java多线程

一、基本概念

1.cpu核心数和线程数

多核心:也指单芯片多处理器( Chip Multiprocessors,简称CMP),CMP是由美国斯坦福大学提出的,其思想是将大规模并行处理器中的SMP(对称多处理器)集成到同一芯片内,各个处理器并行执行不同的进程。这种依靠多个CPU同时并行地运行程序是实现超高速计算的一个重要方向,称为并行处理
多线程: Simultaneous Multithreading.简称SMT.SMT可通过复制处理器上的结构状态,让同一个处理器上的多个线程同步执行并共享处理器的执行资源可最大限度地实现宽发射、乱序的超标量处理,提高处理器运算部件的利用率,缓和由于数据相关或 Cache未命中带来的访问内存延时。
核心数、线程数:目前主流CPU有双核、三核和四核,六核也在2010年发布。增加核心数目就是为了增加线程数,因为操作系统是通过线程来执行任务的,一般情况下它们是1:1对应关系,也就是说四核CPU一般拥有四个线程。但 Intel引入超线程技术后,使核心数与线程数形成1:2的关系

2.CPU时间片轮转机制

时间片轮转调度是一种最古老、最简单、最公平且使用最广的算法,又称RR调度。每个进程被分配一个时间段,称作它的时间片,即该进程允许运行的时间。
时间片轮转调度中唯一有趣的一点是时间片的长度。从一个进程切换到另一个进程是需要定时间的,包括保存和装入寄存器值及内存映像,更新各种表格和队列等。假如进程切( processwitch),有时称为上下文切换( context switch),需要5ms,再假设时间片设为20ms,则在做完20ms有用的工作之后,CPU将花费5ms来进行进程切换。CPU时间的20%被浪费在了管理开销上了。
结论可以归结如下:时间片设得太短会导致过多的进程切换,降低了CPU效率:而设得太长又可能引起对短的交互请求的响应变差。将时间片设为100ms通常是一个比较合理的折衷。

3.什么是进程和线程

进程是操作系统进行资源分配的最小单位,其中资源包括:CPU、内存空间、磁盘10等,同一进程中的多条线程共享该进程中的全部系统资源,而进程和进程之间是相互独立的。进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
线程是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的、能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。

4.并行和并发

并发:指应用能够交替执行不同的任务,比如单CPU核心下执行多线程并非是同时执行多个任务,如果你开两个线程执行,就是在你几乎不可能察觉到的速度不断去切换这两个任务,已达到"同时执行效果",其实并不是的,只是计算机的速度太快,我们无法察觉到而已.
并行:指应用能够同时执行不同的任务,例:吃饭的时候可以边吃饭边打电话,这两件事情可以同时执行
两者区别:一个是交替执行,一个是同时执行.

二、java多线程

1.线程启动

启动线程的方式有：
1、X extends Thread;，然后X.run
2、X implements Runnable；然后交给Thread运行
3、X implements Callable；然后交给Thread运行

public class TestThread {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new MyThread();
        thread1.start();
        Thread thread2 = new Thread(new MyThread1());
        thread2.start();
        FutureTask<String> task = new FutureTask<>(new MyThread2());
        Thread thread3 = new Thread(task);
        thread3.start();
        try {
            String value = task.get();
            System.out.println(value);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static class MyThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            super.run();
            System.out.println("extends Thread");
        }
    }

    private static class MyThread1 implements Runnable{

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("implements Thread");
        }
    }

    private static class MyThread2 implements Callable<String>{

        @Override
        public String call() {
            return "implements callable";
        }
    }
}

2.线程中止

安全的中止则是其他线程通过调用某个线程A的interrupt()方法对其进行中断操作, 中断好比其他线程对该线程打了个招呼，“A，你要中断了”，不代表线程A会立即停止自己的工作，同样的A线程完全可以不理会这种中断请求。因为java里的线程是协作式的，不是抢占式的。线程通过检查自身的中断标志位是否被置为true来进行响应，线程通过方法isInterrupted()来进行判断是否被中断，也可以调用静态方法Thread.interrupted()来进行判断当前线程是否被中断，不过Thread.interrupted()会同时将中断标识位改写为false。
如果一个线程处于了阻塞状态（如线程调用了thread.sleep、thread.join、thread.wait，则在线程在检查中断标示时如果发现中断标示为true，则会在这些阻塞方法调用处抛出InterruptedException异常，并且在抛出异常后会立即将线程的中断标示位清除，即重新设置为false。

 private static class UseThread extends Thread{

        public UseThread(String name) {
            super(name);
        }

        @Override
        public void run() {
            String threadName = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(threadName+" interrrupt flag ="+isInterrupted());
            while(!isInterrupted()){
                //while(!Thread.interrupted()){
                //while(true){
                System.out.println(threadName+" is running");
                System.out.println(threadName+"inner interrrupt flag ="+isInterrupted());
            }
            System.out.println(threadName+" interrrupt flag ="+isInterrupted());
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread endThread = new UseThread("endThread");
        endThread.start();
        Thread.sleep(10);
        endThread.interrupt();

