“多线程”重点概念整理

作者: 落雨松 | 来源:发表于2018-12-09 14:35 被阅读0次

一、volatile关键字内存可见性

当程序运行时，JVM会为每一个执行任务的线程分配一个独立的缓存空间，用于提高效率。这个线程会先从主内存中拿到变量到自己的缓存中，然后将改变后的值提交到主内存，这是两个操作，如果在第一个操作后，第二个线程闯入，这个时候第二个线程从主内存中读取的变量就是未改变之前的变量，那么两个线程最后拿到的值便是不一样的，产生冲突。

产生此种问题是因为这个变量并不是都在主内存中操作的，要解决这个问题，便是在“共享变量” 定义的时候在之前添加一个 volatile 关键字。

图示：

捕获.PNG

二、原子变量-CAS算法

volatile关键字保证内存可见性，也就是说可以保证变量都在主内存中进行，但是不能保证原子性。

（一）那么什么是原子性问题？

举例：i++操作
i++操作实际上是“读-改-写”三个操作：

int temp = i;
i=i+1;
temp = i;

当我们运行程序：

int i = 10;
i=i++;  
System.out.println(i); //这个时候输出打印的应该是 10

原因在于：此时 i++操作返回的是底层“读”的时候的 i ，而不是“写” 完后的 i
: 这就是原子性问题

（二）原子变量（解决原子性问题）

为了解决这个问题，jdk 1.5之后，在java.util.concurrent.atomic包下提供了常用的数据类型的原子变量（最近更新：不过atomic...类也有它的局限性，比如AtomicLong的实现方式是内部有个value 变量，当多线程并发自增，自减时，均通过CAS 指令从机器指令级别操作保证并发的原子性。唯一会制约AtomicLong高效的原因是高并发，高并发意味着CAS的失败几率更高，重试次数更多，越多线程重试，CAS失败几率又越高，变成恶性循环，AtomicLong效率降低，Java8对此有了新的解决方案：LongAdder）。

它的底层实现是：
1、首先用volatile保证内存的可见性
2、然后用CAS算法保证数据原子性，CAS算法是硬件对于并发操作共享数据的支持，CAS包括三个操作：
①内存值（从主存中读取值）、
②预估值（读取旧值）、
③更新值（如果满足条件就替换主内存中的值）
只有当内存值==预估值的时候，内存值才能够等于更新值，否则将不作任何操作。
demo：

/**
 * @Author : WJ
 * @Date : 2018/11/18/018 12:26
 * <p>
 * 注释:
 */
public class Test2 {

    public static void main(String [] a) throws InterruptedException {
        AtomicDemo atomicDemo = new AtomicDemo();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(atomicDemo).start();
        }
    }
}
class AtomicDemo implements Runnable {

    //用volatile保证内存可见性：无法保证原子性
    //private volatile int number = 0;

    //使用原子变量解决原子性问题
    private AtomicInteger number = new AtomicInteger();

    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(getAdd());
    }

    public int getAdd(){
        //使用原子变量提供的相关API进行对原子变量数据的操作，API文档里面有详细介绍
        //这里使用“从主内存中获取和自增”一起的方法返回number自增的值。
        return number.getAndIncrement();
        //return number++;
    }
}

三、ConcurrentHashMap锁分段机制

Java 5.0 在 java.util.concurrent 包中提供了多种并发容器类来改进同步容器的性能。
ConcurrentHashMap 同步容器类是Java 5 增加的一个线程安全的哈希表。对与多线程的操作，介于 HashMap 与 Hashtable 之间。内部采用“锁分段”机制替代 Hashtable 的独占锁。进而提高性能。
此包还提供了设计用于多线程上下文中的 Collection 实现：
ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap、ConcurrentSkipListSet、CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet。当期望许多线程访问一个给定 collection 时，ConcurrentHashMap 通常优于同步的 HashMap，ConcurrentSkipListMap 通常优于同步的 TreeMap。当期望的读数和遍历远远大于列表的更新数时，CopyOnWriteArrayList 优于同步的 ArrayList。

JDK1.8以后ConcurrentHashMap由锁的分段机制变为CAS。
CopyOnWriteArrayList "写入并复制" 是个复合操作，当每次写入时，都会复制。添加操作比较多时效率较低。并发迭代操作多时，可以提高效率。

