需要自己實現ThreadFactory接口並作為參數傳入。


 推薦↓↓↓ 

👉16個技術公眾號】都在這裡!

涵蓋:程序員大咖、源碼共讀、程序員共讀、數據結構與算法、黑客技術和網絡安全、大數據科技、編程前端、Java、Python、Web編程開發、Android、iOS開發、Linux、數據庫研發、幽默程序員等。

https://weiwenku.net/d/109757215