深入理解java：2. 多线程机制

引言

很多人都对其中的一些概念不够明确，如同步、并发等等，让我们先理清一些概念，以免产生误会。

多线程：指的是这个程序（一个进程）运行时，产生了不止一个线程。
并行与并发：
- 并行：多个cpu实例或者多台机器同时执行一段处理逻辑，是真正的同时。
- 并发：通过cpu调度算法，让用户看上去同时执行，实际上从cpu操作层面不是真正的同时。并发往往在场景中有公用的资源，那么针对这个公用的资源往往产生瓶颈，我们会用TPS或者QPS来反应这个系统的处理能力。

线程安全：经常用来描绘一段代码。指在并发的情况之下，该代码经过多线程使用，线程的调度顺序不影响任何结果。这个时候使用多线程，我们只需要关注系统的内存，cpu是不是够用即可。反过来，线程不安全就意味着线程的调度顺序会影响最终结果，如不加事务的转账代码：
```
void transferMoney(User from, User to, float amount){

  to.setMoney(to.getBalance() + amount);

  from.setMoney(from.getBalance() - amount);

}
```
同步：Java中的同步指的是通过人为的控制和调度，保证共享资源的多线程访问成为线程安全，来保证结果的准确。如上面的代码简单加入@synchronized关键字。在保证结果准确的同时，提高性能，才是优秀的程序。线程安全的优先级高于性能。

线程的状态

线程状态

线程状态转换

各种状态一目了然，值得一提的是"blocked"这个状态：
线程在Running的过程中可能会遇到阻塞(Blocked)情况

调用join()和sleep()方法，sleep()时间结束或被打断，join()中断,IO完成都会回到Runnable状态，等待JVM的调度。
调用wait()，使该线程处于等待池(wait blocked pool),直到notify()/notifyAll()，线程被唤醒被放到锁定池(lock blocked pool )，释放同步锁使线程回到可运行状态（Runnable）
对Running状态的线程加同步锁(Synchronized)使其进入(lock blocked pool ),同步锁被释放进入可运行状态(Runnable)。

此外，在runnable状态的线程是处于被调度的线程，此时的调度顺序是不一定的。Thread类中的yield方法可以让一个running状态的线程转入runnable。

线程的内存

在本节，我们需要将Thread类和Java中线程的概念分开来讲了：

一个Thread类实例只是一个对象，像Java中的任何其他对象一样，具有变量和方法，生死于JVM堆上。
Java中，每个线程都有一个调用栈，即使你不在Java程序中创建任何新的线程，线程也在后台运行着（如：main线程）。一个Java应用总是从main()方法开始运行，mian()方法运行在一个线程内，它被称为主线程。一旦创建一个新的线程，就产生一个新的调用栈。

Java的虚拟机内存分为几个部分，其中线程共享的是堆区和方法区，线程私有的是虚拟机栈，本地方法栈和程序计数器。在本文，我们只关注Java线程内存模型中最突出的两个模块：堆内存 和 栈内存

在这里，堆内存，就是前面说的堆区，由各个线程共享，存储的是对象的实例；

而栈内存，指的是虚拟机栈（在HotSpot虚拟机中，本地方法栈是与虚拟机栈放在一起实现的，所以这里不再专门区分），存储的是局部变量表、动态链接、方法出口。

把上面所说的堆内存中的对象和基本数据类型，称为主内存(main memory)，

把上面所说的栈内存中用于存储变量的副本，称为本地内存(local memory)（或叫工作内存），这就组成了Java内存模型（JMM）。

1，Java线程对于变量的所有操作（读取、赋值），都是在自己的工作内存中进行的，线程不直接读写主内存中的变量。

2，不同线程无法直接访问对方工作内存中的变量；

3，线程间变量值的传递，需要主内存来完成。

线程间通信

上节所讲到的Java内存模型（JMM）控制了线程间的通信，Java线程间通信，使用的是共享内存模型，而非消息传递模型。

也就是说，线程间是通过write-read内存中的公共状态来进行隐式通信的，多个线程之间不能直接传递数据交互，它们之间的交互只能通过共享变量来实现。

线程间通信的步骤：

线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

每个对象都有的方法（机制）

synchronized, wait, notify 是任何对象都具有的同步工具。

讲其本质，首先就要明确monitor的概念，Java中的每个对象都有一个监视器，来监测并发代码的重入。

在非多线程编码时该监视器不发挥作用，反之如果在synchronized 范围内，监视器发挥作用。

wait/notify必须存在于synchronized块中。并且，这三个关键字针对的是同一个监视器（某对象的监视器）。

synchronized, wait, notify结合:典型场景生产者消费者问题

/**

   * 生产者生产出来的产品交给店员

   */

  public synchronized void produce()