这里推荐一篇博客详细介绍了ConcurrentHashMap:
https://blog.csdn.net/yansong_8686/article/details/50664351

四、CountDownLacth 闭锁

闭锁是一个同步工具类，它是用来保证一组线程全部执行完成才能进行下一步操作的工具。就比如一组多线程，我们想要获取他们全部执行的时间，寻常操作时无法完成的，因为获取时间存在于主线程，随时可能拿到cpu的使用权利，所以这个工具类，就可以实现要全部线程执行完，才执行下一步。

闭锁状态包含一个计数器，该计数器被初始化为一个正数，表示需要等待的事件数量。countDown方法递减计数器，表示已经有一个事件已经发生了。而await方法等待计数器达到0，这表示所有需要等待的事件都已经发生。如果计数器的值非0，那么await会一直阻塞直到计数器为0，或者等待中的线程中断或者超时。

当然采用join方式也可以完成，但是效率是远远不及的。

demo：

/**
 * @Author : WJ
 * @Date : 2018/11/18/018 12:26
 * <p>
 * 注释:
 */
public class Test2 {

    public static void main(String [] a) throws InterruptedException {
        //闭锁工具类，设需要等待事件数完成的数量为 5
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
        DownLatchDemo downLatchDemo = new DownLatchDemo(countDownLatch);

        //开始时间
        long start = System.currentTimeMillis();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(downLatchDemo).start();
        }
        //等待上面的5个线程执行完成，也就是事件数为 0 后才执行await之后main线程的代码
        countDownLatch.await();

        //结束时间
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("执行时间为："+(end - start));


    }
}
class DownLatchDemo implements Runnable {
    private CountDownLatch latch;
    DownLatchDemo(CountDownLatch latch){
        this.latch = latch;
    }
    public void run() {
        synchronized (this){
            try{
                //执行一个耗时的操作
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                }
            }finally {
                //每一次线程的调用，使闭锁操作事件数减 1
                latch.countDown();
            }
        }
    }
}

五、创建实现线程的方式

创建实现线程的方式有四种：
1、继承Thread接口
2、实现Runable接口
3、实现Callable接口
4、线程池

对于Callable接口：

1、需要实现Callable接口，这里可以实现泛型接口Callable<?>
2、重写call方法，call方法可以返回泛型接口里面的数据类型数据
3、然后在启动这个线程的时候需要FutureTask类的支持，当然这个类就是获取线程返回值的类

demo:

/**
 * @Author : WJ
 * @Date : 2018/11/18/018 12:26
 * <p>
 * 注释:
 */
public class Test2 {

    public static void main(String [] a) throws InterruptedException, ExecutionException {
        CallableDemo callableDemo = new CallableDemo();

        //要启动实现Callable 接口的线程类 需要 FutureTask 类的支持，用于接收运算结果
        FutureTask futureTask1 = new FutureTask(callableDemo);

        //启动线程
        new Thread(futureTask1).start();

        //获取线程返回值
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"得到返回值:"+futureTask1.get());
    }
}
//实现Callable泛型接口，也可不实现泛型，call返回的将是一个Object类型的数据
class CallableDemo implements Callable<Integer> {

    private volatile int number;

    //重写call方法
    public synchronized Integer call() throws Exception {
        number = number +1;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"为："+number);
        return number;
    }
}

六、java中实现同步的两种方式: syschronized 和 lock

syschronized 实现同步的方式分为：同步方法和同步代码块
lock 是一个接口，通过：

private Lock lock = new ReentrantLock();

//然后lock调用：  
lock.lock();
//....同步代码 
lock.unlock();  
//获得锁和释放锁

还可以：

private Condition condition = lock.newCondition();

调用：

condition.await();
condition.signal(); 
condition.signalAll();

等待和唤醒单个或所有线程，与wait 和notify、notifyAll不同的是：可以实现多路分用，也就是说将多个线程拆分等待，可以唤醒某一个确定同步线程。

但是syschronized 可以自动的获取和释放锁，而lock则需要显示的获取和释放，释放锁lock.unlock(); 必须放在try ... finally 的finally里面执行。

