并发编程已完结，章节如下：
Java 并发编程一篇 -（Synchronized 原理、LockSupport 原理、ReentrantLock 原理）
Java 并发编程二篇 -（JMM、CAS 原理、Volatile 原理）
Java 并发编程三篇 -（线程池）
Java 并发编程四篇 -（JUC、AQS 源码、ReentrantLock 源码）

一、基本概念

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

两者对比

• 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、并发与并行

• 并发是一个CPU在不同的时间去不同线程中执行指令。
• 并行是多个CPU同时处理不同的线程。
• 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

3、应用

同步和异步的概念

以调用方的角度讲，如果

• 需要等待结果返回才能继续运行的话就是同步
• 不需要等待就是异步

1. 设计
   多线程可以使方法的执行变成异步的，比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了5秒，如果没有线程的调度机制，那么 cpu 只能等 5 秒，啥都不能做。
2. 结论
   比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程
   tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程
   ui 程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞 ui 线程

结论

1. 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
2. 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

3. 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

二、Java 线程

1、线程创建与运行

方法一，使用 Thread

	// 创建线程对象,匿名内部类方式创建 Thread
	Thread t = new Thread() {
		@Override
		public void run() {
			// 要执行的任务
		}
	};
	// 启动线程
	t.start();

方法二，使用 Runnable 配合 Thread（推荐）

	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();

    public static void main(String[] args) {
        // 使用 lambda 表达式，因为 Runnable 接口 
        // 标注了 @FunctionalInterface 这个注解，表示是一个函数式接口，可以使用 lambda 表达式
        Runnable r = () -> log.debug("running");
        new Thread(r, "t1").start();
    }

比较方法一和方法二：

• 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。
• 通过查看源码可以发现，方法二其实还是通过使用 Thread 类中的 run 方法执行的！

方法三，FutureTask 配合 Thread

   public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 1. 使用 FutureTask 传入 Callable 接口方式创建
        FutureTask<Integer> future = new FutureTask<Integer>(() -> {
            log.debug("running...");
            Thread.sleep(2000); // 休眠
            return 100;
        });
        // 2. 传入 future, 因为 FutureTask 这个类是实现了 RunnableFuture 接口，RunnableFuture 继承了 Runnable 接口
        Thread t1 = new Thread(future, "t1");
        t1.start();
        // 3. 获取返回结果时
        // 当主线程获取 t1 线程的返回值时, 需要等 2 秒，此时主线程进入阻塞状态
        log.debug("{}",  future.get());
    }

• Future 就是对于具体的 Runnable 或者 Callable 任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过 get 方法获取执行结果，该方法会阻塞直到任务返回结果。

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();
}

• FutureTask 类是 Future 接口和 Runable 接口的实现弥补 runnable 创建线程没有返回值的缺陷，参考文章

2、线程运行原理

栈与栈帧

• 我们都知道 JVM 中由堆、栈、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。

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：

• 每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(stack frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，是属于线程的私有的。
• 当java中使用多线程时，每个线程都会维护它自己的栈帧！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，当方法执行完会来到栈帧中的方法出口地址位置，然后从栈中 pop 出栈帧。

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

被动原因：

• 线程的 cpu 时间片用完(每个线程轮流执行，看前面并行的概念)
• 垃圾回收
• 有更高优先级的线程需要运行

主动原因：

• 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

3、Thread 的常见方法

1. start() VS run()

• 使用 start 方式，CPU 会为创建的线程分配时间片，线程进入运行状态，然后线程调用 run 方法执行逻辑。直接使用 run 的方式，虽然会创建了线程，但是它是直接调用方法，而不是像 start 方式那样触发的，这个线程对象会处一直处在新建状态，run 方法是 main 线程调用，而不是 t1 线程。

2. sleep()与yield()

sleep (使线程阻塞)

• 调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞），可通过state()方法查看
• 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
• 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

yield （让出当前线程）

• 调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态（仍然有可能被执行），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

3. 线程优先级

• 线程优先级会提示（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

4. join() 方法

• 用于等待某个线程结束。哪个线程内调用join()方法，就等待哪个线程结束，然后再去执行其他线程。
• 如在主线程中调用ti.join()，则是主线程等待t1线程结束，join 采用同步。

	Thread t1 = new Thread();
	//等待 t1 线程执行结束
	t1.join();
	// 最多等待 1000ms,如果 1000ms 内线程执行完毕，则会直接执行下面的语句，不会等够 1000ms
	t1.join(1000);

5. interrupt() 方法

interrupt 打断线程有两种情况，如下：

• 打断阻塞的线程，会抛出InterruptedException异常, 会清空打断状态，即isInterrupted()=false
• 打断正常运行的线程, 不会清空打断状态，即isInterrupted()=true

isInterrupted() 与 interrupted() 比较，如下：

• 首先，isInterrupted 是实例方法，interrupted 是静态方法，它们的用处都是查看当前打断的状态，但是 isInterrupted 方法查看线程的时候，不会将打断标记清空，也就是置为 false
• interrupted 查看线程打断状态后，会将打断标志置为 false，也就是清空打断标记
• 简单来说，interrupt() 方法类似于 setter 设置中断值，isInterrupted() 类似于 getter 获取中断值，interrupted() 类似于 getter + setter 先获取中断值，然后清除标志。

细节：

• 1.interrupt 方法打断 sleep，wait，join 的线程。打断阻塞的线程，会抛出InterruptedException异常, 会清空打断状态，即isInterrupted()=false
• 2.打断正常运行的线程, 不会清空打断状态，即isInterrupted()=true
• 3.打断 park 线程, 不会清空打断状态，打断状态为true时，会让park失效

终止模式之两阶段终止模式，如下：

• Two Phase Termination，就是考虑在一个线程T1中如何优雅地终止另一个线程T2？这里的优雅指的是给T2一个料理后事的机会（如释放锁）。
  

/**
 * 使用 interrupt 进行两阶段终止模式
 */
@Slf4j(topic = "c.Code_13_Test")
public class Code_13_Test {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TwoParseTermination twoParseTermination = new TwoParseTermination();
        twoParseTermination.start();
        Thread.sleep(3500);
        twoParseTermination.stop();
    }

}

@Slf4j(topic = "c.TwoParseTermination")
class TwoParseTermination {

    private Thread monitor;

    // 启动线程
    public void start() {
        monitor = new Thread(() -> {
            while (true) {
                Thread thread = Thread.currentThread();
                if(thread.isInterrupted()) { // 调用 isInterrupted 不会清除标记
                    log.info("料理后事 ...");
                    break;
                } else {
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                        log.info("执行监控的功能 ...");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        log.info("设置打断标记 ...");
                        thread.interrupt();
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }, "monitor");
        monitor.start();
    }

    // 终止线程
    public void stop() {
        monitor.interrupt();
    }
}

6. sleep，yiled，wait，join 对比

• 参考文章：点这里

7. 守护线程

• 默认情况下，java进程需要等待所有的线程结束后才会停止，但是有一种特殊的线程，叫做守护线程，在其他线程全部结束的时候即使守护线程还未结束代码未执行完java进程也会停止。普通线程t1可以调用 t1.setDeamon(true); 方法变成守护线程。
• 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

4、线程状态

1）线程的 5 种状态

从操作系统层划分，线程有 5 种状态

• 初始状态，仅仅是在语言层面上创建了线程对象，即Thead thread = new Thead();，还未与操作系统线程关联
• 可运行状态，也称就绪状态，指该线程已经被创建，与操作系统相关联，等待cpu给它分配时间片就可运行
• 运行状态，指线程获取了CPU时间片，正在运行
  当CPU时间片用完，线程会转换至【可运行状态】，等待 CPU再次分配时间片，会导致我们前面讲到的上下文切换
• 阻塞状态
  1. 如果调用了阻塞API，如BIO读写文件，那么线程实际上不会用到CPU，不会分配CPU时间片，会导致上下文切换，进入【阻塞状态】
  2. 等待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】
  3. 与【可运行状态】的区别是，只要操作系统一直不唤醒线程，调度器就一直不会考虑调度它们，CPU就一直不会分配时间片
• 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

2）线程的 6 种状态

这是从 Java API 层面来描述的，我们主要研究的就是这种。可以参考文章，点这里

• NEW 跟五种状态里的初始状态是一个意思
• RUNNABLE 是当调用了 start() 方法之后的状态，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【io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。
  演示线程的 6 种状态，代码如下：

/**
 * 演示 java 线程的 6 种状态(NEW, RUNNABLE, TERMINATED, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING)
 */
@Slf4j(topic = "c.Code_15_Test")
public class Code_15_Test {

    public static void main(String[] args) {

        // NEW
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.info("NEW 状态");
        }, "t1");

        // RUNNABLE
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            while (true) {

            }
        }, "t2");

        t2.start();

        // TERMINATED
        Thread t3 = new Thread(() -> {
            log.info("running");
        }, "t3");
        t3.start();

        // TIMED_WAITING
        Thread t4 = new Thread(() -> {
            synchronized (Code_15_Test.class) {
                try {
                    Thread.sleep(100000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "t4");
        t4.start();

        // WAITING
        Thread t5 = new Thread(() -> {
            try {
                t2.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t5");
        t5.start();

        Thread t6 = new Thread(() -> {
            synchronized (Code_15_Test.class) {
                try {
                    Thread.sleep(100000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "t6");
        t6.start();

        // 主线程休眠 1 秒, 目的是为了等待 t3 线程执行完
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        log.info("t1 线程状态: {}", t1.getState());
        log.info("t2 线程状态: {}", t2.getState());
        log.info("t3 线程状态: {}", t3.getState());
        log.info("t4 线程状态: {}", t4.getState());
        log.info("t5 线程状态: {}", t5.getState());
        log.info("t6 线程状态: {}", t6.getState());
    }

}

结论

本章的重点在于掌握
1）线程的创建
2）线程重要的 API，如 start、run、sleep、yield、join、interrupt 等
3）线程的状态
4）原理方面，线程的运行流程，栈、栈帧、上下文切换、程序计数器等知识。
5）Thread 两种创建线程的源码
6）使用 interrupt 来编写两阶段终止

三、共享模型之管程

1、线程共享带来的问题

线程出现问题的根本原因是因为线程上下文切换，导致线程里的指令没有执行完就切换执行其它线程了。

	public static int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 1;i < 5000; i++){
                count++;
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 1;i < 5000; i++){
                count--;
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("count的值是{}",count);
    }

如上代码，当执行 count++ 或者 count-- 操作的时候，从字节码分析，实际上是 4 步操作。

count++; // 操作字节码如下：
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

count--; // 操作字节码如下：
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

• 当 CPU 时间片分给 t1 线程时，t1 线程去读取变量值为 0 并且执行 ++ 的操作，如上在字节码自增操作中，当 t1 执行完自增，还没来得急将修改后的值存入静态变量时，假如线程的时间片用完了，并且 CPU 将时间片分配给 t2 线程，t2 线程拿到时间片执行自减操作，并且将修改后的值存入静态变量，此时 count 的值为 -1，但是当 CPU 将时间片分给经历了上下文切换的 t1 线程时，t1 将修改后的值存入静态变量，此时 counter 的值为 1，覆盖了 t2 线程执行的结果，出现了丢失更新，这就是多线对共享资源读取的问题。

1）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--; 
}

2）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

2、synchronized 解决方案

1）解决手段

• 为了避免临界区中的竞态条件发生，由多种手段可以达到。
• 阻塞式解决方案：synchronized ，Lock
• 非阻塞式解决方案：原子变量
• 现在讨论使用 synchronized 来进行解决，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持有对象锁，其他线程如果想获取这个锁就会阻塞住，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。

2）synchronized 语法

synchronized(对象) {
	//临界区
}

3）synchronized 加在方法上

• 加在成员方法上，锁住的是对象

public class Test {
	// 在方法上加上synchronized关键字
	public synchronized void test() {
	
	}
	// 等价于
	public void test() {
		synchronized(this) { // 锁住的是对象
		
		}
	}
}

• 加在静态方法上，锁住的是类

public class Test {
	// 在静态方法上加上 synchronized 关键字
	public synchronized static void test() {
	
	}
	//等价于
	public void test() {
		synchronized(Test.class) { // 锁住的是类
		
		}
	}
}

3、变量的线程安全分析

任何一个类只要没有成员变量，就是线程安全的。

解释：
因为成员方法是每个线程私有的，而我们常说的线程安全问题就是我们通过成员方法访问了成员变量，从而造成了线程之间成员变量状态不一致的问题，所以只要没有成员变量，就不会有不一致问题，从而也就不会有线程安全问题。
至于为什么访问了成员变量就会有线程安全问题: 是因为成员变量的对象分配是在堆内存中的，所以是为所有线程所共享的，所以可能会被多个线程同时访问，从而造成线程不安全

