Java 多線程和線程同步

一. 多線程

1. 分類

A. Thread

最常用的開啟新線程的方式锌介,最終的調(diào)用是由Java虛擬機(jī)根據(jù)不同平臺來執(zhí)行不同的調(diào)用抓歼,因?yàn)?code>start0最終是一個(gè)native方法嚷闭。

B. Runnable

通過源碼可以得知勤众,Runnable的run方法最終是被Thread中的run方法執(zhí)行的。它和Thread的區(qū)別在于可以重用花吟,把有可能重用的代碼封裝到Runnable中秸歧。

C. ThreadFactory

標(biāo)準(zhǔn)的工廠設(shè)計(jì)模式,通過工廠設(shè)計(jì)模式來統(tǒng)一提供 Thread對象衅澈,可以對Thread對象做統(tǒng)一的處理工作键菱。

D. Executor

線程池。這也是我們在實(shí)際當(dāng)中使用最多的多線程的工具矾麻。通過線程池我們可以獲取很多內(nèi)置的應(yīng)用不同場景下的多線程纱耻。

E. Callable

帶返回值的異步任務(wù)芭梯。

2. 使用

  • Thread

       new Thread() {
          @Override
           public void run() {
               //do something
          }
       }.start();
    
  • Runnable

      Runnable runnable = new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            //do something
        }
      };
      Thread thread = new Thread(runnable);
      thread.start();
    
  • ThreadFactory

    ThreadFactory threadFactory = new ThreadFactory() {
        private AtomicInteger threadCount = new AtomicInteger(0);
        @Override
        public Thread newThread(Runnable runnable) {
            return new Thread(runnable, "Thread-number " + threadCount.incrementAndGet());//++threadCount
        }
    };
    Runnable runnable = new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            //do something
        }
    };
    Thread thread = threadFactory.newThread(runnable);
    thread.start();
    Thread thread1 = threadFactory.newThread(runnable);
    thread1.start();
    
  • Executor

    Runnable runnable = new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            //do something
        }
    };
    Executor executor = Executors.newCachedThreadPool();
    executor.execute(runnable);
    

    內(nèi)置的常用線程池說明

    1. Executors.newFixedThreadPool(threadCount)
      獲取固定線程數(shù)量的線程池险耀。用于處理臨時(shí)性爆發(fā)式任務(wù)弄喘,比如圖片的處理等。
    2. Executors.newSingleThreadExecutor()
      獲取單個(gè)線程的線程池甩牺,這個(gè)用途比較少蘑志,比如當(dāng)取消所有任務(wù)的時(shí)候可以用這個(gè)。
    3. Executors.newCachedThreadPool()
      帶緩存的線程池工具贬派,默認(rèn)固定線程數(shù)量為0急但,沒有線程數(shù)量的上限,無活躍60s回收搞乏。
    4. Executors.newXXXScheduledExecutor()
      具有延遲功能的線程池工具波桩。
    5. ThreadPoolExecutor構(gòu)造函數(shù)參數(shù)說明:
      corePoolSize:線程池默認(rèn)固定的線程數(shù)量,當(dāng)線程池空閑時(shí)維持的最小線程數(shù)请敦。
      maximumPoolSize:線程池允許創(chuàng)建最多的線程數(shù)量镐躲。
      keepAliveTime:當(dāng)創(chuàng)建的線程數(shù)量超過corePoolSize的數(shù)量后,所創(chuàng)建的線程在指定時(shí)間內(nèi)如果無活動(dòng)侍筛,則被回收萤皂。
      unit:參數(shù)keepAliveTime的時(shí)間單位。
      workQueue:用于保存execute方法提交的Runnable的隊(duì)列匣椰。
      threadFactory:當(dāng)Executor需要?jiǎng)?chuàng)建新的線程時(shí)裆熙,由該工廠提供新線程的創(chuàng)建。
  • Callable

    Callable<String> callable = new Callable<String>() {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            Thread.sleep(3000);
            return "Done!!!";
        }
    };
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    Future<String> future = executorService.submit(callable);
    try {
        String result = future.get();
    } catch (ExecutionException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    