当线程竞争较激烈的话,Lock 性能优于 syschronized 。两者取决于业务的需求。

七、读写锁ReadWriteLock

保证：读读、读写不是互斥的，写写是互斥（事件不能同时发生）的。

/**
 * @Author : WJ
 * @Date : 2018/11/18/018 12:26
 * <p>
 * 注释:
 */
public class Test2 {

    public static void main(String [] a) throws InterruptedException, ExecutionException {
        final DemoClass demoClass = new DemoClass();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    demoClass.get();
                }
            }).start();
        }

        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                double number = Math.random()*100;
                demoClass.set((int)number);
            }
        }).start();
    }
}

/**
 * 读写锁实例
 */
class DemoClass  {

    private int number;
    //创建读写锁实例
    private ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    //读
    public void get() {
        lock.readLock().lock();
        try{
            System.out.println("读--操作：number = "+ number);
        }finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
    }
    //写
    public void set(int number){
        lock.writeLock().lock();
        try{
            this.number = number;
            System.out.println("写++操作：number = "+ number);
        }finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
}

八、线程池

1、为什么要用线程池？
当我们想要多次启动同一线程时，每一次启动都有创建和销毁操作，这样对于高并发的情况是不利的，所以就有了线程池的概念。

2、什么是线程？
线程池底层是实现一个对列，这个对列里面存放着多个线程，这样就不要每次创建都要销毁，影响效率。

3、线程池核心接口：Executor （位于Java.util.concurrent包下）

4、线程池体系结构
java.util.concurrent.Excutor :负责线程的使用与调度的接口
|------ExecutorService 子接口：线程池主要接口
|-------------ThreadPoolExecutor ：线程池的实现类
|-------------ScheduledExecutorService：子接口，负责线程的调度
|--------------------ScheduledThreadPoolExecutor：继承ThreadPoolExecutor ,实现 ScheduledExecutorService

5、工具类：Executors
|----ExecutorService newFixedThreadPool(); 创建固定大小的线程池
|----ExecutorService newCachedThreadPool(); 缓存线程池，线程池数量不确定，可以根据需要自动的更改数量
|----ExecutorService newSingleThreadPoolExecutor(); 创建固定大小的线程，可以延迟或定时的执行任务。

6、线程池的使用：

        //实现Runable的线程类
        final DemoClass demoClass = new DemoClass();
        //创建固定大小为5的线程池
        final ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            //为线程池中的线程分配任务
            pool.submit(new Thread(demoClass));
        }
        //关闭线程池
        pool.shutdown();

九、线程调度（这里摘自百度百科）

计算机通常只有一个CPU，在任意时刻只能执行一条机器指令，每个线程只有获得CPU的使用权才能执行指令。所谓多线程的并发运行，其实是指从宏观上看，各个线程轮流获得CPU的使用权，分别执行各自的任务。在运行池中，会有多个处于就绪状态的线程在等待CPU，JAVA虚拟机的一项任务就是负责线程的调度，线程调度是指按照特定机制为多个线程分配CPU的使用权。

有两种调度模型：分时调度模型和抢占式调度模型。

分时调度模型是指让所有的线程轮流获得cpu的使用权,并且平均分配每个线程占用的CPU的时间片这个也比较好理解。

java虚拟机采用抢占式调度模型，是指优先让可运行池中优先级高的线程占用CPU，如果可运行池中的线程优先级相同，那么就随机选择一个线程，使其占用CPU。处于运行状态的线程会一直运行，直至它不得不放弃CPU。

一个线程会因为以下原因而放弃CPU。

1 java虚拟机让当前线程暂时放弃CPU，转到就绪状态，使其它线程获得运行机会。
2 当前线程因为某些原因而进入阻塞状态
3 线程结束运行

“多线程”重点概念整理

一、volatile关键字内存可见性

二、原子变量-CAS算法

（一）那么什么是原子性问题？

（二）原子变量（解决原子性问题）

三、ConcurrentHashMap锁分段机制

四、CountDownLacth 闭锁

五、创建实现线程的方式

对于Callable接口：

六、java中实现同步的两种方式: syschronized 和 lock

七、读写锁ReadWriteLock

八、线程池

九、线程调度（这里摘自百度百科）

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