java并发编程学习

参考资料：
Av86373641：黑马程序员 - 全面深入学习java并发编程

• 进程和线程

  
  
  

• 并行并发
  并发：同一个时间段交叉运行多个线程
  并行：同一个时间点运行多个线程

• 线程的创建方式

1. 覆盖run方法
2. 编写一个Runnable接口对象然后给到Thread对象
3. FutureTask和Callable接口(Callable比Runnable多一个返回值，并且可以抛出异常)，可以返回值，FutureTask创建完也要给到Thread，然后调用Thread就可以，因为FutureTask也实现了Runnable接口。我们看下FutureTask对runnable的实现就可以知道，它是调用了Callable对象，处理了异常和返回值。

    public void run() {
        if (state != NEW ||
            !RUNNER.compareAndSet(this, null, Thread.currentThread()))
            return;
        try {
            Callable<V> c = callable;
            if (c != null && state == NEW) {
                V result;
                boolean ran;
                try {
                    result = c.call();
                    ran = true;
                } catch (Throwable ex) {
                    result = null;
                    ran = false;
                    setException(ex);
                }
                if (ran)
                    set(result);
            }
        } finally {
            // runner must be non-null until state is settled to
            // prevent concurrent calls to run()
            runner = null;
            // state must be re-read after nulling runner to prevent
            // leaked interrupts
            int s = state;
            if (s >= INTERRUPTING)
                handlePossibleCancellationInterrupt(s);
        }
    }

前两者推荐推荐用第二种

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

// 构造方法的参数是给线程指定名字，推荐
Thread t1 = new Thread("t1") {
@Override
// run 方法内实现了要执行的任务
public void run() {
log.debug("hello");
}
};
t1.start();

// 创建任务对象
Runnable task2 = () -> log.debug("hello");
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
t2.start();

• Thread和Runnable的关系
  有了Runnable可以把线程和任务分开来，Runnable可以更容易与线程池等高级API配合，更加灵活。

• 栈帧
  栈，每个函数有一个栈帧

每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
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

• Thread方法
  join：调用的线程等待被调用的线程运行结束，主要用于同步。
  yield：让出当前线程，从running到runnable
  interrupt：打断其他线程的运行

如果被打断线程正在 sleep，wait，join 会导致被打断的线程抛出 InterruptedException，并清除 打断标记 如果打断的正在运行的线程，则会设置 打断标记 ；park 的线程被打断，也会设置 打断标记

• 守护线程
  总结：依附其他现成的存在而存在，比如垃圾回收器

默认情况下，Java 进程需要等待所有线程都运行结束，才会结束。有一种特殊的线程叫做守护线程，只要其它非守
护线程运行结束了，即使守护线程的代码没有执行完，也会强制结束。

• java的线程状态

  
  
  

  waiting是join的时候的状态
  blocked是等待锁的时候的状态

• 临界区
  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

• 临界区出问题的解决方案

阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
非阻塞式的解决方案：原子变量

• synchronized的两种用法

虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：
互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点

• synchronized用于互斥
  要注意两个都要枷锁，并且要锁住同一个对象。

• 成员变量和静态变量是否线程安全？
  如果它们没有共享，则线程安全
  如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况
  如果只有读操作，则线程安全
  如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

• 局部变量是否线程安全？（重点关注P66）
  局部变量是线程安全的
  但局部变量引用的对象则未必
  如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
  如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

• 常见线程安全类
  String
  Integer
  StringBuffer
  Random
  Vector
  Hashtable
  java.util.concurrent 包下的类

• 线程安全类方法的组合

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

• 开闭原则
  闭原则（final private）可以增加类的安全性，比如String设置为final就是。（P66）

• monitor锁，管程/监视器

  
  