类的私有成员变量，若是多例则是线程私有，若单例则全局共享

1）成员变量和静态变量的线程安全分析

• 如果变量没有在线程间共享，那么线程对该变量操作是安全的
• 如果变量在线程间共享
  • 如果只有读操作，则线程安全
  • 如果有读写操作，则这段代码就是临界区，需要考虑线程安全问题

2）局部变量线程安全分析

• 局部变量【局部变量被初始化为基本数据类型】是安全的
• 局部变量是引用类型或者是对象引用则未必是安全的
  • 如果局部变量引用的对象没有引用线程共享的对象，那么是线程安全的
  • 如果局部变量引用的对象引用了一个线程共享的对象，那么要考虑线程安全问题

3）线程安全的情况

public static void test() {
     int i = 10;
     i++;
}

• 局部变量被初始化为基本数据类型是安全的，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
  

4）线程不安全的情况

• 如果局部变量引用的对象逃离方法的范围，那么要考虑线程安全的，分析如下代码：

@Slf4j(topic = "c.Code_18_Test")
public class Code_18_Test {
    public static void main(String[] args) {
        UnsafeTest unsafeTest = new UnsafeTest();
        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                unsafeTest.method1();
            }, "t" + i).start();
        }
    }
}

class UnsafeTest {
    List<Integer> list = new ArrayList<>();

    public void method1() {
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            method2();
            method3();
        }
    }

    public void method2() {
        list.add(1);
    }

    public void method3() {
        list.remove(0);
    }

}

5）不安全原因分析

• 如图所示，因为 list 是实例变量，则多个线程都会使用到这个共享的实例变量，就会出现线程安全问题，
• 为什么会有安全问题呢，首先要理解 list 添加元素的几步操作，第一步会获取添加元素的下标 index，第二步对指定的 index 位置添加元素，第三步将 index 往后移。
• 当 t0 线程从 list 拿到 index = 0 后，t0 线程的时间片用完，出现上下文切换，t1 获取时间片开始执行，从 list 也拿到 index =0，然后将元素添加到 index 位置，然后将 index 值加 1，然后 t0 线程获取时间片，对 index = 0 位置添加元素，此时 index = 0 已经存在元素，就会出现报错。

6）解决方法

• 可以将 list 修改成局部变量，然后将 list 作为引用传入方法中，因为局部变量是每个线程私有的，不会出现共享问题，那么就不会有上述问题了。修改的代码如下：

class SafeTest {
    public void method1() {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    public void method2(List<Integer> list) {
        list.add(1);
    }
    public void method3(List<Integer> list) {
        list.remove(0);
    }
}

7）思考 private 或 final的重要性

• 在上述代码中，其实存在线程安全的问题，因为 method2，method3 方法都是用 public 声明的，如果一个类继承 SafeTest 类，对 method2，method3 方法进行了重写，比如重写 method3 方法，代码如下：

class UnsafeSubTest extends UnsafeTest {
    @Override
    public void method3(List<Integer> list) {
        new Thread(() -> {
            list.remove(0);
        }).start();
    }
}

• 可以看到重写的方法中又使用到了线程，当主线程和重写的 method3 方法的线程同时存在，此时 list 就是这两个线程的共享资源了，就会出现线程安全问题，我们可以用 private 访问修饰符解决此问题，代码实现如下：

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);
    }
}
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】。

8）常见线程安全类

• String
• Integer
• StringBuffer
• Random
• Vector （List的线程安全实现类）
• Hashtable （Hash的线程安全实现类）
• 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。如：

Hashtable table = new Hashtable();
new Thread(()->{
 	table.put("key1", "value1");
}).start();
new Thread(()->{
 	table.put("key2", "value2");
}).start();

线程安全类方法的组合

• 注意它们多个方法的组合不是原子的，看如下代码

Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2
if( table.get("key") == null) {
    table.put("key", value);
}

• 如上图所示，当使用方法组合时，出现了线程安全问题，当线程 1 执行完 get(“key”) ，这是一个原子操作没出问题，但是在 get(“key”) == null 比较时，如果线程的时间片用完了，线程 2 获取时间片执行了 get(“key”) == null 操作，然后进行 put(“key”, “v2”) 操作，结束后，线程 1 被分配 cpu 时间片继续执行，执行 put 操作就会出现线程安全问题。

不可变类的线程安全

• String和Integer类都是不可变的类，因为其类内部状态是不可改变的，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，其实调用这些方法返回的已经是一个新创建的对象了！

public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
        if (beginIndex < 0) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
        }
        if (endIndex > value.length) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
        }
        int subLen = endIndex - beginIndex;
        if (subLen < 0) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
        }
        return ((beginIndex == 0) && (endIndex == value.length)) ? this
                : new String(value, beginIndex, subLen); // 新建一个对象，然后返回，没有修改等操作，是线程安全的。
    }

9) 示例分析-是否线程安全

示例一：

• 分析线程是否安全，先对类的成员变量，类变量，局部变量进行考虑，如果变量会在各个线程之间共享，那么就得考虑线程安全问题了，如果变量A引用的是线程安全类的实例，并且只调用该线程安全类的一个方法，那么该变量A是线程安全的的。下面对实例一进行分析：此类不是线程安全的，MyAspect切面类是单例，成员变量start 会被多个线程同时进行读写操作
• 如果同时需要使用前置和后置通知，建议使用环绕通知

@Aspect
@Component
public class MyAspect {
     // 是否安全？
     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));
     }
}

示例二：

• 此例是典型的三层模型调用，MyServlet、UserServiceImpl、UserDaoImpl类都只有一个实例，UserDaoImpl类中没有成员变量，update方法里的变量引用的对象不是线程共享的，所以是线程安全的；UserServiceImpl类中只有一个线程安全的UserDaoImpl类的实例，那么UserServiceImpl类也是线程安全的，同理 MyServlet也是线程安全的

public class MyServlet extends HttpServlet {
 // 是否安全
 private UserService userService = new UserServiceImpl();
 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
 userService.update(...);
 }
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
 // 是否安全
 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
 try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){
 // ...
 } catch (Exception e) {
 // ...
 }
 }
}

示例三：

• 跟示例二大体相似，UserDaoImpl类中有成员变量，那么多个线程可以对成员变量conn 同时进行操作，故是不安全的

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全
    private UserService userService = new UserServiceImpl();

    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
        userService.update(...);
    }
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
    // 是否安全
    private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
    public void update() {
        userDao.update();
    }
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
    // 是否安全
    private Connection conn = null;
    public void update() throws SQLException {
        String sql = "update user set password = ? where username = ?";
        conn = DriverManager.getConnection("","","");
        // ...
        conn.close();
    }
}

示例四：

• 跟示例三大体相似，UserServiceImpl类的update方法中 UserDao是作为局部变量存在的，所以每个线程访问的时候都会新建有一个UserDao对象，新建的对象是线程独有的，所以是线程安全的

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全
    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
    private Connection = null;
    public void update() throws SQLException {
        String sql = "update user set password = ? where username = ?";
        conn = DriverManager.getConnection("","","");
        // ...
        conn.close();
    }
}

示例五：

public abstract class Test {
    public void bar() {
        // 是否安全
        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，因为 foo 方法可以被重写，导致线程不安全。在 String 类中就考虑到了这一点，String 类是 final 关键字声明的，子类不能重写它的方法。

	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();
	    }
	}

4、Monitor 概念在这里插入图片描述

1）Java 对象头

• 以 32 位虚拟机为例,普通对象的对象头结构如下，其中的 Klass Word 为指针，指向对应的 Class 对象；

普通对象

数组对象

其中 Mark Word 结构为

64 位虚拟机 Mark Word

参考文章

2）Monitor 原理

• Monitor 被翻译为监视器或者说管程
• 每个 java 对象都可以关联一个 Monitor ，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级），该对象头的 Mark Word 中就被设置为指向 Monitor 对象的指针。

• 刚开始时 Monitor 中的 Owner 为 null
• 当 Thread-2 执行 synchronized(obj){} 代码时就会将 Monitor 的所有者Owner 设置为 Thread-2，上锁成功，Monitor 中同一时刻只能有一个 Owner
• 当 Thread-2 占据锁时，如果线程 Thread-3 ，Thread-4 也来执行synchronized(obj){} 代码，就会进入 EntryList（阻塞队列） 中变成BLOCKED（阻塞） 状态
• 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

5、synchronized 原理进阶

1）synchronized 用于同步代码块与同步方法原理

参考文章

2）轻量级锁

轻量级锁的使用场景是：如果一个对象虽然有多个线程要对它进行加锁，但是加锁的时间是错开的（也就是没有人可以竞争的），那么可以使用轻量级锁来进行优化。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
     }
}

加锁过程

• 每次指向到 synchronized 代码块时，都会创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都会包含一个锁记录的结构，锁记录内部可以储存对象的 Mark Word 和对象引用 reference

• 让锁记录中的 Object reference 指向对象，并且尝试用 cas(compare and sweep) 替换 Object 对象的 Mark Word ，将 Mark Word 的值存入锁记录中。

• 如果 cas 替换成功，那么对象的对象头储存的就是锁记录的地址和状态 00 表示轻量级锁，如下所示
• 如果cas失败，有两种情况
  1. 如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，那么表示有竞争，首先会进行自旋锁，自旋一定次数后，如果还是失败就进入锁膨胀阶段。
  2. 如果是自己的线程已经执行了 synchronized 进行加锁，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数。

解锁过程

• 当线程退出 synchronized 代码块的时候，如果获取的是取值为 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
  
• 当线程退出 synchronized 代码块的时候，如果获取的锁记录取值不为 null，那么使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象
  • 成功则解锁成功
  • 失败，则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

3）锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，cas 操作无法成功，这是有一种情况就是其它线程已经为这个对象加上了轻量级锁，这是就要进行锁膨胀，将轻量级锁变成重量级锁。

	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 变成BLOCKED状态

• 当 Thread-0 退出 synchronized 同步块时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，对象的对象头指向 Monitor，那么会进入重量级锁的解锁过程，即按照 Monitor 的地址找到 Monitor 对象，将 Owner 设置为 null ，唤醒 EntryList 中的 Thread-1 线程

4）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（即在自旋的时候持锁的线程释放了锁），那么当前线程就可以不用进行上下文切换就获得了锁

• 自旋重试成功的情况
• 自旋重试失败的情况，自旋了一定次数还是没有等到持锁的线程释放锁
  
• 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

5）偏向锁

在轻量级的锁中，我们可以发现，如果同一个线程对同一个对象进行重入锁时，也需要执行 CAS 操作，这是有点耗时滴，那么 java6 开始引入了偏向锁的东东，只有第一次使用 CAS 时将对象的 Mark Word 头设置为偏向线程 ID，之后这个入锁线程再进行重入锁时，发现线程 ID 是自己的，那么就不用再进行CAS了。

• 分析代码，比较轻量级锁与偏向锁

	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
		}
	}

• 分析如图：
  
  

偏向状态

• 对象头格式如下：
  

一个对象的创建过程

1. 如果开启了偏向锁（默认是开启的），那么对象刚创建之后，Mark Word 最后三位的值101，并且这是它的 Thread，epoch，age 都是 0 ，在加锁的时候进行设置这些的值.
2. 偏向锁默认是延迟的，不会在程序启动的时候立刻生效，如果想避免延迟，可以添加虚拟机参数来禁用延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟
3. 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
4. 注意：处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中

撤销偏向

以下几种情况会使对象的偏向锁失效

• 调用对象的 hashCode 方法

• 因为偏向锁的线程ID占用了无锁状态下的hashcode的位置。调用object.hashCode()就会把对象头中存储的线程ID清空，用来存储hashCode。
• 为什么轻量级锁和重量级锁对象调用object.hashCode()时，轻量级锁和重量级锁不会失效？
  • 因为轻量级锁对象的hashCode存储在线程栈帧的Lock recode中；重量级锁对象的hashCode存储在Mointer中，解锁时会还原。而偏向级锁没有额外的存储空间

• 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
• 调用了 wait/notify 方法（调用wait方法会导致锁膨胀而使用重量级锁）

批量重偏向

• 如果对象虽然被多个线程访问，但是线程间不存在竞争，这时偏向 t1 的对象仍有机会重新偏向 t2
  重偏向会重置Thread ID
• 当撤销超过20次后（超过阈值），JVM 会觉得是不是偏向错了，这时会在给对象加锁时，重新偏向至加锁线程。

批量撤销

• 当撤销偏向锁的阈值超过 40 以后，就会将整个类的对象都改为不可偏向的

小结

• 从JDK1.6开始，synchronized锁的实现发生了很大的变化；JVM引入了相应的优化手段来提升synchronized锁的性能，这种提升涉及到偏向锁，轻量级锁以及重量级锁，从而减少锁的竞争带来的用户态与内核态之间的切换；这种锁的优化实际上是通过java对象头中的一些标志位去实现的；对于锁的访问与改变，实际上都是与java对象头息息相关。
• 对象实例在堆中会被划分为三个部分：对象头，实例数据与对其填充。
• 对象头也是由三块内容来构成：
  1. Mark Word
  2. 指向类的指针
  3. 数组长度
• 其中Mark Word（它记录了对象，锁及垃圾回收的相关信息，在64位的JVM中，其长度也是 64bit 的）的位信息包括如下组成部分：
  1. 无锁标记（hashcode、分代年龄、偏向锁标志）
  2. 偏向锁标记 （偏向线程 id）
  3. 轻量级锁标记 （锁记录）
  4. 重量级锁标记 （Monitor）
  5. GC标记
• 对于 synchronized 锁来说，锁的升级主要是通过 Mark Word 中的锁标记位与是否是偏向锁标记为来达成的；synchronized 关键字所对象的锁都是先从偏向锁开始，随着锁竞争的不断升级，逐步演化至轻量级锁，最后变成了重量级锁。
• 一个对象刚开始实例化的时候，没有任何线程来访问它的时候。它是可偏向的，意味着，它现在认为只可能有一个线程来访问它，所以当第一个线程来访问它的时候，它会偏向这个线程，此时，对象持有偏向锁。偏向第一个线程，这个线程在修改对象头成为偏向锁的时候使用CAS操作，并将对象头中的ThreadID改成自己的ID，之后再次访问这个对象时，只需要对比ID，不需要再使用CAS在进行操作。
• 一旦有第二个线程访问这个对象，因为偏向锁不会主动释放，所以第二个线程可以看到对象时偏向状态，这时表明在这个对象上已经存在竞争了，检查原来持有该对象锁的线程是否依然存活，如果挂了，则可以将对象变为无锁状态，然后重新偏向新的线程，如果原来的线程依然存活，则马上执行那个线程的操作栈，检查该对象的使用情况，如果仍然需要持有偏向锁，则偏向锁升级为轻量级锁，（偏向锁就是这个时候升级为轻量级锁的）。如果不存在使用了，则可以将对象回复成无锁状态，然后重新偏向。
• 轻量级锁认为竞争存在，但是竞争的程度很轻，一般两个线程对于同一个锁的操作都会错开，或者说稍微等待一下（自旋），另一个线程就会释放锁。但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁膨胀为重量级锁，重量级锁使除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞，防止CPU空转。

6、Wait/Notify

1）原理

• 锁对象调用wait方法（obj.wait），就会使当前线程进入 WaitSet 中，变为 WAITING 状态。
• 处于BLOCKED和 WAITING 状态的线程都为阻塞状态，CPU 都不会分给他们时间片。但是有所区别：
  • BLOCKED 状态的线程是在竞争对象时，发现 Monitor 的 Owner 已经是别的线程了，此时就会进入 EntryList 中，并处于 BLOCKED 状态
  • WAITING 状态的线程是获得了对象的锁，但是自身因为某些原因需要进入阻塞状态时，锁对象调用了 wait 方法而进入了 WaitSet 中，处于 WAITING 状态
• BLOCKED 状态的线程会在锁被释放的时候被唤醒，
• 处于 WAITING 线程会在 Owner 线程调用 notify 或 notifyAll 时唤醒，但唤醒后并不意味者立刻获得锁，仍需进入EntryList 重新竞争

2）Wait 与 Sleep 的区别

• Sleep 是 Thread 类的静态方法，Wait 是 Object 的方法，Object 又是所有类的父类，所以所有类都有Wait方法。
• Sleep 在阻塞的时候不会释放锁，而 Wait 在阻塞的时候会释放锁，它们都会释放 CPU 资源。
• Sleep 不需要与 synchronized 一起使用，而 Wait 需要与 synchronized 一起使用（对象被锁以后才能使用）
• 使用 wait 一般需要搭配 notify 或者 notifyAll 来使用，不然会让线程一直等待。

3）优雅地使用 wait/notify

什么时候适合使用wait

• 当线程不满足某些条件，需要暂停运行时，可以使用 wait 。这样会将对象的锁释放，让其他线程能够继续运行。如果此时使用 sleep，会导致所有线程都进入阻塞，导致所有线程都没法运行，直到当前线程 sleep 结束后，运行完毕，才能得到执行。

使用wait/notify需要注意什么

• 当有多个线程在运行时，对象调用了 wait 方法，此时这些线程都会进入 WaitSet 中等待。如果这时使用了 notify 方法，可能会造成虚假唤醒（唤醒的不是满足条件的等待线程），这时就需要使用 notifyAll 方法

	synchronized (lock) {
		while(不满足条件，一直循环等待，避免虚假唤醒) {
			lock.wait();
		}
		//满足条件后再运行
	}
	
	synchronized (lock) {
		//唤醒所有等待线程
		lock.notifyAll();
	}

4）同步模式之保护性暂停

即 Guarded Suspension，用在一个线程等待另一个线程的执行结果，要点：

• 有一个结果需要从一个线程传递到另一个线程，让他们关联同一个 GuardedObject
• 如果有结果不断从一个线程到另一个线程那么可以使用消息队列（见生产者/消费者）
• JDK 中，join 的实现、Future 的实现，采用的就是此模式
• 因为要等待另一方的结果，因此归类到同步模式

多任务版 GuardedObject 图中 Futures 就好比居民楼一层的信箱（每个信箱有房间编号），左侧的 t0，t2，t4 就好比等待邮件的居民，右侧的 t1，t3，t5 就好比邮递员如果需要在多个类之间使用 GuardedObject 对象，作为参数传递不是很方便，因此设计一个用来解耦的中间类，这样不仅能够解耦【结果等待者】和【结果生产者】，还能够同时支持多个任务的管理。和生产者消费者模式的区别就是：这个生产者和消费者之间是一一对应的关系，但是生产者消费者模式并不是。rpc 框架的调用中就使用到了这种模式。

代码如下：

/**
 * 同步模式-保护性暂停 (Guarded-Suspension-pattern)
 */
@Slf4j(topic = "c.Code_23_Test")
public class Code_23_Test {

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new People().start();
        }

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        for(Integer id : Mailboxes.getIds()) {
            new Postman(id, "内容 " + id).start();
        }
    }

}

@Slf4j(topic = "c.People")
class People extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        GuardedObject guardedObject = Mailboxes.createGuardedObject();
        log.info("收信的为 id: {}", guardedObject.getId());
        Object o = guardedObject.get(5000);
        log.info("收到信的 id: {}, 内容: {}", guardedObject.getId(), o);
    }
}

@Slf4j(topic = "c.Postman")
class Postman extends Thread {

    private int id;
    private String mail;

    public Postman(int id, String mail) {
        this.id = id;
        this.mail = mail;
    }

    @Override
    public void run() {
        GuardedObject guardedObject = Mailboxes.getGuardedObject(id);
        log.info("送信的 id: {}, 内容: {}", id, mail);
        guardedObject.complete(mail);
    }
}

class Mailboxes {

    private static int id = 1;
    private static Map<Integer, GuardedObject> boxes = new Hashtable<>();

    public static synchronized int generateId() {
        return id++;
    }

    // 用户会进行投信
    public static GuardedObject createGuardedObject() {
        GuardedObject guardedObject = new GuardedObject(generateId());
        boxes.put(guardedObject.getId(), guardedObject);
        return guardedObject;
    }

    // 派件员会派发信
    public static GuardedObject getGuardedObject(int id) {
        return boxes.remove(id);
    }

    public static Set<Integer> getIds() {
        return boxes.keySet();
    }
}

class GuardedObject {

    private int id;

    public GuardedObject(int id) {
        this.id = id;
    }

    public int getId() {
        return this.id;
    }

    private Object response;

    // 优化等待时间
    public Object get(long timeout) {
        synchronized (this) {
            long begin = System.currentTimeMillis();
            long passTime = 0;
            while (response == null) {
                long waitTime = timeout - passTime; // 剩余等待时间
                if(waitTime <= 0) {
                    break;
                }
                try {
                    this.wait(waitTime);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                passTime = System.currentTimeMillis() - begin;
            }
            return response;
        }
    }

    public void complete(Object response) {
        synchronized (this) {
            this.response = response;
            this.notify();
        }
    }

}

5）异步模式之生产者/消费者

• 与前面的保护性暂停中的 GuardObject 不同，不需要产生结果和消费结果的线程一一对应
• 消费队列可以用来平衡生产和消费的线程资源
• 生产者仅负责产生结果数据，不关心数据该如何处理，而消费者专心处理结果数据
• 消息队列是有容量限制的，满时不会再加入数据，空时不会再消耗数据
• JDK 中各种阻塞队列，采用的就是这种模式
• “异步”的意思就是生产者产生消息之后消息没有被立刻消费，而“同步模式”中，消息在产生之后被立刻消费了。
  

小结

• 当调用 wait 时，首先需要确保调用了 wait 方法的线程已经持有了对象的锁(调用 wait 方法的代码片段需要放在 Synchronized块或者时 Synchronized方法中，这样才可以确保线程在调用wait方法前已经获取到了对象的锁)
• 当调用 wait 时，该线程就会释放掉这个对象的锁，然后进入等待状态 (waitSet)
• 当线程调用了 wait 后进入到等待状态时，它就可以等待其他线程调用相同对象的 notify 或者 notifyAll 方法使得自己被唤醒
• 一旦这个线程被其它线程唤醒之后，该线程就会与其它线程以同开始竞争这个对象的锁；
• 只有当该线程获取到对象的锁后，线程才会继续往下执行
• 当调用对象的 notify 方法时，他会随机唤醒对象等待集合 (wait set) 中的任意一个线程，当某个线程被唤醒后，它就会与其它线程一同竞争对象的锁
• 当调用对象的 notifyAll 方法时，它会唤醒该对象等待集合 (wait set) 中的所有线程，这些线程被唤醒后，又会开始竞争对象的锁
• 在某一时刻，只有唯一的一个线程能拥有对象的锁

7、park & unpark

1）基本使用

• park & unpark 是 LockSupport 线程通信工具类的静态方法。

	// 暂停当前线程
	LockSupport.park();
	// 恢复某个线程的运行
	LockSupport.unpark;

2）park unpark 原理

• 每个线程都有自己的一个 Parker 对象，由三部分组成 _counter， _cond 和 _mutex
• 打个比喻线程就像一个旅人，Parker 就像他随身携带的背包，条件变量 _ cond 就好比背包中的帐篷。
• _counter 就好比背包中的备用干粮（0 为耗尽，1 为充足）
• 调用 park 就是要看需不需要停下来歇息

如果备用干粮耗尽，那么钻进帐篷歇息
如果备用干粮充足，那么不需停留，继续前进

• 调用 unpark，就好比令干粮充足

如果这时线程还在帐篷，就唤醒让他继续前进
如果这时线程还在运行，那么下次他调用 park 时，仅是消耗掉备用干粮，不需停留继续前进
因为背包空间有限，多次调用 unpark 仅会补充一份备用干粮

先调用park再调用upark的过程

• 先调用 park

当前线程调用 Unsafe.park() 方法
检查 _counter ，本情况为 0，这时，获得 _mutex，互斥锁(mutex对象有个等待队列 _cond)
线程进入 _cond 条件变量阻塞
设置 _counter = 0

• 调用 unpark

调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法
设置 _counter 为 1 唤醒 _cond 条件变量中的 Thread_0
Thread_0 恢复运行
设置 _counter 为 0

先调用upark再调用park的过程

调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法
设置 _counter 为 1
当前线程调用 Unsafe.park() 方法
检查 _counter ，本情况为 1，这时线程无需阻塞，继续运行
设置 _counter 为 0

8、线程状态转换

• 情况一：NEW –> RUNNABLE

当调用了 t.start() 方法时，由 NEW –> RUNNABLE

• 情况二： RUNNABLE <–> WAITING

• 当调用了t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后，调用 obj.wait() 方法时，t 线程从 RUNNABLE –> WAITING
• 调用 obj.notify() ， obj.notifyAll() ， t.interrupt() 时，会在 WaitSet 等待队列中出现锁竞争，非公平竞争
  竞争锁成功，t 线程从 WAITING –> RUNNABLE
  竞争锁失败，t 线程从 WAITING –> BLOCKED

• 情况三：RUNNABLE <–> WAITING

• 当前线程调用 t.join() 方法时，当前线程从 RUNNABLE –> WAITING
  注意是当前线程在 t 线程对象的监视器上等待
• t 线程运行结束，或调用了当前线程的 interrupt() 时，当前线程从 WAITING –> RUNNABLE

• 情况四： RUNNABLE <–> WAITING

• 当前线程调用 LockSupport.park() 方法会让当前线程从 RUNNABLE –> WAITING
• 调用 LockSupport.unpark(目标线程) 或调用了线程 的 interrupt() ，会让目标线程从 WAITING –> RUNNABLE

