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title: 多线程、锁 |
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date: 2022-03-15 20:23:16 |
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> 注：以下内容收集自互联网。 |
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# 并发篇 |
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## 1. 线程状态 |
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**要求** |
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* 掌握 Java 线程六种状态 |
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* 掌握 Java 线程状态转换 |
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* 能理解五种状态与六种状态两种说法的区别 |
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**六种状态及转换** |
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分别是 |
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* 新建 |
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* 当一个线程对象被创建，但还未调用 start 方法时处于**新建**状态 |
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* 此时未与操作系统底层线程关联 |
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* 可运行 |
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* 调用了 start 方法，就会由**新建**进入**可运行** |
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* 此时与底层线程关联，由操作系统调度执行 |
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* 终结 |
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* 线程内代码已经执行完毕，由**可运行**进入**终结** |
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* 此时会取消与底层线程关联 |
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* 阻塞 |
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* 当获取锁失败后，由**可运行**进入 Monitor 的阻塞队列**阻塞**，此时不占用 cpu 时间 |
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* 当持锁线程释放锁时，会按照一定规则唤醒阻塞队列中的**阻塞**线程，唤醒后的线程进入**可运行**状态 |
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* 等待 |
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* 当获取锁成功后，但由于条件不满足，调用了 wait() 方法，此时从**可运行**状态释放锁进入 Monitor 等待集合**等待**，同样不占用 cpu 时间 |
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* 当其它持锁线程调用 notify() 或 notifyAll() 方法，会按照一定规则唤醒等待集合中的**等待**线程，恢复为**可运行**状态 |
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* 有时限等待 |
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* 当获取锁成功后，但由于条件不满足，调用了 wait(long) 方法，此时从**可运行**状态释放锁进入 Monitor 等待集合进行**有时限等待**，同样不占用 cpu 时间 |
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* 当其它持锁线程调用 notify() 或 notifyAll() 方法，会按照一定规则唤醒等待集合中的**有时限等待**线程，恢复为**可运行**状态，并重新去竞争锁 |
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* 如果等待超时，也会从**有时限等待**状态恢复为**可运行**状态，并重新去竞争锁 |
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* 还有一种情况是调用 sleep(long) 方法也会从**可运行**状态进入**有时限等待**状态，但与 Monitor 无关，不需要主动唤醒，超时时间到自然恢复为**可运行**状态 |
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> ***其它情况（只需了解）*** |
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> |
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> * 可以用 interrupt() 方法打断**等待**、**有时限等待**的线程，让它们恢复为**可运行**状态 |
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> * park，unpark 等方法也可以让线程等待和唤醒 |
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**五种状态** |
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五种状态的说法来自于操作系统层面的划分 |
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* 运行态：分到 cpu 时间，能真正执行线程内代码的 |
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* 就绪态：有资格分到 cpu 时间，但还未轮到它的 |
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* 阻塞态：没资格分到 cpu 时间的 |
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* 涵盖了 java 状态中提到的**阻塞**、**等待**、**有时限等待** |
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* 多出了阻塞 I/O，指线程在调用阻塞 I/O 时，实际活由 I/O 设备完成，此时线程无事可做，只能干等 |
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* 新建与终结态：与 java 中同名状态类似，不再啰嗦 |
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## 2. 线程池 |
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**要求** |
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* 掌握线程池的 7 大核心参数 |
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**七大参数** |
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1. corePoolSize 核心线程数目 - 池中会保留的最多线程数 |
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2. maximumPoolSize 最大线程数目 - 核心线程+救急线程的最大数目 |
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3. keepAliveTime 生存时间 - 救急线程的生存时间，生存时间内没有新任务，此线程资源会释放 |
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4. unit 时间单位 - 救急线程的生存时间单位，如秒、毫秒等 |
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5. workQueue - 当没有空闲核心线程时，新来任务会加入到此队列排队，队列满会创建救急线程执行任务 |
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6. threadFactory 线程工厂 - 可以定制线程对象的创建，例如设置线程名字、是否是守护线程等 |
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7. handler 拒绝策略 - 当所有线程都在繁忙，workQueue 也放满时，会触发拒绝策略 |
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1. 抛异常 java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.AbortPolicy |