• 锁优化（这些措施都是java虚拟机自动操作的，虽然可能可以配置）
  上面的monitor是重型锁，还有轻量锁和偏向锁。
  偏向锁：这个锁的前提是锁真的主要是其中一个线程在用。
  synchronized最开始加的是轻量级锁，后面有人来了，进行锁膨胀才加为重量级锁，锁膨胀是为了后面的线程有等待队列。
  锁膨胀：轻量级锁变为重量级锁，锁膨胀是为了后面的线程有等待队列。
  自旋优化：空转检查，避免因为进入阻塞队列带来的上下文切换，多核CPU才有用。自旋失败的时候才进行阻塞。单核的时候其实是利用任务队列当做队列，单核其实就很不好，因为自旋优化就是为了减少任务切换。
  偏向锁：轻量级锁在没有竞争的时候，每次重入仍需要执行CAS操作。在对象一开始的时候就是使用的偏向锁，如果后面有任意一次竞争或者偏向的改变，即使解锁了，重新加锁，都不是偏向锁了。或者调用wait，notify的时候也会被撤销，终身禁用。因为wait，notify只有重量级锁才有。
  批量重偏向：如果发现在t2线程内因为偏向不同而从偏向锁转向轻量级锁太多之后（即撤销偏向锁），后面把这些对象和锁都偏向于t2线程。
  批量撤销：如果撤销偏向锁的次数太多，那么后面对于同一个类的对象再也不用偏向锁了。
  锁消除：JIT即时编译器会优化，如果非必要会消除锁。

• wait&notify
  进入synchronized代码片段之后（记住wait，notify调用的这个必要条件），调用wait的线程会进入waitset进行等待，并且放弃锁，这时处于waiting状态，等待notify/notifyAll后进入EntryList等待调度，这时处于blocked状态。这意味着A在wait之后，B进入synchronized代码，B调用notify，A还是不会马上执行，至少得等待B退出synchronized代码（或者调用wait放弃锁），因为A在EntryList等待锁，而B没有退出synchronized代码就没有释放锁。

  
  
  

  wait，notify都必须在sychronized里面才可以。
  两者的使用：wait表示要满足一定的条件，notify表示条件已经满足

• wait&notify使用搭配

synchronized(lock) {
while(条件不成立) {
lock.wait();
}
// 干活
}
//另一个线程
synchronized(lock) {
lock.notifyAll();
}

• join的实现
  join是用wait实现的，wait等待线程死掉。

    public final synchronized void join(final long millis)
    throws InterruptedException {
        if (millis > 0) {
            if (isAlive()) {
                final long startTime = System.nanoTime();
                long delay = millis;
                do {
                    wait(delay);
                } while (isAlive() && (delay = millis -
                        TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(System.nanoTime() - startTime)) > 0);
            }
        } else if (millis == 0) {
            while (isAlive()) {
                wait(0);
            }
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
        }
    }

• park&unpark
  与 Object 的 wait & notify 相比
  wait，notify 和 notifyAll 必须配合 Object Monitor 一起使用，而 park，unpark 不必
  park & unpark 是以线程为单位来【阻塞】和【唤醒】线程，而 notify 只能随机唤醒一个等待线程，notifyAll
  是唤醒所有等待线程，就不那么【精确】
  park & unpark 可以先 unpark，而 wait & notify 不能先 notify

• ReentrantLock可重入锁

  
  
  

  lock:得不到锁死等。
  lockInterruptly可打断:在获取锁的时候可以打断，退出阻塞，得不到锁而返回。
  tryLock:得不到锁立即返回，或者可以设置超时时间。
  synchronized只能是死等，相当于只是lock。
  但是synchronized会自动释放锁，包括发生异常的时候。

• Synchronized和ReentrantLock等价代码
  Synchronized{临界代码段}
  ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
  lock.lock ();
  try {
  临界代码段
  }finally{
  lock.unlock();
  }

• Java 内存模型
  JMM 即 Java Memory Model，它定义了主存、工作内存抽象概念，底层对应着 CPU 寄存器、缓存、硬件内存、CPU 指令优化等。
  JMM 体现在以下几个方面
  原子性 - 保证指令不会受到线程上下文切换的影响
  可见性 - 保证指令不会受 cpu 缓存的影响
  有序性 - 保证指令不会受 cpu 指令并行优化的影响

• volatile
  保证可见性和有序性，并不能保证原子性。synchronized三者都可以。

• volatile原理
  volatile 的底层实现原理是内存屏障，Memory Barrier（Memory Fence）
  对 volatile 变量的写指令后会加入写屏障
  对 volatile 变量的读指令前会加入读屏障
  可见性：
  写屏障（sfence）保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中
  而读屏障（lfence）保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据
  有序性：
  写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
  读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

• happens-before
  happens-before 规定了对共享变量的写操作对其它线程的读操作可见，它是可见性与有序性的一套规则总结，抛开以下 happens-before 规则，JMM 并不能保证一个线程对共享变量的写，对于其它线程对该共享变量的读可见。

• 无锁并发（乐观锁）
  CAS：compare and save

  
  

• CAS
  变量必须用volatile修饰，不然不能保证获得最新的

  
  

