JAVA 多線程與鎖

線程與線程池

線程安全可能出現(xiàn)的場景

• 共享變量資源多線程間的操作综看。
• 依賴時序的操作俩由。
• 不同數(shù)據(jù)之間存在綁定關系嫉髓。
• 沒有聲明是線程安全的劳跃。

多線程性能問題

線程調(diào)度

• 線程上下文切換
• CPU 緩存失效
• 鎖競爭谎仲、IO頻繁 會造成上下文切換的頻繁。

線程協(xié)作

• 線程間共享數(shù)據(jù)的頻繁Flush 刷盤（保證數(shù)據(jù)一致性）刨仑。
• 保證線程安全而取舍了CPU 對指令重排的優(yōu)化郑诺。

每個任務都創(chuàng)建一個線程帶來的問題

• 反復創(chuàng)建線程造成系統(tǒng)開銷比較大，線程創(chuàng)建和銷毀都需要時間杉武，如果任務是比較簡單的辙诞，那么創(chuàng)建和銷毀線程所消耗的資源可能比要處理的任務本身還要大，這是極其不合理的轻抱。
• 過多的線程會占用內(nèi)存資源飞涂，如過一個線程處理的任務耗時比較長，那么就會有大量的空閑線程處于線程饑餓 線程間上下文切換也會對CPU 帶來壓力祈搜， 同時也可能造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定较店。

線程池解決線程資源過多的思路

• 線程池用固定數(shù)量的線程一直保持工作狀態(tài)，執(zhí)行任務容燕。
• 根據(jù)需要創(chuàng)建線程泽西，控制線程的總數(shù)量，避免過多的線程占用資源缰趋。

線程池的優(yōu)點

• 線程池中的線程是可以復用的，避免了（創(chuàng)建陕见、銷毀）線程生命周期的系統(tǒng)開銷秘血。 線程池中的線程一直保持工作狀態(tài)，可以直接處理任務评甜，避免了創(chuàng)建線程帶來的延遲灰粮。
• 線程池可以統(tǒng)籌內(nèi)存和CPU的使用，使資源可以合理分配利用忍坷。 線程池會根據(jù)配置和任務數(shù)量靈活控制線程數(shù)量粘舟。
• 線程池可以統(tǒng)一管理資源熔脂，可以統(tǒng)一協(xié)調(diào)和管理任務資源和線程。

線程池參數(shù)

線程池任務調(diào)度流程圖

soket Program-線程池任務處理.png

線程池的特點

• 希望保持較少的線程數(shù)霞揉，且指在負載較大時才增加線程。
• 只有在任務阻塞隊列滿的情況下才在 corePoolSize 基礎上創(chuàng)建多的線程晰骑，如果采用無界隊列（LinkBlockQueue） 則永遠不會超出corePoolSize 的線程數(shù)限制适秩。
• corePoolSize 和 maxPoolSize 大小相同，創(chuàng)建固定大小的線程池硕舆。
• maxPoolSize 值設置 Integer.MAX_VALUE 創(chuàng)建更多的線程秽荞。

線程池拒絕任務的時機

• 程序調(diào)用 shutdown 方法關閉線程池，此時即使線程池中還有線程在處理任務抚官， 但新提交的任務仍被拒絕執(zhí)行扬跋。
• 線程池已經(jīng)飽和，任務阻塞隊列已滿凌节，線程數(shù)達到最大線程數(shù) maxPoolSize 上限钦听， 新提交的任務就會拒絕執(zhí)行。

線程池的拒絕策略

• AbortPolicy: 拒絕策略在拒絕任務時會直接拋出 RejectedExecutionException 異常 刊咳， 可以捕獲異常并根據(jù)業(yè)務邏輯選擇重試或放棄提交彪见。

• DiscardPolicy: 新任務被提交后直接被丟棄 也不會給任何異常通知， 風險比較大娱挨，可能造成無感知的數(shù)據(jù)丟失余指。

• DiscardOldestPolicy: 丟棄掉任務隊列的中存活時間最長的任務，存在一定的數(shù)據(jù)丟失的風險跷坝。

• CallerRunsPolicy: 把任務交于提交任務的線程執(zhí)行酵镜，誰提交任務誰負責執(zhí)行。

  • 新提交的任務不會丟棄柴钻，保證了業(yè)務完整性和數(shù)據(jù)完整性淮韭。
  • 提交任務的線程執(zhí)行新任務， 不會再提交任務給線程池贴届，線程池處理執(zhí)行任務隊列的任務靠粪， 騰出阻塞隊列空間。

常見的6種線程池

• FixedThreadPool
• CacheThreadPool
• ScheduledThreadPool
• SingleThreadExecutor
• SingleThreadScheduledExecutor
• ForkJoinPool

FixedThreadPool

核心線程數(shù)（corePoolSzie） 和最大線程數(shù)（maxPoolSize） 一樣毫蚓， 可以看做是固定線程數(shù)的線程池占键， 特點是線程池中的線程從0 開始增加，到corePoolSize 線程數(shù)上限元潘，就不再增加畔乙。

CacheThreadPool

可以稱為可緩存線程池， 它的線程數(shù)是幾乎可說是不設上限翩概，（Integer.MAX_VALUE 2^31-1）,它的任務隊列是SynchronousQueue 隊列容量為0 牲距， 不存儲任務返咱，只負責任務的中轉(zhuǎn)與傳遞，效率比較高牍鞠。
當提交一個新任務時線程池會判斷是否存在空閑線程咖摹，如果有空閑線程就直接分配任務給線程去執(zhí)行，沒有則新建線程去執(zhí)行任務皮服。

ScheduledThreadPool

支持定時和周期性的執(zhí)行任務楞艾。

ScheduledExecutorService service = Executors.newScheduledThreadPool(10); 
#1 每隔10s 鐘執(zhí)行一次任務。
service.schedule(new Task(), 10, TimeUnit.SECONDS); 
#2 延遲10s 執(zhí)行第一次任務龄广，之后（從任務開始執(zhí)行時間計時） 每延遲10s 執(zhí)行一次任務硫眯。
service.scheduleAtFixedRate(new Task(), 10, 10, TimeUnit.SECONDS); 
#3 延遲10s 執(zhí)行第一次任務，之后（從任務結(jié)束時間開始計時）每延遲10s 執(zhí)行一次任務择同。
service.scheduleWithFixedDelay(new Task(), 10, 10, TimeUnit.SECONDS);

SingleThreadExecutor

只存在一個線程去執(zhí)行任務两入，如果線程執(zhí)行任務過程中發(fā)生異常，線程池會創(chuàng)建新的線程去執(zhí)行后續(xù)的任務敲才。適合要求任務按提交順序執(zhí)行的場景裹纳。

SingleThreadScheduledExecutor

與 ThreadScheduledExecutor 類似，只是它的核心線程數(shù)設為了1紧武，只有一個線程去執(zhí)行任務剃氧。

ForkJoinPool

適用于遞歸場景，例如樹的遍歷阻星。朋鞍。

與上述線程池最大的不同點在于

• 適合執(zhí)行可以產(chǎn)生子線程的任務。比如一個任務Task 產(chǎn)生三個子任務 subTask, 那么三個子任務并行執(zhí)行互不影響妥箕，充分利用CPU 多核優(yōu)勢滥酥。 主任務執(zhí)行分為兩部分

  • fork: 將任務分裂出子任務。
  • join: 匯總子任務的執(zhí)行結(jié)果畦幢。

• 內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同坎吻，上述線程池所有的線程公用一個任務隊列， 但是 ForkJoinPool 線程池中除了有一個公用的任務隊列外宇葱， 每個線程都自己獨立的雙端任務隊列 Deque瘦真。 線程分裂出來的子任務放入自己的Deque 任務隊列中，線程可以直接在直接的獨立隊列中獲取任務執(zhí)行（LIFO）黍瞧，減少了線程間競爭和切換吗氏。

• work-stealing 當一個線程忙，而一個線程空閑時雷逆，空閑線程就會偷 任務放入自己的Deque 中執(zhí)行（FIFO）。

合適的線程數(shù)量

CPU 密集型

加密污尉、解密膀哲、壓縮往产、計算等一系列需要大量消耗CPU 資源的任務， 這樣的任務最大線程數(shù)為 CPU core*（1~2）某宪。 因為計算任務是比較繁重的仿村，會占用大量的CPU 資源， 申請過多線程容易造成線程的上下文切換兴喂，甚至會導致性能的下降蔼囊。

IO 密集型

數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)讀寫、 文件內(nèi)容讀寫衣迷、網(wǎng)絡通信等任務畏鼓，這種任務的特點是并不會特別消耗CPU 資源，但是IO 操作耗時壶谒，會占用比較多的時間云矫。 線程數(shù)=CPU core * (1+ 平均等待時間/平均工作時間)。

線程池的關閉

shutdown()

• 安全關閉線程池汗菜， 調(diào)用 shutdown() 方法后并不是立即關閉線程池让禀，而是等正在執(zhí)行任務的線程 和 任務隊列里的任務執(zhí)行完畢后，再關閉陨界，
• 此時不在接受新提交的任務巡揍，新提交任務按拒絕策略拒絕掉。

shutdownNow()