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2. 由调用者执行任务 java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy |
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3. 丢弃任务 java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy |
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4. 丢弃最早排队任务 java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy |
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> ***代码说明*** |
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> |
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> day02.TestThreadPoolExecutor 以较为形象的方式演示了线程池的核心组成 |
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## 3. wait vs sleep |
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**要求** |
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* 能够说出二者区别 |
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**一个共同点，三个不同点** |
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共同点 |
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* wait() ，wait(long) 和 sleep(long) 的效果都是让当前线程暂时放弃 CPU 的使用权，进入阻塞状态 |
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不同点 |
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* 方法归属不同 |
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* sleep(long) 是 Thread 的静态方法 |
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* 而 wait()，wait(long) 都是 Object 的成员方法，每个对象都有 |
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* 醒来时机不同 |
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* 执行 sleep(long) 和 wait(long) 的线程都会在等待相应毫秒后醒来 |
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* wait(long) 和 wait() 还可以被 notify 唤醒，wait() 如果不唤醒就一直等下去 |
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* 它们都可以被打断唤醒 |
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* 锁特性不同（重点） |
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* wait 方法的调用必须先获取 wait 对象的锁，而 sleep 则无此限制 |
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* wait 方法执行后会释放对象锁，允许其它线程获得该对象锁（我放弃 cpu，但你们还可以用） |
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* 而 sleep 如果在 synchronized 代码块中执行，并不会释放对象锁（我放弃 cpu，你们也用不了） |
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## 4. lock vs synchronized |
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**要求** |
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* 掌握 lock 与 synchronized 的区别 |
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* 理解 ReentrantLock 的公平、非公平锁 |
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* 理解 ReentrantLock 中的条件变量 |
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**三个层面** |
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不同点 |
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* 语法层面 |
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* synchronized 是关键字，源码在 jvm 中，用 c++ 语言实现 |
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* Lock 是接口，源码由 jdk 提供，用 java 语言实现 |
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* 使用 synchronized 时，退出同步代码块锁会自动释放，而使用 Lock 时，需要手动调用 unlock 方法释放锁 |
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* 功能层面 |
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* 二者均属于悲观锁、都具备基本的互斥、同步、锁重入功能 |
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* Lock 提供了许多 synchronized 不具备的功能，例如获取等待状态、公平锁、可打断、可超时、多条件变量 |
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* Lock 有适合不同场景的实现，如 ReentrantLock， ReentrantReadWriteLock |
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* 性能层面 |
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* 在没有竞争时，synchronized 做了很多优化，如偏向锁、轻量级锁，性能不赖 |
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* 在竞争激烈时，Lock 的实现通常会提供更好的性能 |
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**公平锁** |
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* 公平锁的公平体现 |
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* **已经处在阻塞队列**中的线程（不考虑超时）始终都是公平的，先进先出 |
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* 公平锁是指**未处于阻塞队列**中的线程来争抢锁，如果队列不为空，则老实到队尾等待 |
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* 非公平锁是指**未处于阻塞队列**中的线程来争抢锁，与队列头唤醒的线程去竞争，谁抢到算谁的 |
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* 公平锁会降低吞吐量，一般不用 |
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**条件变量** |
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* ReentrantLock 中的条件变量功能类似于普通 synchronized 的 wait，notify，用在当线程获得锁后，发现条件不满足时，临时等待的链表结构 |
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* 与 synchronized 的等待集合不同之处在于，ReentrantLock 中的条件变量可以有多个，可以实现更精细的等待、唤醒控制 |
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> ***代码说明*** |
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> |
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> * day02.TestReentrantLock 用较为形象的方式演示 ReentrantLock 的内部结构 |
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## 5. volatile |
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**要求** |