• 为什么无锁效率比较高
  上下文切换的损耗比较高。
  无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而 synchronized 会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。打个比喻，线程就好像高速跑道上的赛车，高速运行时，速度超快，一旦发生上下文切换，就好比赛车要减速、熄火，等被唤醒又得重新打火、启动、加速... 恢复到高速运行，代价比较大
  但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外 CPU 的支持，CPU 在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，虽然不会进入阻塞，但由于没有分到时间片，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换。

• CAS特点
  结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下。
  CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。
  synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。
  CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，请仔细体会这两句话的意思
  因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
  但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

• 不可变类
  不可变类可以解决资源共享的问题

• 内存模型

  
  

• 可见性

  
  

• 有序性
  指令优化的时候会进行重排，但是有些重排在多线程的情况下会出错。

  
  
  
  
  

• 如何保证可见性

  
  

• double-check locking

  
  

• happens-before

  
  

• 享元模式flyway
  wikipedia： A flyweight is an object that minimizes memory usage by sharing as much data as possible with other similar objects

• 线程池继承体系
  Scheduled修饰的线程池表示这个线程池有定时执行等功能。

  
  

• ThreadPoolExecutor参数

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler)

corePoolSize 核心线程数目 (最多保留的线程数)
maximumPoolSize 最大线程数目
keepAliveTime 生存时间 - 针对救急线程
unit 时间单位 - 针对救急线程
workQueue 阻塞队列
threadFactory 线程工厂 - 可以为线程创建时起个好名字
handler 拒绝策略

下面几个是基于ThreadPoolExecutor的各种线程池

• newFixedThreadPool

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

核心线程数 == 最大线程数（没有救急线程被创建），阻塞队列是无界的，可以放任意数量的任务，适用于任务量已知，相对耗时的任务。

• newCachedThreadPool

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}

核心线程数是0， 最大线程数是 Integer.MAX_VALUE，救急线程的空闲生存时间是 60s，意味着1. 全部都是救急线程（60s 后可以回收）2. 救急线程可以无限创建。
队列采用了 SynchronousQueue 实现特点是，它没有容量，没有线程来取是放不进去的（一手交钱、一手交货）。但是在不超过最大线程数的情况下，每次都会新建新的线程。
这种对比newFixedThreadPool就是另外一种极端，没有固定线程，每次需要多少就创建多少，不需要有一定容量的队列来存储任务。

• newSingleThreadExecutor

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

使用场景：希望多个任务排队执行。线程数固定为 1，任务数多于 1 时，会放入无界队列排队。任务执行完毕，这唯一的线程也不会被释放。
区别：
自己创建一个单线程串行执行任务，如果任务执行失败而终止那么没有任何补救措施，而线程池还会新建一个线程，保证池的正常工作
Executors.newSingleThreadExecutor() 线程个数始终为1，不能修改
FinalizableDelegatedExecutorService 应用的是装饰器模式，只对外暴露了 ExecutorService 接口，因此不能调用 ThreadPoolExecutor 中特有的方法。Executors.newFixedThreadPool(1) 初始时为1，以后还可以修改对外暴露的是 ThreadPoolExecutor 对象，可以强转后调用 setCorePoolSize 等方法进行修改。

• invoke和execute的区别

// 执行任务
void execute(Runnable command);
// 提交任务 task，用返回值 Future 获得任务执行结果
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);

• 创建线程数量多少
  简单来说，CPU密集型要创建cpu 核数 + 1个线程差不多，IO密集型要创建多一点，因为IO密集型的线程经常在IO，CPU占有率并不高，多一点CPU占有率才高。

• 线程池任务异常

1. 主动捕获
2. Future

• SynchronousQueue VS AbstractQueuedSynchronizer（AQS）
  SynchronousQueue 同步队列，放进去的时候如果没有人来取会进行阻塞，如果放进去已经有人来取了，那就不会阻塞。
  AbstractQueuedSynchronizer 简单说就是同步工具的队列

• 任务放弃策略

  
  

• 读写锁的示例

  
  

• synchronize和aqs的区别

  
  

• CountDownLatch

  
  

• join跟CountdownLatch的区别

1. join比较底层，CountdownLatch比较高层
2. join必须等到线程结束的时候才可以，而CountdownLatch只需调用。

• CopyOnWriteArrayList
  CopyOnWriteArrayList 可以实现读写并发，但是具有弱一致性，其他的并发容器一般只做到读读并发。并发高和一致性是矛盾的。

• 线程安全类合集

  
  
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