二禽笑、線程同步

當(dāng)多個(gè)線程對同一資源進(jìn)行操作入录,如對一個(gè)變量進(jìn)行賦值操作,此時(shí)就牽涉到了線程安全的問題佳镜,就是所謂的線程同步僚稿。當(dāng)我們在編寫程序的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)某個(gè)變量有可能會(huì)被多個(gè)線程同時(shí)訪問和操作的時(shí)候邀杏,就要考慮到線程同步的問題贫奠,所謂的并發(fā)編程。接下來說下為什么會(huì)出現(xiàn)這種線程安全的問題望蜡,如下圖:

線程安全

假如我們自己寫了一段程序唤崭,運(yùn)行在主內(nèi)存中,我們的程序中有一個(gè)變量x初始值為0.當(dāng)線程A想要訪問x變量時(shí)脖律,會(huì)先將變量x拷貝到自己的線程所屬的內(nèi)存中谢肾。當(dāng)線程A修改了x變量的值為1,在合適的時(shí)機(jī)將修改后的變量值同步到主內(nèi)存中小泉。線程B再去取主內(nèi)存中x值的時(shí)候已經(jīng)是修改后的值芦疏。
上述過程是沒有問題的冕杠,這也是我們所期望的。
為什么會(huì)這么設(shè)計(jì)呢酸茴?為什么不直接從主內(nèi)存中取呢分预?因?yàn)楫?dāng)其他線程和主內(nèi)存頻繁的IO操作時(shí)俗他,效率是非常低的爆班。而將主內(nèi)存的值拷貝到線程自己的高速緩存中耗式,再同步到主內(nèi)存中钦讳,這種設(shè)計(jì)的效率是比直接操作主內(nèi)存高出幾十倍的雷袋。
那我們這么解決這種情況下的問題呢娱节?
答案是:線程同步彰阴。

在Java中怎樣實(shí)現(xiàn)線程同步呢凭涂?

1. volatile關(guān)鍵字
private volatile boolean isOpen = true;

將修飾的變量的線程同步性強(qiáng)制打開被济。線程會(huì)以最積極的同步方式進(jìn)行線程間的同步救赐。使用變量前會(huì)先從主內(nèi)存中同步,修改之后會(huì)立即同步到主內(nèi)存只磷。雖然保證了線程的安全性经磅,但是效率卻很低,所以只有當(dāng)我們需要的時(shí)候才去打開喳瓣。但是volatile關(guān)鍵字只對原子操作有效馋贤,非原子操作無效。例如:

private volatile int x = 0;

private void count(){
    x++;
}

在這個(gè)例子中volatile關(guān)鍵字是無效的畏陕,原因是因?yàn)?code>x++在實(shí)際運(yùn)行中是分兩步的:
1.int temp = x + 1;
2. x = temp;
這個(gè)操作是非原子操作配乓。

2. synchronized關(guān)鍵字

synchronized關(guān)鍵字的出現(xiàn)完美的解決了volatile關(guān)鍵字的局限性。
作用:
1. 保證同步性惠毁,即是volatile的特性犹芹;
2. 互斥訪問,對代碼塊中的資源進(jìn)行保護(hù)鞠绰,保證了資源的同步性腰埂,即原子操作。
下面我們畫一下synchronized的工作模型蜈膨。

synchronized工作模型1

當(dāng)線程A訪問對象Test中的方法A的時(shí)候屿笼,由于加了synchronized關(guān)鍵字,線程A會(huì)先訪問monitor翁巍,詢問下是否可以訪問方法A驴一,如果可以訪問,則直接訪問方法A灶壶,此時(shí)monitor狀態(tài)為不可訪問肝断。當(dāng)線程B進(jìn)行訪問方法A的時(shí)候,同樣也需要先詢問 monitor,此時(shí)的monitor的是不可訪問的,所以線程B是不可以訪問方法A的胸懈,只能等線程A訪問結(jié)束后,monitor監(jiān)視器的狀態(tài)為可訪問時(shí)担扑,線程B才可以訪問方法A。
不同的方法可以加不同的monitor趣钱,使用synchronized代碼塊涌献,傳入不同的對象,即可實(shí)現(xiàn)不同的monitor,即synchronized(monitor){}羔挡,如下圖:
多個(gè)monitor