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* 掌握线程安全要考虑的三个问题 |
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* 掌握 volatile 能解决哪些问题 |
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**原子性** |
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* 起因：多线程下，不同线程的**指令发生了交错**导致的共享变量的读写混乱 |
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* 解决：用悲观锁或乐观锁解决，volatile 并不能解决原子性 |
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**可见性** |
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* 起因：由于**编译器优化、或缓存优化、或 CPU 指令重排序优化**导致的对共享变量所做的修改另外的线程看不到 |
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* 解决：用 volatile 修饰共享变量，能够防止编译器等优化发生，让一个线程对共享变量的修改对另一个线程可见 |
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**有序性** |
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* 起因：由于**编译器优化、或缓存优化、或 CPU 指令重排序优化**导致指令的实际执行顺序与编写顺序不一致 |
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* 解决：用 volatile 修饰共享变量会在读、写共享变量时加入不同的屏障，阻止其他读写操作越过屏障，从而达到阻止重排序的效果 |
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* 注意： |
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* **volatile 变量写**加的屏障是阻止上方其它写操作越过屏障排到 **volatile 变量写**之下 |
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* **volatile 变量读**加的屏障是阻止下方其它读操作越过屏障排到 **volatile 变量读**之上 |
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* volatile 读写加入的屏障只能防止同一线程内的指令重排 |
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> ***代码说明*** |
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> |
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> * day02.threadsafe.AddAndSubtract 演示原子性 |
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> * day02.threadsafe.ForeverLoop 演示可见性 |
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> * 注意：本例经实践检验是编译器优化导致的可见性问题 |
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> * day02.threadsafe.Reordering 演示有序性 |
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> * 需要打成 jar 包后测试 |
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> * 请同时参考视频讲解 |
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## 6. 悲观锁 vs 乐观锁 |
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**要求** |
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* 掌握悲观锁和乐观锁的区别 |
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**对比悲观锁与乐观锁** |
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* 悲观锁的代表是 synchronized 和 Lock 锁 |
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* 其核心思想是【线程只有占有了锁，才能去操作共享变量，每次只有一个线程占锁成功，获取锁失败的线程，都得停下来等待】 |
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* 线程从运行到阻塞、再从阻塞到唤醒，涉及线程上下文切换，如果频繁发生，影响性能 |
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* 实际上，线程在获取 synchronized 和 Lock 锁时，如果锁已被占用，都会做几次重试操作，减少阻塞的机会 |
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* 乐观锁的代表是 AtomicInteger，使用 cas 来保证原子性 |
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* 其核心思想是【无需加锁，每次只有一个线程能成功修改共享变量，其它失败的线程不需要停止，不断重试直至成功】 |
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* 由于线程一直运行，不需要阻塞，因此不涉及线程上下文切换 |
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* 它需要多核 cpu 支持，且线程数不应超过 cpu 核数 |
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> ***代码说明*** |
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> * day02.SyncVsCas 演示了分别使用乐观锁和悲观锁解决原子赋值 |
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> * 请同时参考视频讲解 |
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## 7. Hashtable vs ConcurrentHashMap |
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**要求** |
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* 掌握 Hashtable 与 ConcurrentHashMap 的区别 |
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* 掌握 ConcurrentHashMap 在不同版本的实现区别 |
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> 更形象的演示，见资料中的 hash-demo.jar，运行需要 jdk14 以上环境，进入 jar 包目录，执行下面命令 |
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> |
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> ``` |
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> java -jar --add-exports java.base/jdk.internal.misc=ALL-UNNAMED hash-demo.jar |
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> ``` |
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**Hashtable 对比 ConcurrentHashMap** |
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* Hashtable 与 ConcurrentHashMap 都是线程安全的 Map 集合 |
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* Hashtable 并发度低，整个 Hashtable 对应一把锁，同一时刻，只能有一个线程操作它 |
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* ConcurrentHashMap 并发度高，整个 ConcurrentHashMap 对应多把锁，只要线程访问的是不同锁，那么不会冲突 |
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**ConcurrentHashMap 1.7** |
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* 数据结构：`Segment(大数组) + HashEntry(小数组) + 链表`，每个 Segment 对应一把锁，如果多个线程访问不同的 Segment，则不会冲突 |