    }

2.线程其他方法

start()方法让一个线程进入就绪队列等待分配cpu，分到cpu后才调用实现的run()方法，start()方法不能重复调用。

run()方法是业务逻辑实现的地方，本质上和任意一个类的任意一个成员方法并没有任何区别，可以重复执行，可以被单独调用。

join方法：把指定的线程加入到当前线程，可以将两个交替执行的线程合并为顺序执行的线程。比如在线程B中调用了线程A的Join()方法，直到线程A执行完毕后，才会继续执行线程B。

yield()方法：使当前线程让出CPU占有权，但让出的时间是不可设定的。也不会释放锁资源，所有执行yield()的线程有可能在进入到可执行状态后马上又被执行。

notify():通知一个在对象上等待的线程,使其从wait方法返回,而返回的前提是该线程获取到了对象的锁，没有获得锁的线程重新进入WAITING状态。

notifyAll()：通知所有等待在该对象上的线程

wait()调用该方法的线程进入 WAITING状态,只有等待另外线程的通知或被中断才会返回.需要注意,调用wait()方法后,会释放对象的锁

wait(long)超时等待一段时间,这里的参数时间是毫秒,也就是等待长达n毫秒,如果没有通知就超时返回

wait (long,int)对于超时时间更细粒度的控制,可以达到纳秒

线程运行流程.png

3.线程数据共享

synchronized内置锁
关键字synchronized可以保证在同一时刻，只有一个线程可以执行某个方法或某个代码块，同时synchronized可以保证一个线程的变化可见（可见性）。
Java中的每个对象都可以作为锁。
1.普通同步方法，锁是当前实例对象。
2.静态同步方法，锁是当前类的class对象。
3.同步代码块，锁是括号中的对象。

 private Object obj = new Object();//作为一个锁
    //count进行累加
    public void incCount(){
        synchronized (obj){
            count++;
        }
    }

    public synchronized void incCount2(){
        count++;
    }

    //count进行累加
    public void incCount3(){
        synchronized (SyncTest.this){
            count++;
        }
    }

ThreadLocal
ThreadLocal，即线程变量，是一个以ThreadLocal对象为键、任意对象为值的存储结构。这个结构被附带在线程上，也就是说一个线程可以根据一个ThreadLocal对象查询到绑定在这个线程上的一个值, ThreadLocal往往用来实现变量在线程之间的隔离。

Thread存储模型.png

 //(1)创建ThreadLocal变量
    public static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        //在main线程中添加main线程的本地变量
        threadLocal.set("mainVal");
        //新创建一个子线程
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("子线程中的本地变量值:" + threadLocal.get());
            }
        });
        thread.start();
        //输出main线程中的本地变量值
        System.out.println("mainx线程中的本地变量值:" + threadLocal.get());
    }

显式锁lock

锁的方法.png

1.Lock接口和核心方法

lock.lock();
try{
    count++;
}finally{
  lock.unlock();
}

2.公平锁和非公平锁
如果在时间上，先对锁进行获取的请求一定先被满足，那么这个锁是公平的，反之，是不公平的。公平的获取锁，也就是等待时间最长的线程最优先获取锁，也可以说锁获取是顺序的。
3.悲观锁和乐观锁
悲观锁，它指的是对数据被外界（包括本系统当前的其他事务，以及来自外部系统的事务处理）修改持保守态度。因此，在整个数据处理过程中，将数据处于锁定状态。
乐观锁，乐观锁假设数据一般情况下不会造成冲突，所以在数据进行提交更新的时候，才会正式对数据的冲突与否进行检测，如果发现冲突了，则返回给用户错误的信息，让用户决定如何去做。
4.可重入锁
可重入性表现在同一个线程可以多次获得锁，而不同线程依然不可多次获得锁。ReentrantLock和synchronized都是重入锁。
5读写锁
之前提到锁（synchronized和ReentrantLock）基本都是排他锁，这些锁在同一时刻只允许一个线程进行访问，而读写锁在同一时刻可以允许多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他写线程均被阻塞。读写锁维护了一对锁，一个读锁和一个写锁，通过分离读锁和写锁，使得并发性相比一般的排他锁有了很大提升。
除了保证写操作对读操作的可见性以及并发性的提升之外，读写锁能够简化读写交互场景的编程方式。假设在程序中定义一个共享的用作缓存数据结构，它大部分时间提供读服务（例如查询和搜索），而写操作占有的时间很少，但是写操作完成之后的更新需要对后续的读服务可见。
6.Condition接口
任意一个Java对象，都拥有一组监视器方法（定义在java.lang.Object上），主要包括wait()、wait(long timeout)、notify()以及notifyAll()方法，这些方法与synchronized同步关键字配合，可以实现等待/通知模式。Condition接口也提供了类似Object的监视器方法，与Lock配合可以实现等待/通知模式。
用Lock和Condition实现等待通知

Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();
    public void conditionWait() throws InterruptedException{
        try{
            lock.lock();
            condition.await();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void conditionSignal() throws InterruptedException{
        try{
            lock.lock();
            condition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }