java 多线程总结

作者：Studying_swz

2023-06-06
天津
本文字数：7955 字
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@TOC

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----------------------------------线程的锁-----------------------------------------

1.Synchroized

前提：八股看了一遍又一遍，每次看这个 Synchroized 都有点不同，这次把整体总结一下

用处：同步代码块、同步方法
对于非静态的一般上锁就是针对当前的对象实例；而对于静态的则针对的当前类的所有对象，因为对于类的信息我们是存在方法区的，JVM 中只有一份。
对象：一个对象在存储中，包含了对象头、实例数据、对其数据。而对象头又包含了 MarkWord、类指针（指向类的信息），而对于锁这一部分，其实主要是 MarWord 这一部分：分代年龄（GC）、hashCode（HashMap）、标记位（这一部分标记了无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁）
简单说一下：无锁、偏向锁（只有一个线程）、轻量级锁（多个线程顺序执行）、重量级锁（抢锁），当然还有自旋锁，自适应自旋锁等。

所以对于锁来说，其实就是对象监视器来针对当前对象的对象头的标志位的一个抢占（对于类的话，应该是类对象吧，只有一个），主要以对象头标志抢占为主：

拥有对象监视器（锁）的线程
其他线程来的时候会进行 cas 抢锁，抢不到进到等待队列中（竞争队列、候选队列），因为可能同时有大量线程在等待队列中，所以我们将一部分线程拿到候选队列，作为下一次的锁的优先竞争者
Ondesk，下一次获取锁的线程，在当前线程释放锁之后，会在候选队列的一个线程中唤醒一个指定到 Ondesk，然后再开始竞争，这里的竞争主要是 Ondesk 线程和此时正在 cas 的线程，所以这是竞争切换，明显不公平
还有一个阻塞队列，是调用 wait 函数的线程，会把当前对象的锁释放，然后把当前线程放到阻塞队列中，只有其他线程进行 notify 唤醒，才可以重新进入等待队列的候选队列

注：三种队列：等待队列（竞争队列+候选队列）、阻塞队列、运行的线程、下次竞争的线程

2. ReetrantLock

顺便把它讲了吧，这是 JDK 实现的，而上面的是内置的；并且 ReentrantLock 需要手动释放锁，出现异常可能会产生死锁，而 Synchronized 会自动释放；两者都是非公平锁+可重入锁，但是前者（lock）可以实现公平锁，并且可中断。

内部最重要的可以说是 AQS-队列抽象同步器
继承它的内部类分别实现了公平锁、和非公平锁
思想：一个是 state 状态 = c、一个是线程队列
1.公平锁
刚开始不会直接 CAS 抢锁
if c == 0
判断队列是否为空，为空则 cas 抢锁，c = 1；否则加入队列
else 可重入（一般判断线程名是否相等）
加入队列
2.非公平锁
直接 cas 抢锁（明显不公平）
if c == 0
cas 抢锁成功 c ==1；失败加入队列
else 可重入
加入队列

注：可以看到其实和 synchroized 一样都是刚开始进行 cas 抢锁，明显不公平。

3. 线程池

继续--------

为什么需要？1.可以进行重用，来任务的时候快速的启动，避免线程的销毁 2.线程池统一管理、统一分配

参数：核心线程数量、最大线程数量、存活时间、单位、阻塞队列、拒绝策略、线程工厂

常见的几种线程池：

newFixedPoolThread（n,n,0,s,LinkedBlockingQuene）
newSinglePoolThread（1，1，0，s,LinkedBlockedQueue）
newCachePoolThread(0,Max_Value,60,s,SynchronousQuene)
newSchedulePoolThread--定时执行

  ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);  scheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {     @Override  public void run() {  System.out.println("delay 3 seconds");  }  }, 3, TimeUnit.SECONDS);

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工作原理：对于新来的任务

创建核心线程
核心线程数量达到最大，进入队列
队列满了，创建非核心线程
都满了，则拒绝策略
时间到了，非核心线程死亡

拒绝策略：

直接丢弃
丢弃 + 并抛出异常
抛弃队列队首，加入当前线程
调用当前任务的线程代为执行

阻塞队列：

LinkedBlockingQueue 无穷大
SynchronousQueue 不存储任何线程
还有其他的就不一一列举了

4.另一种锁：LockSupport

public class LockSupportTest {
    public static void main(String[] args) {        Thread parkThread = new Thread(new ParkThread());        parkThread.start();        System.out.println("开始线程唤醒");        LockSupport.unpark(parkThread);        System.out.println("结束线程唤醒");
    }
    static class ParkThread implements Runnable{
        @Override        public void run() {            System.out.println("开始线程阻塞");            LockSupport.park();            System.out.println("结束线程阻塞");        }    }}

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内部解析：
维护一个类似于信号量的值 Counter = 0 /1
park()方法，进行阻塞
unpark(线程名)方法，进行唤醒
有个问题？
1.如果先唤醒，在阻塞怎么办？
答：不会受影响
2.如果唤醒两次，阻塞两次会怎么办？？
答：会阻塞，因为唤醒两次 Counter 的值也就是 1，而阻塞第二次就会判断为 0，而真正的阻塞。

5. 乐观锁（补充）

1.cas 实现
主要是判断两次的值是否变化，while 循环一直尝试（自旋锁）
三个参数：（期望的值，当前的值，修改的值）
AtomicInteger：原子类就是这个原理，但是其内部其实是调用 unsafe 类，这个类在底层是直接获取变量的地址，通过比较地址的值来进行比较。
2.版本号实现
在 cas 的基础上加了 version
主要防止 ABA 问题，每次操作都会在 version.+1，只有同时满足 version 相等，并且 cas 为 true，才有意义。
java 中主要实现的是：AtomicStampReference

6. JMM

非常类似于 cpu + 内存 + 高度 cache
JMM : cpu + 线程 cache + 内存（jvm 的内存）
java 内存模型在实现上有着“happen-before”的规则：
1.单线程下，前面的代码>后面的代码
2.释放锁>获取锁
3.一个线程的 start 方法>后续操作
4.join 的线程>被 join 的线程
5.volatile 的写>读
6.传递性
三种特性：
可见性、有序性、原子性

7.轻量级锁 volatile

保证了可见性 + 有序性
可见性：对于 volatile 修饰的变量，当我们使用的时候，会优先从内存读取，这就保证了缓存失效的原则；即读和取都要从内存中，让不是缓存。
有序性：禁止指令重排序，内部有内存屏障，保证了顺序执行。
原子性：无法保证
场景：
1.状态量标记 volatile boolean flag；一个线程写，一个线程读
2.单例
双重 if + volatile
对于 single = new SingleInstance()；
分为三步：
1.为变量开辟空间，分配内存；2.为对象实例化赋值 3；引用指向内存地址
可能会变成 1 3 2，如果其中 1 3 执行完，切换到另一个线程，那么此时我们的变量会不是空，但是有一个问题，就是没有初始化，所以会报错。

  public class Single{    private Single(){    }    private volatile Single singleInstance = null;    public getSingle(){        //第一层if，在初始化不用走synchroinzed      if(singleInstance == null){        synchronized(Single.class){            //第二层if，防止并发的时候，重复初始化          if(singleInstance == null){            singleInstance = new Single();          }        }      }      return singleInstance;    }  }

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8.volatile 和 Synchronized 的比较

前者无法保证原子性，后者可以
前者轻量级锁，后者重量级锁
前者主要用于变量，后者主要是方法/代码块
前者主要体现内存的可见性，后者主要是访问资源的同步性

----------------------------------线程通信方式-----------------------------------------

这三个也是面试常问的，作为线程通信的方法

1.CountDownLatch(CDL)

主要是用于一个线程等待其他完成后才继续执行。

主要方法：await()、countDown()

CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(2);
//第一个线程new Thread(){  public void run(){    System.out.println("1111111");    cdl.countDown();  }}.start();//第二个线程new Thread(){  public void run(){    System.out.println("22222222222221111111");    cdl.countDown();  }}.start();
//主线程cdl.await();System0out.println("main执行！！！！！");