• 情况五： RUNNABLE <–> TIMED_WAITING

• t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后, 调用 obj.wait(long n) 方法时，t 线程从 RUNNABLE –> TIMED_WAITING
• t 线程等待时间超过了 n 毫秒，或调用 obj.notify() ， obj.notifyAll() ， t.interrupt() 时
  竞争锁成功，t 线程从 TIMED_WAITING –> RUNNABLE
  竞争锁失败，t 线程从 TIMED_WAITING –> BLOCKED

• 情况六：RUNNABLE <–> TIMED_WAITING

• 当前线程调用 t.join(long n) 方法时，当前线程从 RUNNABLE –> TIMED_WAITING
  注意是当前线程在 t 线程对象的监视器上等待
• 当前线程等待时间超过了 n 毫秒，或 t 线程运行结束，或调用了当前线程的 interrupt() 时，当前线程从 TIMED_WAITING –> RUNNABLE

• 情况七：RUNNABLE <–> TIMED_WAITING

• 当前线程调用 Thread.sleep(long n) ，当前线程从 RUNNABLE –> TIMED_WAITING
• 当前线程等待时间超过了 n 毫秒，当前线程从 TIMED_WAITING –> RUNNABLE

• 情况八：RUNNABLE <–> TIMED_WAITING

• 当前线程调用 LockSupport.parkNanos(long nanos) 或 LockSupport.parkUntil(long millis) 时，当前线 程从 RUNNABLE –> TIMED_WAITING
• 调用 LockSupport.unpark(目标线程) 或调用了线程 的 interrupt() ，或是等待超时，会让目标线程从 TIMED_WAITING–> RUNNABLE

• 情况九：RUNNABLE <–> BLOCKED

• t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁时如果竞争失败，从 RUNNABLE –> BLOCKED
• 持 obj 锁线程的同步代码块执行完毕，会唤醒该对象上所有 BLOCKED 的线程重新竞争，如果其中 t 线程竞争 成功，从 BLOCKED –> RUNNABLE ，其它失败的线程仍然 BLOCKED

• 情况十： RUNNABLE <–> TERMINATED

• 当前线程所有代码运行完毕，进入 TERMINATED

9、活跃性

1）定义

• 线程因为某些原因，导致代码一直无法执行完毕，这种的现象叫做活跃性。

2）死锁

• 有这样的情况：一个线程需要同时获取多把锁，这时就容易发生死锁
• 如：t1 线程获得 A 对象锁，接下来想获取 B 对象的锁 t2 线程获得 B 对象锁，接下来想获取 A 对象的锁。

    public static void main(String[] args) {
		final Object A = new Object();
		final Object B = new Object();
		new Thread(()->{
			synchronized (A) {
				try {
					Thread.sleep(2000);
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				synchronized (B) {

				}
			}
		}).start();

		new Thread(()->{
			synchronized (B) {
				try {
					Thread.sleep(1000);
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				synchronized (A) {

				}
			}
		}).start();
	}

发生死锁的必要条件

• 互斥条件

在一段时间内，一种资源只能被一个进程所使用

• 请求和保持条件

进程已经拥有了至少一种资源，同时又去申请其他资源。因为其他资源被别的进程所使用，该进程进入阻塞状态，并且不释放自己已有的资源

• 不可抢占条件

进程对已获得的资源在未使用完成前不能被强占，只能在进程使用完后自己释放

• 循环等待条件

发生死锁时，必然存在一个进程——资源的循环链。

死锁图示

定位死锁的方法

• 检测死锁可以使用 jconsole工具；或者使用 jps 定位进程 id，再用 jstack 根据进程 id 定位死锁。

哲学家就餐问题

• 有五位哲学家，围坐在圆桌旁。 他们只做两件事，思考和吃饭，思考一会吃口饭，吃完饭后接着思考。 吃饭时要用两根筷子吃，桌上共有 5 根筷子，每位哲学家左右手边各有一根筷子。 如果筷子被身边的人拿着，自己就得等待 。
• 当每个哲学家即线程持有一根筷子时，他们都在等待另一个线程释放锁，因此造成了死锁。这种线程没有按预期结束，执行不下去的情况，归类为【活跃性】问题，除了死锁以外，还有活锁和饥饿者两种情况。

避免死锁的方法

• 在线程使用锁对象时，顺序加锁即可避免死锁
  

3）活锁

• 活锁出现在两个线程互相改变对方的结束条件，谁也无法结束。
• 避免活锁的方法
  在线程执行时，中途给予不同的间隔时间即可。
• 死锁与活锁的区别

• 死锁是因为线程互相持有对象想要的锁，并且都不释放，最后到时线程阻塞，停止运行的现象。
• 活锁是因为线程间修改了对方的结束条件，而导致代码一直在运行，却一直运行不完的现象。

4）饥饿

• 某些线程因为优先级太低，导致一直无法获得资源的现象。
  在使用顺序加锁时，可能会出现饥饿现象

10、ReentrantLock

• 和 synchronized 相比具有的的特点

1. 可中断
2. 可以设置超时时间
3. 可以设置为公平锁 (先到先得)
4. 支持多个条件变量( 具有多个 WaitSet)

	// 获取ReentrantLock对象
	private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
	// 加锁
	lock.lock();
	try {
		// 需要执行的代码
	}finally {
		// 释放锁
		lock.unlock();
	}

1）可重入

• 可重入是指同一个线程如果首次获得了这把锁，那么因为它是这把锁的拥有者，因此有权利再次获取这把锁
• 如果是不可重入锁，那么第二次获得锁时，自己也会被锁挡住

2）可打断

• 如果某个线程处于阻塞状态，可以调用其 interrupt 方法让其停止阻塞，获得锁失败
• 简而言之就是：处于阻塞状态的线程，被打断了就不用阻塞了，直接停止运行

    public static void main(String[] args) {
		ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
		Thread t1 = new Thread(() -> {
			try {
				// 加锁，可打断锁
				lock.lockInterruptibly();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
                // 被打断，返回，不再向下执行
				return;
			}finally {
				// 释放锁
				lock.unlock();
			}

		});

		lock.lock();
		try {
			t1.start();
			Thread.sleep(1000);
			// 打断
			t1.interrupt();
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		} finally {
			lock.unlock();
		}
	}

3）锁超时

• 使用 lock.tryLock 方法会返回获取锁是否成功。如果成功则返回 true ，反之则返回 false 。
• 并且 tryLock 方法可以指定等待时间，参数为：tryLock(long timeout, TimeUnit unit), 其中 timeout 为最长等待时间，TimeUnit 为时间单位
• tryLock()只有在调用时才可以获得锁。 如果可用，则获取锁定，并立即返回值为true 。 如果锁不可用，则此方法将立即返回值为false 。
• 简而言之就是：获取锁失败了、获取超时了或者被打断了，不再阻塞，直接停止运行。

不设置等待时间

    public static void main(String[] args) {
		ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
		Thread t1 = new Thread(() -> {
            // 未设置等待时间，一旦获取失败，直接返回false
			if(!lock.tryLock()) {
				System.out.println("获取失败");
                // 获取失败，不再向下执行，返回
				return;
			}
			System.out.println("得到了锁");
			lock.unlock();
		});


		lock.lock();
		try{
			t1.start();
			Thread.sleep(3000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		} finally {
			lock.unlock();
		}
	}

设置等待时间

    public static void main(String[] args) {
		ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
		Thread t1 = new Thread(() -> {
			try {
				// 判断获取锁是否成功，最多等待1秒
				if(!lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
					System.out.println("获取失败");
					// 获取失败，不再向下执行，直接返回
					return;
				}
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
				// 被打断，不再向下执行，直接返回
				return;
			}
			System.out.println("得到了锁");
			// 释放锁
			lock.unlock();
		});


		lock.lock();
		try{
			t1.start();
			// 打断等待
			t1.interrupt();
			Thread.sleep(3000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		} finally {
			lock.unlock();
		}
	}

4）公平锁

• 在线程获取锁失败，进入阻塞队列时，先进入的会在锁被释放后先获得锁。这样的获取方式就是公平的。

	// 默认是不公平锁，需要在创建时指定为公平锁
	ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

5）条件变量

• synchronized 中也有条件变量，就是我们讲原理时那个 waitSet 休息室，当条件不满足时进入waitSet 等待。
• ReentrantLock 的条件变量比 synchronized 强大之处在于，它是支持多个条件变量的，这就好比
• synchronized 是那些不满足条件的线程都在一间休息室等消息
• 而 ReentrantLock 支持多间休息室，有专门等烟的休息室、专门等早餐的休息室、唤醒时也是按休息室来唤醒

使用要点：

1. await 前需要获得锁
2. await 执行后，会释放锁，进入 conditionObject 等待
3. await 的线程被唤醒（或打断、或超时）取重新竞争 lock 锁
4. 竞争 lock 锁成功后，从 await 后继续执

11、同步模式之顺序控制

• 线程 1 输出 a 5 次，线程 2 输出 b 5 次，线程 3 输出 c 5 次。现在要求输出 abcabcabcabcabc 怎么实现。

1）Wait/Notify 实现

public class Code_32_Test {

    public static void main(String[] args) {
        WaitAndNotify waitAndNotify = new WaitAndNotify(1, 5);

        new Thread(()->{
            waitAndNotify.run("a", 1, 2);
        }).start();
        new Thread(()->{
            waitAndNotify.run("b", 2, 3);
        }).start();
        new Thread(()->{
            waitAndNotify.run("c", 3, 1);
        }).start();
    }
}

class WaitAndNotify {
    public void run(String str, int flag, int nextFlag) {
        for(int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            synchronized(this) {
                while (flag != this.flag) {
                    try {
                        this.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.print(str);
                // 设置下一个运行的线程标记
                this.flag = nextFlag;
                // 唤醒所有线程
                this.notifyAll();
            }
        }
    }

    private int flag;
    private int loopNumber;

    public WaitAndNotify(int flag, int loopNumber) {
        this.flag = flag;
        this.loopNumber = loopNumber;
    }
}

2）park/unpary 实现

public class Code_33_Test {

    public static Thread t1, t2, t3;
    public static void main(String[] args) {
        ParkAndUnPark obj = new ParkAndUnPark(5);
        t1 = new Thread(() -> {
            obj.run("a", t2);
        });

        t2 = new Thread(() -> {
            obj.run("b", t3);
        });

        t3 = new Thread(() -> {
            obj.run("c", t1);
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        LockSupport.unpark(t1);
    }
}

class ParkAndUnPark {
    public void run(String str, Thread nextThread) {
        for(int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            LockSupport.park();
            System.out.print(str);
            LockSupport.unpark(nextThread);
        }
    }

    private int loopNumber;

    public ParkAndUnPark(int loopNumber) {
        this.loopNumber = loopNumber;
    }
}

3）await/signal 实现

public class Code_34_Test {

    public static void main(String[] args) {
        AwaitAndSignal lock = new AwaitAndSignal(5);
        Condition a = lock.newCondition();
        Condition b = lock.newCondition();
        Condition c = lock.newCondition();
        new Thread(() -> {
            lock.run("a", a, b);
        }).start();

        new Thread(() -> {
            lock.run("b", b, c);
        }).start();

        new Thread(() -> {
            lock.run("c", c, a);
        }).start();

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        lock.lock();
        try {
            a.signal();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

class AwaitAndSignal extends ReentrantLock {
    public void run(String str, Condition current, Condition nextCondition) {
        for(int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            lock();
            try {
                current.await();
                System.out.print(str);
                nextCondition.signal();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                unlock();
            }
        }
    }

    private int loopNumber;

    public AwaitAndSignal(int loopNumber) {
        this.loopNumber = loopNumber;
    }
}

结论

本章我们需要重点掌握的是

• 分析多线程访问共享资源时，哪些代码片段属于临界区
• 使用 synchronized 互斥解决临界区的线程安全问题
• 掌握 synchronized 锁对象语法
• 掌握 synchronzied 加载成员方法和静态方法语法
• 掌握 wait/notify 同步方法
• 使用 lock 互斥解决临界区的线程安全问题 掌握 lock 的使用细节：可打断、锁超时、公平锁、条件变量
• 学会分析变量的线程安全性、掌握常见线程安全类的使用
• 了解线程活跃性问题：死锁、活锁、饥饿

应用方面

• 互斥：使用 synchronized 或 Lock 达到共享资源互斥效果，实现原子性效果，保证线程安全。
• 同步：使用 wait/notify 或 Lock 的条件变量来达到线程间通信效果。

原理方面

• monitor、synchronized 、wait/notify 原理
• synchronized 进阶原理
• park & unpark 原理

模式方面

• 同步模式之保护性暂停
• 异步模式之生产者消费者
• 同步模式之顺序控制

最后

以上就是爱听歌向日葵为你收集整理的Java 并发编程一篇 -（Synchronized 原理、LockSupport 原理、ReentrantLock 原理）一、基本概念二、Java 线程三、共享模型之管程的全部内容，希望文章能够帮你解决Java 并发编程一篇 -（Synchronized 原理、LockSupport 原理、ReentrantLock 原理）一、基本概念二、Java 线程三、共享模型之管程所遇到的程序开发问题。

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