Java多线程编程——进阶篇一

一、线程栈模型与线程的变量

要理解线程调度的原理，以及线程执行过程，必须理解线程栈模型。

线程栈是指某一时刻内存中线程调度的栈信息，当前调用的方法总是位于栈顶。线程栈的内容是随着程序的运行动态变化的，因此研究线程栈必须选择一个运行的时刻（实际上指代码运行到什么地方)。

下面通过一个示例性的代码说明线程（调用）栈的变化过程。

幅图描述在代码执行到两个不同时刻1、2时候，JVM虚拟机线程调用栈示意图。

当程序执行到t.start();时候，程序多出一个分支（增加了一个调用栈B），这样，栈A、栈B并行执行。

从这里就可以看出方法调用和线程启动的区别了。

二、线程状态的转换

a、线程的状态

线程的状态转换是线程控制的基础。线程状态总的可分为五大状态：分别是生、死、可运行、运行、等待/阻塞。用下图来描述如下：

1、新状态：线程对象已经创建，还没有在其上调用start()方法。

2、可运行状态：当线程有资格运行，但调度程序还没有把它选定为运行线程时线程所处的状态。当start()方法调用时，线程首先进入可运行状态。在线程运行之后或者从阻塞、等待或睡眠状态回来后，也返回到可运行状态。

3、运行状态：线程调度程序从可运行池中选择一个线程作为当前线程时线程所处的状态。这也是线程进入运行状态的唯一一种方式。

4、等待/阻塞/睡眠状态：这是线程有资格运行时它所处的状态。实际上这个三状态组合为一种，其共同点是：线程仍旧是活的，但是当前没有条件运行。换句话说，它是可运行的，但是如果某件事件出现，他可能返回到可运行状态。

5、死亡态：当线程的run()方法完成时就认为它死去。这个线程对象也许是活的，但是，它已经不是一个单独执行的线程。线程一旦死亡，就不能复生。 如果在一个死去的线程上调用start()方法，会抛出java.lang.IllegalThreadStateException异常。

b、阻止线程执行

对于线程的阻止，考虑一下三个方面，不考虑IO阻塞的情况：

睡眠，等待，阻塞（因为需要一个对象的锁定而被阻塞）。

1、睡眠

Thread.sleep(long millis)和Thread.sleep(long millis, int nanos)是静态方法，他们强制将当前正在执行的线程休眠（暂停执行），以“减慢线程”。当线程睡眠时，它入睡在某个地方，在苏醒之前不会返回到可运行状态。当睡眠时间到期，则返回到可运行状态。

线程睡眠的原因：线程执行太快，或者需要强制进入下一轮，因为Java规范不保证合理的轮换。

睡眠的实现：调用静态方法。

        try {             

                Thread.sleep(123);        

             } catch (InterruptedException e) {             

                 e.printStackTrace();         

           }

睡眠的位置：为了让其他线程有机会执行，可以将Thread.sleep()的调用放线程run()之内。这样才能保证该线程执行过程中会睡眠。

例如，在前面的例子中，将一个耗时的操作改为睡眠，以减慢线程的执行。可以这么写：

    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(name + ": " + i);
        }

    }

运行结果：

yunhe:
tianti:
yunhe:
tianti:
yunhe:
tianti:
yunhe:
tianti:
yunhe:
tianti: 

这样，线程在每次执行过程中，总会睡眠10毫秒，睡眠后，其他的线程就有机会执行了。
注意：

• 线程睡眠是帮助所有线程获得运行机会的最好方法。
• 线程睡眠到期自动苏醒，并返回到可运行状态，不是运行状态。sleep()中指定的时间是线程不会运行的最短时间。因此，sleep()方法不能保证该线程睡眠到期后就开始执行。
• sleep()是静态方法，只能控制当前正在运行的线程。

2、线程的优先级和线程让步yield()

线程的让步是通过Thread.yield()来实现的。yield()方法的作用是：暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。

要理解yield()，必须了解线程的优先级的概念。线程总是存在优先级，优先级范围在1~10之间。JVM线程调度程序是基于优先级的抢先调度机制。在大多数情况下，当前运行的线程优先级将大于或等于线程池中任何线程的优先级。但这仅仅是大多数情况。

注意：当设计多线程应用程序的时候，一定不要依赖于线程的优先级。因为线程调度优先级操作是没有保障的，只能把线程优先级作用作为一种提高程序效率的方法，但是要保证程序不依赖这种操作。

当线程池中线程都具有相同的优先级，调度程序的JVM实现自由选择它喜欢的线程。这时候调度程序的操作有两种可能：一是选择一个线程运行，直到它阻塞或者运行完成为止。二是时间分片，为池内的每个线程提供均等的运行机会。

设置线程的优先级：线程默认的优先级是创建它的执行线程的优先级。可以通过setPriority(int newPriority)更改线程的优先级。

例如：

Thread t = new MyThread();
        t.setPriority(8);
        t.start();

线程优先级为1~10之间的正整数，JVM从不会改变一个线程的优先级。然而，1~10之间的值是没有保证的。一些JVM可能不能识别10个不同的值，而将这些优先级进行每两个或多个合并，变成少于10个的优先级，则两个或多个优先级的线程可能被映射为一个优先级。 线程默认优先级是5，Thread类中有三个常量，定义线程优先级范围：

static int MAX_PRIORITY           线程可以具有的最高优先级。   10

static int MIN_PRIORITY           线程可以具有的最低优先级。    1

static int NORM_PRIORITY           分配给线程的默认优先级。   5

3、Thread.yield()方法

Thread.yield()方法作用是：暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。

yield()应该做的是让当前运行线程回到可运行状态，以允许具有相同优先级的其他线程获得运行机会。因此，使用yield()的目的是让相同优先级的线程之间能适当的轮转执行。但是，实际中无法保证yield()达到让步目的，因为让步的线程还有可能被线程调度程序再次选中。
结论：yield()从未导致线程转到等待/睡眠/阻塞状态。在大多数情况下，yield()将导致线程从运行状态转到可运行状态，但有可能没有效果。

4、join()方法

Thread的非静态方法join()让一个线程B“加入”到另外一个线程A的尾部。在B执行完毕之前，A不能工作。例如：

Thread t = new MyThread();         t.start();         t.join();

另外，join()方法还有带超时限制的重载版本。 例如t.join(5000);则让线程等待5000毫秒，如果超过这个时间，则停止等待，变为可运行状态。

线程的加入join()对线程栈导致的结果是线程栈发生了变化，当然这些变化都是瞬时的。下面给示意图：

小结：

到目前位置，介绍了线程离开运行状态的3种方法：

1. 调用Thread.sleep()：使当前线程睡眠至少多少毫秒（尽管它可能在指定的时间之前被中断）。
2. 调用Thread.yield()：不能保障太多事情，尽管通常它会让当前运行线程回到可运行性状态，使得有相同优先级的线程有机会执行。
3. 调用join()方法：保证当前线程停止执行，直到该线程所加入的线程完成为止。然而，如果它加入的线程没有存活，则当前线程不需要停止。

除了以上三种方式外，还有下面几种特殊情况可能使线程离开运行状态：

1、线程的run()方法完成。

2、在对象上调用wait()方法（不是在线程上调用）。

3、线程不能在对象上获得锁定，它正试图运行该对象的方法代码。

4、线程调度程序可以决定将当前运行状态移动到可运行状态，以便让另一个线程获得运行机会，而不需要任何理由。

三、线程的同步和锁

a、同步问题提出

线程的同步是为了防止多个线程访问一个数据对象时，对数据造成的破坏。

b 、同步和锁定

1、锁的原理

Java中每个对象都有一个内置锁当程序运行到非静态的synchronized同步方法上时，自动获得与正在执行代码类的当前实例（this实例）有关的锁。获得一个对象的锁也称为获取锁、锁定对象、在对象上锁定或在对象上同步。

 当程序运行到synchronized同步方法或代码块时才该对象锁才起作用。

 一个对象只有一个锁。所以，如果一个线程获得该锁，就没有其他线程可以获得锁，直到第一个线程释放（或返回）锁。这也意味着任何其他线程都不能进入该对象上的synchronized方法或代码块，直到该锁被释放。

 

释放锁是指持锁线程退出了synchronized同步方法或代码块。

 

关于锁和同步，有一下几个要点：

1） 只能同步方法，而不能同步变量和类；

2） 每个对象只有一个锁；当提到同步时，应该清楚在什么上同步？也就是说，在哪个对象上同步？

3） 不必同步类中所有的方法，类可以同时拥有同步和非同步方法。

4） 如果两个线程要执行一个类中的synchronized方法，并且两个线程使用相同的实例来调用方法，那么一次只能有一个线程能够执行方法，另一个需要等待，直到锁被释放。也就是说：如果一个线程在对象上获得一个锁，就没有任何其他线程可以进入（该对象的）类中的任何一个同步方法。

5） 如果线程拥有同步和非同步方法，则非同步方法可以被多个线程自由访问而不受锁的限制。

6） 线程睡眠时，它所持的任何锁都不会释放。

7） 线程可以获得多个锁。比如，在一个对象的同步方法里面调用另外一个对象的同步方法，则获取了两个对象的同步锁。

8） 同步损害并发性，应该尽可能缩小同步范围。同步不但可以同步整个方法，还可以同步方法中一部分代码块。

9） 在使用同步代码块时候，应该指定在哪个对象上同步，也就是说要获取哪个对象的锁。例如：

    public int fix(int y) {
        synchronized (this) {
            x = x - y;
        }
        return x;
    }

当然，同步方法也可以改写为非同步方法，但功能完全一样的，例如：

   public synchronized int getX() {
        return x++;
    }

与

    public int getX() {
        synchronized (this) {
            return x;
        }
    }

效果是完全一样的。

c、静态方法同步

要同步静态方法，需要一个用于整个类对象的锁，这个对象是就是这个类（XXX.class)。

例如：

public static synchronized int setName(String name){
      Xxx.name = name;
}

等价于

public static int setName(String name){
      synchronized(Xxx.class){
            Xxx.name = name;
      }
}

d、如果线程不能不能获得锁会怎么样

如果线程试图进入同步方法，而其锁已经被占用，则线程在该对象上被阻塞。实质上，线程进入该对象的的一种池中，必须在哪里等待，直到其锁被释放，该线程再次变为可运行或运行为止。

 

当考虑阻塞时，一定要注意哪个对象正被用于锁定：

1、调用同一个对象中非静态同步方法的线程将彼此阻塞。如果是不同对象，则每个线程有自己的对象的锁，线程间彼此互不干预。

2、调用同一个类中的静态同步方法的线程将彼此阻塞，它们都是锁定在相同的Class对象上。

3、静态同步方法和非静态同步方法将永远不会彼此阻塞，因为静态方法锁定在Class对象上，非静态方法锁定在该类的对象上。

4、对于同步代码块，要看清楚什么对象已经用于锁定（synchronized后面括号的内容）。在同一个对象上进行同步的线程将彼此阻塞，在不同对象上锁定的线程将永远不会彼此阻塞。

e、何时需要同步

在多个线程同时访问互斥（可交换）数据时，应该同步以保护数据，确保两个线程不会同时修改更改它。

 对于非静态字段中可更改的数据，通常使用非静态方法访问。

对于静态字段中可更改的数据，通常使用静态方法访问。

f、线程安全类

当一个类已经很好的同步以保护它的数据时，这个类就称为“线程安全的”。

即使是线程安全类，也应该特别小心，因为操作的线程是间仍然不一定安全。

 