  {

      if(this.product >= MAX_PRODUCT)

      {

          try

          {

              wait();

              System.out.println("产品已满,请稍候再生产");

          }

          catch(InterruptedException e)

          {

              e.printStackTrace();

          }

          return;

      }

      this.product++;

      System.out.println("生产者生产第" + this.product + "个产品.");

      notifyAll();   //通知等待区的消费者可以取出产品了

  }

  /**

   * 消费者从店员取产品

   */

  public synchronized void consume()

  {

      if(this.product <= MIN_PRODUCT)

      {

          try

          {

              wait();

              System.out.println("缺货,稍候再取");

          }

          catch (InterruptedException e)

          {

              e.printStackTrace();

          }

          return;

      }

      System.out.println("消费者取走了第" + this.product + "个产品.");

      this.product--;

      notifyAll();   //通知等待去的生产者可以生产产品了

  }

volatile

多线程的内存模型：main memory（主存）、working memory（线程栈），在处理数据时，线程会把值从主存load到本地栈，完成操作后再save回去。

(volatile关键词的作用：每次针对该变量的操作都激发一次load and save)。

本质上，volatile就是不去缓存，直接取值。在线程安全的情况下加volatile会牺牲性能。

基本的线程类

基本的线程类指的是

Thread类，

Runnable接口，

Callable接口。

通过继承Thread类，重写Thread的run()方法，将线程运行的逻辑放在其中

class MyThread extends Thread{
private int ticket = 10;
private String name;
public MyThread(String name){
this.name =name;
}
public void run(){
for(int i =0;i<500;i++){
if(this.ticket>0){
System.out.println(this.name+"卖票---->"+(this.ticket--));
}
}
}
}

Thread 类实现了Runnable接口，启动一个线程的方法：

　MyThread my = new MyThread();

　　my.start();

Thread类相关方法：

//当前线程可转让cpu控制权，让别的就绪状态线程运行（切换）

public static Thread.yield() //让渡

//暂停一段时间

public static Thread.sleep()  //睡眠

//在一个线程中调用other.join(),将等待other执行完后才继续本线程。　　　　

public join()//中断

//后两个函数皆可以被打断

public interrupte()//打断

关于打断：它并不像stop方法那样会中断一个正在运行的线程。

线程会不时地检测打断标识位，以判断线程是否应该被打断（打断标识值是否为true）。

终端只会影响到wait状态、sleep状态和join状态。被打断的线程会抛出InterruptedException。
Thread.interrupted()检查当前线程是否发生中断，返回boolean
synchronized在获锁的过程中是不能被中断的。

中断是一个状态！interrupt()方法只是将这个状态置为true而已。

所以说正常运行的程序不去检测状态，就不会终止，而wait等阻塞方法会去检查并抛出异常。如果在正常运行的程序中添加while(!Thread.interrupted())
，则同样可以在中断后离开代码。

Thread类最佳实践：
写的时候最好要设置线程名称 Thread.name，并设置线程组 ThreadGroup，目的是方便管理。

在出现问题的时候，打印线程栈 (jstack -pid) 一眼就可以看出是哪个线程出的问题，这个线程是干什么的。

ThreadGroup tg = new ThreadGroup("My Group");

MyThread thrd = new MyThread(tg, "MyThreadName");

ThreadGroup比ExecutorService多以下几个优势

1.ThreadGroup可以遍历线程，知道那些线程已经运行完毕，那些还在运行

2.可以通过ThreadGroup.activeCount知道有多少线程从而可以控制插入的线程数

参考：http://www.cnblogs.com/yy2011/archive/2011/05/05/2037564.html

Runnable

class MyThread1 implements Runnable{
private int ticket =10;
private String name;
public void run(){
for(int i =0;i<500;i++){
if(this.ticket>0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖票---->"+(this.ticket--));
}
}
}
}

Callable

future模式：并发模式的一种，可以有两种形式，即无阻塞和阻塞，分别是isDone和get。其中Future对象用来存放该线程的返回值以及状态

ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);

 //submit方法有多重参数版本，及支持callable也能够支持runnable接口类型.

Future future = e.submit(new myCallable());

future.isDone() //return true,false 无阻塞

future.get() // return 返回值，阻塞直到该线程运行结束

高级的多线程控制类

Java1.5提供了一个非常高效实用的多线程包:java.util.concurrent, 提供了大量高级工具,可以帮助开发者编写高效、易维护、结构清晰的Java多线程程序。

1.ThreadLocal类

用处：保存线程的独立变量。对一个线程类（继承自Thread)
当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。

常用于用户登录控制，如记录session信息。

实现：每个Thread都持有一个TreadLocalMap类型的变量

（该类是一个轻量级的Map，功能与map一样，区别是桶里放的是entry而不是entry的链表。功能还是一个map。）以本身（ThreadLocal对象）为key，以目标为value。
主要方法是get()和set(T a)，set之后在map里维护一个threadLocal -> a， get时将a返回。

ThreadLocal是一个特殊的容器。

2.原子类（AtomicInteger、AtomicBoolean……）

如果使用atomic wrapper class如atomicInteger，或者使用自己保证原子的操作，则等同于synchronized

//返回值为boolean

AtomicInteger.compareAndSet(int expect,int update)

该方法可用于实现乐观锁，CAS算法。

if(b.value.compareAndSet(old, value)){

   return ;

}else{

   //try again

   // if that fails, rollback and log

}

AtomicReference
对于AtomicReference 来讲，也许对象会出现，属性丢失的情况，

即oldObject == current，但是oldObject.getPropertyA != current.getPropertyA。
这时候，AtomicStampedReference就派上用场了。这也是一个很常用的思路，即加上版本号

3.Lock类　

lock: 在java.util.concurrent包内。共有三个实现：

ReentrantLock

ReentrantReadWriteLock.ReadLock

ReentrantReadWriteLock.WriteLock

主要目的是和synchronized一样，两者都是为了解决同步问题，处理资源争端而产生的技术。功能类似但有一些区别。

区别如下：

lock更灵活，可以自由定义多把锁的枷锁解锁顺序（synchronized要按照先加的后解顺序）

提供多种加锁方案，lock 阻塞式, trylock 无阻塞式, lockInterruptily 可打断式， 还有trylock的带超时时间版本。

本质上和监视器锁（即synchronized是一样的）

能力越大，责任越大，必须控制好加锁和解锁，否则会导致灾难。

和Condition类的结合。

ReentrantLock　　　　
可重入的意义在于持有锁的线程可以继续持有，并且要释放对等的次数后才真正释放该锁。
使用方法是：

1.先new一个实例

static ReentrantLock r=new ReentrantLock();

2.加锁

r.lock()或r.lockInterruptibly();

此处也是个不同，后者可被打断。当a线程lock后，b线程阻塞，此时如果是lockInterruptibly，那么在调用b.interrupt()之后，b线程退出阻塞，并放弃对资源的争抢，进入catch块。（如果使用后者，必须throw interruptable exception 或catch）　　　　

3.释放锁　　　

r.unlock()

必须做！何为必须做呢，要放在finally里面。以防止异常跳出了正常流程，导致灾难。这里补充一个小知识点，finally是可以信任的：经过测试，哪怕是发生了OutofMemoryError，finally块中的语句执行也能够得到保证。

ReentrantReadWriteLock

可重入读写锁（读写锁的一个实现）　

　ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock()

　　ReadLock r = lock.readLock();

　　WriteLock w = lock.writeLock();

两者都有lock,unlock方法。写写，写读互斥；读读不互斥。可以实现并发读的高效线程安全代码

4.容器类

这里就讨论比较常用的两个：

BlockingQueue

ConcurrentHashMap

BlockingQueue
阻塞队列。该类是java.util.concurrent包下的重要类，通过对Queue的学习可以得知，这个queue是单向队列，可以在队列头添加元素和在队尾删除或取出元素。类似于一个管　　道，特别适用于先进先出策略的一些应用场景。普通的queue接口主要实现有PriorityQueue（优先队列），有兴趣可以研究