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2.CyclicBarrier

回环栅栏：主要是用于多个线程在某个点/状态同时执行。

主要方法：await()

int N = 4;CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(N);for(int i=0;i<N;i++){  new Thread(){    @Override    public void run(){      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--------");      cb.await();      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "after-------");    }  }}

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注：其 await(long timeout,TimeUnit unit)重载方法，让已到达的线程等待至一定的时间，如果还没有到达指定的数量，则这些开始执行。

3.Semaphore

信号量：主要控制访问临界资源的线程数量

主要方法：acqurie()、release()

//工人数int N = 8;//机器或者说是资源数Semaphore sp = new Semaphore (5);for(int i=0;i<N;i++){  new Thread(){    @Override    public void run(){      sp.acquire();      System.out.println("获取机器成功！！");      sp.release();      System.out.println("释放机器！！");    }  }}

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总结：前两者主要是实现线程之间的等待，而 semaphore 主要是控制对资源的访问

4.生产者、消费者

开始撸代码了：

4.1 Synchronized


public class MyTest01 {

    public class Data{        private  int num = 0;        public synchronized void product() throws InterruptedException {            while(num!=0){                this.wait();            }            num++;            System.out.println("生产一个！");            this.notify();        }        public synchronized void consume() throws InterruptedException {            while(num==0){                this.wait();            }            num--;            System.out.println("消费一个！");            this.notify();        }    }     @Test    public void test(){        final Data data = new Data();        //final DataLock data = new DataLock();        //生产者        new Thread(){            public void run(){                for(int i = 0;i<5;i++){                    try {                        data.product();                    } catch (InterruptedException e) {                        e.printStackTrace();                    }                }            }        }.start();        //消费者        new Thread(){            public void run(){                for(int i = 0;i<5;i++){                    try {                        data.consume();                    } catch (InterruptedException e) {                        e.printStackTrace();                    }                }            }        }.start();
    }}

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4.2 ReentrantLock


public class MyTest01 {

     public class DataLock{        private  int num = 0;        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();        Condition cd = lock.newCondition();        //Condition cd2 = lock.newCondition();
        public  void product() throws InterruptedException {            lock.lock();            while(num!=0){                cd.await();            }            num++;            System.out.println("生产一个！");            cd.signalAll();            lock.unlock();        }        public void consume() throws InterruptedException {            lock.lock();            while(num==0){                cd.await();            }            num--;            System.out.println("消费一个！");            cd.signal();            lock.unlock();        }    }         @Test    public void test(){        //final Data data = new Data();        final DataLock data = new DataLock();        //生产者        new Thread(){            public void run(){                for(int i = 0;i<5;i++){                    try {                        data.product();                    } catch (InterruptedException e) {                        e.printStackTrace();                    }                }            }        }.start();        //消费者        new Thread(){            public void run(){                for(int i = 0;i<5;i++){                    try {                        data.consume();                    } catch (InterruptedException e) {                        e.printStackTrace();                    }                }            }        }.start();
    }}

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参考链接：https://blog.csdn.net/jike11231/article/details/112792709

------------------------------线程：ThreadLocal----------------------------------

目的：每个线程都有自己的变量，线程间的数据的互相隔离，互不影响，存储在每个线程的 ThreadLocalMap 变量中，是一种类似于 HashMap 的结构，但是不一样，其没有链表，并且使用的是线性探测法。

1.7 的 ThreadLocal

1.7 的 threadlocalmap-
但是，这明显有个问题，如果线程过多（当然一般线程也是多的），那么 Entry 的数量会很多；并且 Thread 销毁后，ThreadLocal 不能销毁，因为不止一个线程，所以 1.8 进行了改进，主要看 1.8 的 ThreadLocal。

1.8 的 ThreadLocal

如上图：一个线程一个 ThreadLocalMap，看源码发现：threadlocalMap 其实定义是在 Threadlocal 内部的，有点意思啊

基本使用 1
基本使用 2
为每个线程分配一个 JDBC 连接 Connection。这样就可以保证每个线程的都在各自的 Connection 上进行数据库的操作，不会出现 A 线程关了 B 线程正在使用的 Connection；