代碼實(shí)現(xiàn)如下:

    private final Object monitorA = new Object();
    private final Object monitorB = new Object();

    private void methodA() {
        synchronized (monitorA){
            //do something
        }
    }

    private void methodB() {
        synchronized (monitorB) {
            //do something
        }
    }

    private void methodC() {
        synchronized (monitorB){
            //do something
        }
    }

    public void test() {
        Thread threadA = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                methodA();
            }
        };
        threadA.start();
        Thread threadB = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                methodA();
                methodB();
            }
        };
        threadB.start();
        Thread threadC = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                methodC();
            }
        };
        threadC.start();
    }
  • 如果synchronized修飾的是方法洁奈,則monitor默認(rèn)傳入的是該方法所在的對象间唉,即this绞灼,代碼如下:
      private synchronized void method() {
          //do something
      }
    
  • 如果synchronized修飾的是靜態(tài)方法,則monitor需要傳入靜態(tài)對象呈野,如:靜態(tài)變量低矮,**.class等,**.class一般傳入對應(yīng)類的.class被冒,代碼如下:
      class Test{
          private static synchronized void method() {
              //do something
          }
      }
    
    上述代碼中傳入的monitor军掂,默認(rèn)為該靜態(tài)方法所在類文件的.class對象,即Test.class昨悼。
     class Test{
         private static void method() {
             synchronized(Test.class){
                 //do something
             }
         }
     }
    
    上述代碼可以傳入指定靜態(tài)的monitor對象蝗锥,這種常用于單例對象的獲取。
    這里我們也順便說下單利對象的寫法吧率触,一般這樣寫足夠安全了终议,其中如果單利對象初始化對象的時(shí)候,需要依賴注入葱蝗,則要加上volatile關(guān)鍵字穴张,保證初始化對象的同步性,即初始化完成之后两曼,對象才標(biāo)記為非空皂甘,否則可以不加。
     public final class SingleMan {
     private static volatile SingleMan sInstance;
     private SingleMan(String tag) {}
    
     public static SingleMan getInstance(){
         if (sInstance == null) {
             synchronized (SingleMan.class) {
                 if (sInstance == null) {
                     sInstance = new SingleMan("SingleMan");
                 }
             }
         }
         return sInstance;
       }
     }
    
3. ReentrantLock 可重入鎖

這是一個(gè)手動(dòng)鎖悼凑,上鎖和解鎖都需要寫代碼的人去完成偿枕,而且異常情況也需要自己處理。我們通過代碼來看下它常規(guī)的使用户辫。

  private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

  private void methodA() {
      lock.lock();//上鎖
      try {
          //do something
      } finally {
          lock.unlock();//不管是否異常渐夸,最終都會(huì)釋放鎖
      }
  }

它和synchronized的區(qū)別在哪?

  • synchronized是最為關(guān)鍵字出現(xiàn)的寸莫,上鎖和解鎖以及異常處理捺萌,JVM已經(jīng)幫我們做了,而ReentrantLock不是關(guān)鍵字,上鎖和解鎖已經(jīng)異常處理需要我們手動(dòng)完成桃纯。
  • synchronized不能具體區(qū)分出讀鎖和寫鎖酷誓,而 ReentrantLock可以分別加讀鎖和寫鎖,所以相對于synchronized而言ReentrantLock鎖粒度更細(xì)态坦。

下面在看下ReentrantLock的讀鎖和寫鎖的常規(guī)使用盐数,舉個(gè)簡單的栗子。

  private final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
  private final Lock readLock = lock.readLock();
  private final Lock writeLock = lock.writeLock();

  private int x = 0;

  private void count() {
      writeLock.lock();
      try {
          x++;
      } finally {
          writeLock.unlock();
      }
  }

  private void printNumber() {
      readLock.lock();
      try {
          System.out.println("The number is " + x);
      } finally {
          readLock.unlock();
      }
  }

以上代碼伞梯,當(dāng)執(zhí)行count方法時(shí)玫氢,其他線程是不可以對x進(jìn)行寫操作,但是可以進(jìn)行讀操作谜诫,同樣漾峡,當(dāng)執(zhí)行printNumber方法時(shí),其他線程是不可以對x進(jìn)行讀操作喻旷,但是可以進(jìn)行寫操作生逸,因?yàn)樽x寫鎖是分離的。

這里對ReentrantLock以及鎖機(jī)制不再更深一步的了解且预,先點(diǎn)到為止槽袄,再加上個(gè)人能力有限,如果后面有更深入的理解锋谐,再加入進(jìn)來遍尺。

相關(guān)問題

  • 進(jìn)程和線程有什么區(qū)別?
    線程是運(yùn)行在進(jìn)程中的涮拗,每個(gè)操作系統(tǒng)中有許多個(gè)進(jìn)程乾戏,每個(gè)進(jìn)程都是相互獨(dú)立的。
    舉個(gè)通俗的例子多搀,這個(gè)世界就是一個(gè)大的操作系統(tǒng)歧蕉,每一個(gè)家庭代表著一個(gè)進(jìn)程,而每個(gè)家庭中的人代表著每一個(gè)線程康铭。每個(gè)家庭可以進(jìn)行溝通惯退,而每個(gè)進(jìn)程也遵循一定的協(xié)議進(jìn)行溝通,每個(gè)人可以協(xié)同完成某一任務(wù)从藤,每個(gè)線程也可以通過協(xié)同合作來完成某一個(gè)任務(wù)催跪。
    往深的說,線程間共享資源夷野,進(jìn)程間不共享懊蒸。而且這倆都不是一個(gè)概念,不能進(jìn)行比較悯搔,共同點(diǎn)就是可以同時(shí)并行骑丸。

  • 死鎖
    死鎖只出現(xiàn)在鎖關(guān)系比較復(fù)雜的情況下,即鎖嵌套,單個(gè)鎖是不會(huì)出現(xiàn)的通危。如下代碼則會(huì)出現(xiàn)死鎖的情況:

      public void method1(){
          synchronized(monitor1){
              //do something
              synchronized(monitor2){
                  //do something
              }
          }
      }
      
      public void method2(){
          synchronized(monitor2){
              //do something
              synchronized(monitor1){
                  //do something
              }
          }
      }
    

    方法1和方法2互相持有monitor1monitor2的所對象铸豁,就會(huì)出現(xiàn),方法1中執(zhí)行到synchronized(monitor2){}這句代碼時(shí)菊碟,會(huì)等待方法2釋放monitor2鎖對象节芥,同樣,方法2執(zhí)行到synchronized(monitor1){}這句代碼時(shí)逆害,會(huì)等待方法1釋放monitor1鎖對象头镊,二者互相等待對方釋放鎖對象,就死等魄幕,這一等就是一輩子相艇。

  • 樂觀鎖和悲觀鎖
    在后端開發(fā)中,經(jīng)常會(huì)遇到這種問題梅垄,當(dāng)從數(shù)據(jù)庫中讀出數(shù)據(jù)后厂捞,然后啪啪啪進(jìn)行一頓業(yè)務(wù)操作,之后再將數(shù)據(jù)寫回?cái)?shù)據(jù)庫中队丝,這時(shí)出現(xiàn)以下情況:

    • 在自己從數(shù)據(jù)庫中讀數(shù)據(jù)之后到寫數(shù)據(jù)之前,數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可能已經(jīng)被其他伙伴修改過了欲鹏。

    遇到這種情況机久,做法如下:

    • 假設(shè)我們讀的時(shí)候不上鎖,寫回?cái)?shù)據(jù)庫的時(shí)候再檢查數(shù)據(jù)是否發(fā)生了改變赔嚎,之后根據(jù)具體在寫回?cái)?shù)據(jù)庫膘盖,寫的過程是一定加鎖的,這個(gè)處理方式即為樂觀并發(fā)控制尤误,所謂樂觀鎖侠畔。

    • 假設(shè)我們在讀數(shù)據(jù)之前,就先上鎖损晤,不允許其他伙伴進(jìn)行讀寫操作软棺,直到自己將鎖釋放后,別的伙伴才可以讀寫尤勋,這個(gè)處理方式即為悲觀并發(fā)控制喘落,所謂悲觀鎖

    以上兩種處理方式皆為處理并發(fā)操作的思想最冰。

由于個(gè)人能力有限瘦棋,如有錯(cuò)誤之處,還望指出暖哨,我會(huì)第一時(shí)間驗(yàn)證并修改赌朋。
理解事物,看本質(zhì)。共勉沛慢。

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