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* 并发度：Segment 数组大小即并发度，决定了同一时刻最多能有多少个线程并发访问。Segment 数组不能扩容，意味着并发度在 ConcurrentHashMap 创建时就固定了 |
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* 索引计算 |
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* 假设大数组长度是 $2^m$，key 在大数组内的索引是 key 的二次 hash 值的高 m 位 |
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* 假设小数组长度是 $2^n$，key 在小数组内的索引是 key 的二次 hash 值的低 n 位 |
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* 扩容：每个小数组的扩容相对独立，小数组在超过扩容因子时会触发扩容，每次扩容翻倍 |
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* Segment[0] 原型：首次创建其它小数组时，会以此原型为依据，数组长度，扩容因子都会以原型为准 |
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**ConcurrentHashMap 1.8** |
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* 数据结构：`Node 数组 + 链表或红黑树`，数组的每个头节点作为锁，如果多个线程访问的头节点不同，则不会冲突。首次生成头节点时如果发生竞争，利用 cas 而非 syncronized，进一步提升性能 |
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* 并发度：Node 数组有多大，并发度就有多大，与 1.7 不同，Node 数组可以扩容 |
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* 扩容条件：Node 数组满 3/4 时就会扩容 |
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* 扩容单位：以链表为单位从后向前迁移链表，迁移完成的将旧数组头节点替换为 ForwardingNode |
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* 扩容时并发 get |
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* 根据是否为 ForwardingNode 来决定是在新数组查找还是在旧数组查找，不会阻塞 |
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* 如果链表长度超过 1，则需要对节点进行复制（创建新节点），怕的是节点迁移后 next 指针改变 |
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* 如果链表最后几个元素扩容后索引不变，则节点无需复制 |
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* 扩容时并发 put |
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* 如果 put 的线程与扩容线程操作的链表是同一个，put 线程会阻塞 |
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* 如果 put 的线程操作的链表还未迁移完成，即头节点不是 ForwardingNode，则可以并发执行 |
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* 如果 put 的线程操作的链表已经迁移完成，即头结点是 ForwardingNode，则可以协助扩容 |
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* 与 1.7 相比是懒惰初始化 |
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* capacity 代表预估的元素个数，capacity / factory 来计算出初始数组大小，需要贴近 $2^n$ |
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* loadFactor 只在计算初始数组大小时被使用，之后扩容固定为 3/4 |
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* 超过树化阈值时的扩容问题，如果容量已经是 64，直接树化，否则在原来容量基础上做 3 轮扩容 |
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## 8. ThreadLocal |
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**要求** |
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* 掌握 ThreadLocal 的作用与原理 |
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* 掌握 ThreadLocal 的内存释放时机 |
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**作用** |
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* ThreadLocal 可以实现【资源对象】的线程隔离，让每个线程各用各的【资源对象】，避免争用引发的线程安全问题 |
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* ThreadLocal 同时实现了线程内的资源共享 |
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**原理** |
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每个线程内有一个 ThreadLocalMap 类型的成员变量，用来存储资源对象 |
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* 调用 set 方法，就是以 ThreadLocal 自己作为 key，资源对象作为 value，放入当前线程的 ThreadLocalMap 集合中 |
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* 调用 get 方法，就是以 ThreadLocal 自己作为 key，到当前线程中查找关联的资源值 |
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* 调用 remove 方法，就是以 ThreadLocal 自己作为 key，移除当前线程关联的资源值 |
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ThreadLocalMap 的一些特点 |
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* key 的 hash 值统一分配 |
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* 初始容量 16，扩容因子 2/3，扩容容量翻倍 |
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* key 索引冲突后用开放寻址法解决冲突 |
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**弱引用 key** |
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ThreadLocalMap 中的 key 被设计为弱引用，原因如下 |
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* Thread 可能需要长时间运行（如线程池中的线程），如果 key 不再使用，需要在内存不足（GC）时释放其占用的内存 |
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**内存释放时机** |
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* 被动 GC 释放 key |
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* 仅是让 key 的内存释放，关联 value 的内存并不会释放 |
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* 懒惰被动释放 value |
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* get key 时，发现是 null key，则释放其 value 内存 |
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* set key 时，会使用启发式扫描，清除临近的 null key 的 value 内存，启发次数与元素个数，是否发现 null key 有关 |
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* 主动 remove 释放 key，value |
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* 会同时释放 key，value 的内存，也会清除临近的 null key 的 value 内存 |
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* 推荐使用它，因为一般使用 ThreadLocal 时都把它作为静态变量（即强引用），因此无法被动依靠 GC 回收 |
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