BlockingQueue在队列的基础上添加了多线程协作的功能：

BlockingQueue

除了传统的queue功能（表格左边的两列）之外，还提供了阻塞接口put和take，带超时功能的阻塞接口offer和poll。put会在队列满的时候阻塞，直到有空间时被唤醒；take在队　列空的时候阻塞，直到有东西拿的时候才被唤醒。用于生产者-消费者模型尤其好用，堪称神器。

常见的阻塞队列有：

ArrayListBlockingQueue

LinkedListBlockingQueue

DelayQueue

SynchronousQueue

ConcurrentHashMap
高效的线程安全哈希map。请对比hashTable , concurrentHashMap, HashMap

5.管理类

管理类的概念比较泛，用于管理线程，本身不是多线程的，但提供了一些机制来利用上述的工具做一些封装。
了解到的值得一提的管理类：ThreadPoolExecutor和 JMX框架下的系统级管理类 ThreadMXBean
ThreadPoolExecutor
如果不了解这个类，应该了解前面提到的ExecutorService，开一个自己的线程池非常方便：

ExecutorService e = Executors.newCachedThreadPool();

    ExecutorService e = Executors.newSingleThreadExecutor();

    ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);

    // 第一种是可变大小线程池，按照任务数来分配线程，

    // 第二种是单线程池，相当于FixedThreadPool(1)

    // 第三种是固定大小线程池。

    // 然后运行

    e.execute(new MyRunnableImpl());

该类内部是通过ThreadPoolExecutor实现的，掌握该类有助于理解线程池的管理，本质上，他们都是ThreadPoolExecutor类的各种实现版本。请参见javadoc：

corePoolSize:池内线程初始值与最小值，就算是空闲状态，也会保持该数量线程。

maximumPoolSize:线程最大值，线程的增长始终不会超过该值。

keepAliveTime：当池内线程数高于corePoolSize时，经过多少时间多余的空闲线程才会被回收。回收前处于wait状态

unit：

时间单位，可以使用TimeUnit的实例，如TimeUnit.MILLISECONDS　

workQueue:待入任务（Runnable）的等待场所，该参数主要影响调度策略，如公平与否，是否产生饿死(starving)

threadFactory:线程工厂类，有默认实现，如果有自定义的需要则需要自己实现ThreadFactory接口并作为参数传入。

参考资料

《Java编程思想》

线程执行者：http://ifeve.com/thread-executors-1/

线程原理：http://www.open-open.com/bbs/view/1318332540655

Java线程详解：http://www.cnblogs.com/riskyer/p/3263032.html

计算机操作系统之进程和线程：http://www.cnblogs.com/loveyakamoz/archive/2012/11/14/2770811.html

用户级线程和内核级线程的区别：http://blog.csdn.net/debugingstudy/article/details/12668389

Java多线程编程总结：http://lavasoft.blog.51cto.com/62575/27069

Java多线程小结，及解决应用挂死的问题：http://sis*huo*k.com/forum/posts/list/1280.html（这个网页居然是违禁词。。无语了）

Java编程体验：线程的7种状态及相互转换(图) http://blog.csdn.net/jiafu1115/article/details/6804386

Java内存模型总结：http://blog.csdn.net/vking_wang/article/details/8574376

java内存模型与多线程:http://www.cnblogs.com/fguozhu/articles/2657904.html

java虚拟机内存模式。栈和堆:http://rainyear.iteye.com/blog/1735121

Java内存模型：http://www.cnblogs.com/nexiyi/p/java_memory_model_and_thread.html

Java 多线程编程之八：多线程的调度 :http://blog.csdn.net/defonds/article/details/8664948

Java 线程的Interrupt：http://blog.csdn.net/hudashi/article/details/6958550

用Interrupt中断Java线程：http://hapinwater.iteye.com/blog/310558

Runnable、Callable、Executor、Future、FutureTask关系解读 : http://blog.csdn.net/zhangzhaokun/article/details/6615454

Java并发编程：Callable、Future和FutureTask : http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3949310.html

Java并发编程：线程池的使用：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3932921.html

java中Executor、ExecutorService、ThreadPoolExecutor介绍：http://blog.csdn.net/linghu_java/article/details/17123057

ScheduledThreadPoolExecutor ：http://hubingforever.blog.163.com/blog/static/17104057920109643632988/

ThreadPoolExecutor ： http://hubingforever.blog.163.com/blog/static/1710405792010964339151/