主要方法就是在每个线程中使用 set 和 get 即可：

1）对于 set

    public void set(T value) {        Thread t = Thread.currentThread();        ThreadLocalMap map = getMap(t);        if (map != null)            map.set(this, value);        else            createMap(t, value);    }

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其实，就是获取当前线程的threadLocalMap，如果为空，则初始化；否则进行在ThreadLocalmap的插入，而这里的插入如下：

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 private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
            // We don't use a fast path as with get() because it is at            // least as common to use set() to create new entries as            // it is to replace existing ones, in which case, a fast            // path would fail more often than not.
            Entry[] tab = table;            int len = tab.length;            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
            for (Entry e = tab[i];                 e != null;                 e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {                ThreadLocal<?> k = e.get();
                if (k == key) {                    e.value = value;                    return;                }
                if (k == null) {                    replaceStaleEntry(key, value, i);                    return;                }            }
            tab[i] = new Entry(key, value);            int sz = ++size;            if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)                rehash();        }

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分析一下：就是根据key进行定位哪个数组（ThreadlocalMap就是Entry数组），类似于HashMap，如果存在key，直接替换value；如果不为空，但是key为null，这里说明了内存泄漏了（后面分析），然后使用线性探测法找到为空的（这里不同于hashmap了），就直接插入。

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2）对于 get

 public T get() {        Thread t = Thread.currentThread();        ThreadLocalMap map = getMap(t);        if (map != null) {            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);            if (e != null) {                @SuppressWarnings("unchecked")                T result = (T)e.value;                return result;            }        }        return setInitialValue();    }

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还是同理获取线程的ThreadLocalmap，然后进行值的获取；没有的话，返回null。

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3）remove

  public void remove() {        ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());        if (m != null)            m.remove(this);    }

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在ThreadLocalMap中删除Entry，当然还有内部细节，就不多说了。

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3.内存泄漏

我们在上面可以看到：ThreadLocalMap 的 key---threadlocal 其实是一个弱引用。这会出现内存泄漏问题，但是内存泄漏不是因为弱引用，即使强引用也会出现问题：

强引用使用完 ThreadLocal ，thread Local Ref 被回收了，所以造成 threadLocal 无法被回收。
弱引用由于 ThreadLocalMap 只持有 ThreadLocal 的弱引用，没有任何强引用指向 threadlocal 实例, 所以 threadlocal 就可以顺利被 gc 回收，此时 Entry 中的 key=null，但是也会又内存泄漏，就是我们无法访问 value 这快地址了。
真实原因所以跟弱引用和强引用是没有关系的，原因为：1.没有手动删除这个 Entry2.CurrentThread 依然运行
对应的方法：1.使用完 ThreadLocal，调用其 remove 方法删除对应的 Entry2.使用完 ThreadLocal，当前 Thread 也随之运行结束（一般不可控！！！尤其当使用线程池的时候）
为什么用弱引用？既然强引用和弱引用都有问题，那为什么用弱引用？事实上，在 ThreadLocalMap 中的 set/getEntry 方法中，会对 key 为 null（也即是 ThreadLocal 为 null）进行判断，如果为 null 的话， 那么是会对 value 置为 null 的。
这就意味着使用完 ThreadLocal，CurrentThread 依然运行的前提下，就算忘记调用 remove 方法，弱引用比强引用可以多一层保障：弱引用的 ThreadLocal 会被回收，对应的 value 在下一次 ThreadLocalMap 调用 set,get,remove 中的任一方法的时候会被清除，从而避免内存泄漏。

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原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/ecb68956dfa707fac2635fa3a】。文章转载请联系作者。

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java 多线程总结

----------------------------------线程的锁-----------------------------------------

1.Synchroized

2. ReetrantLock

3. 线程池

4.另一种锁：LockSupport

5. 乐观锁（补充）

6. JMM

7.轻量级锁 volatile

8.volatile 和 Synchronized 的比较

----------------------------------线程通信方式-----------------------------------------

1.CountDownLatch(CDL)

2.CyclicBarrier

3.Semaphore

4.生产者、消费者

4.1 Synchronized

4.2 ReentrantLock

------------------------------线程：ThreadLocal----------------------------------

1.7 的 ThreadLocal

1.8 的 ThreadLocal

3.内存泄漏

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