举个形象的例子，比如一个集合是线程安全的，有两个线程在操作同一个集合对象，当第一个线程查询集合非空后，删除集合中所有元素的时候。第二个线程也来执行与第一个线程相同的操作，也许在第一个线程查询后，第二个线程也查询出集合非空，但是当第一个执行清除后，第二个再执行删除显然是不对的，因为此时集合已经为空了。

看个代码：

public class NameList {
    private List nameList = Collections.synchronizedList(new LinkedList()); 

    public void add(String name) {
        nameList.add(name);
    } 

    public String removeFirst() {
        if (nameList.size() > 0) {
            return (String) nameList.remove(0);
        } else {
            return null;
        }
    }
}

测试代码：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        final NameList nl = new NameList();
        nl.add("aaa");
        class NameDropper extends Thread{
            public void run(){
                String name = nl.removeFirst();
                System.out.println(name);
            }
        } 

        Thread t1 = new NameDropper();
        Thread t2 = new NameDropper();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

虽然集合对象

    private List nameList = Collections.synchronizedList(new LinkedList());
是同步的，但是程序还不是线程安全的。

出现这种事件的原因是，上例中一个线程操作列表过程中无法阻止另外一个线程对列表的其他操作。

 

解决上面问题的办法是，在操作集合对象的NameList上面做一个同步。改写后的代码如下：

public class NameList {
    private List nameList = Collections.synchronizedList(new LinkedList()); 

    public synchronized void add(String name) {
        nameList.add(name);
    } 

    public synchronized String removeFirst() {
        if (nameList.size() > 0) {
            return (String) nameList.remove(0);
        } else {
            return null;
        }
    }
}

这样，当一个线程访问其中一个同步方法时，其他线程只有等待。

g、线程死锁

 

死锁对Java程序来说，是很复杂的，也很难发现问题。当两个线程被阻塞，每个线程在等待另一个线程时就发生死锁。

 

还是看一个比较直观的死锁例子：

public class DeadlockRisk {
    private static class Resource {
        public int value;
    } 

    private Resource resourceA = new Resource();
    private Resource resourceB = new Resource(); 

    public int read() {
        synchronized (resourceA) {
            synchronized (resourceB) {
                return resourceB.value + resourceA.value;
            }
        }
    } 

    public void write(int a, int b) {
        synchronized (resourceB) {
            synchronized (resourceA) {
                resourceA.value = a;
                resourceB.value = b;
            }
        }
    }
}

假设read()方法由一个线程启动，write()方法由另外一个线程启动。读线程将拥有resourceA锁，写线程将拥有resourceB锁，两者都坚持等待的话就出现死锁。

 实际上，上面这个例子发生死锁的概率很小。因为在代码内的某个点，CPU必须从读线程切换到写线程，所以，死锁基本上不能发生。

 但是，无论代码中发生死锁的概率有多小，一旦发生死锁，程序就死掉。有一些设计方法能帮助避免死锁，包括始终按照预定义的顺序获取锁这一策略。

h、线程同步小结

1、线程同步的目的是为了保护多个线程反问一个资源时对资源的破坏。

2、线程同步方法是通过锁来实现，每个对象都有切仅有一个锁，这个锁与一个特定的对象关联，线程一旦获取了对象锁，其他访问该对象的线程就无法再访问该对象的其他同步方法。

3、对于静态同步方法，锁是针对这个类的，锁对象是该类的Class对象。静态和非静态方法的锁互不干预。一个线程获得锁，当在一个同步方法中访问另外对象上的同步方法时，会获取这两个对象锁。

4、对于同步，要时刻清醒在哪个对象上同步，这是关键。

5、编写线程安全的类，需要时刻注意对多个线程竞争访问资源的逻辑和安全做出正确的判断，对“原子”操作做出分析，并保证原子操作期间别的线程无法访问竞争资源。

6、当多个线程等待一个对象锁时，没有获取到锁的线程将发生阻塞。

7、死锁是线程间相互等待锁造成的，在实际中发生的概率非常的小。真让你写个死锁程序，不一定好使，呵呵。但是，一旦程序发生死锁，程序将死掉。