執(zhí)行shutdownNow() 方法后菌瘪，會執(zhí)行以下步驟

• 給線程池中的所有線程發(fā)送 Interrupt 中斷信號腮敌，嘗試中斷任務的執(zhí)行。
• 將任務阻塞隊列里的任務轉(zhuǎn)移到一個列表list 返回麻车，可根據(jù)業(yè)務需求自行對返回的任務做后續(xù)的補救操作或記錄缀皱。

isShutdown()

檢測線程池是否已經(jīng)開始了關閉流程（執(zhí)行了shutdown() shutdownNow()）, Boolean 類型，返回為true 也只是表明線程池開始了關閉工作动猬。

isTerminated()

檢測線程池是否已經(jīng)終結(jié)關閉掉啤斗，Boolean 類型，返回為true 意味者線程池中任務隊列里的任務都已經(jīng)執(zhí)行完畢,線程池被關閉赁咙。

awaitTermination()

用來判斷線程池狀態(tài)钮莲，在等待時間截止可能三種情況產(chǎn)生。

• 等待時間內(nèi)彼水，若線程池中所有提交的你任務都已執(zhí)行崔拥，線程池已關閉，返回true凤覆。
• 等待時間內(nèi)線程被中斷链瓦，會拋出 InterruptException()。
• 等待時間結(jié)束后，線程并未終結(jié)返回 false慈俯。

?

多線程的線程復用原理

• 通過 Wroker 的findTask 或 getTask 從 workqueue 中獲取待執(zhí)行的任務渤刃。

• 直接調(diào)用task 的 run 方法，執(zhí)行具體任務贴膘，不是新建線程卖子。

  ---

  ?

  ?

常見的各種鎖

鎖的7 大分類

• 偏向鎖/輕量級鎖/重量級鎖
• 可重入鎖/不可重入鎖
• 共享鎖/排他鎖
• 公平鎖/非公平鎖
• 悲觀鎖/樂觀鎖
• 自旋鎖/非自旋鎖
• 可中斷鎖/不可中斷鎖

偏向鎖/輕量級鎖/重量級鎖

對于synchronized 關鍵字加monitor 鎖的對象，在對象頭中標明鎖的狀態(tài)刑峡。

• 偏向鎖

  如果自始至終洋闽，對于這把鎖都不存在競爭，那么沒必要上鎖突梦，只需要在對象頭的鎖標記位打一個標記就行诫舅，這是偏向鎖的思想，若對象初始化后沒有任何線程來獲取它的鎖阳似，那么它是可偏向的骚勘，當有第一個線程訪問并嘗試獲取鎖的時候，會將這個線程記錄下來撮奏， 之后嘗試獲取鎖的線程是偏向鎖的擁有者俏讹，那么就直接獲得鎖，開銷很小畜吊，性能好泽疆。

• 輕量級鎖

  輕量級鎖是指當鎖原來是偏向鎖的時候，被另一個線程訪問玲献，說明存在鎖競爭殉疼，那么偏向鎖就會升級為輕量級鎖，線程會通過自旋+ CAS 的形式捌年，嘗試獲得鎖瓢娜，而不會陷入阻塞

• 重量級鎖

  重量級鎖是互斥鎖，它是利用操作系統(tǒng)的同步機制實現(xiàn)的礼预，開銷很大眠砾， 當多個線程之間存在鎖的競爭，且線程任務執(zhí)行耗時比較長托酸，競爭的鎖就會長時間陷入自旋等待獲得鎖褒颈， JVM 處于對資源的平衡和合理利用， 這時鎖就會膨脹為重量級鎖励堡， 重量級鎖會讓其他申請卻拿不到鎖的線程進入阻塞狀態(tài)谷丸。

• 鎖升級

soket Program-鎖升級.jpg

? 偏向鎖的性能最好，此時沒有出現(xiàn)多線程的競爭应结，輕量級鎖利用自旋+CAS 操作避免了重量級帶來的線程阻塞和喚醒刨疼，性能中等，重量級鎖則會把獲取不到線程的鎖阻塞，性能最差揩慕。

可重入鎖/不可重入鎖

• 可重入鎖：指的是線程當前持有這把鎖游两，在不釋放鎖情況下再次獲得這把鎖， 例如ReentrantLock
• 不可重入鎖： 雖然線程當前持有了這把鎖漩绵，也必須要釋放鎖后才能再次獲得這把鎖。

共享鎖/排他鎖

• 共享鎖： 可以被多個線程同時獲得肛炮，例如讀寫鎖中的讀鎖（Read Lock）止吐。
• 排他鎖： 鎖只能被一個線程持有，例如讀寫鎖中的寫鎖(Write Lock)侨糟。

公平鎖/非公品鎖

如果線程線程在嘗試獲取鎖的時候獲取不到鎖碍扔，就會陷入阻塞等待，開始排隊秕重，在等待隊列里等待長的優(yōu)先獲得鎖不同，先到先得，而非公平鎖在一定情況下會忽略掉正在排隊的線程溶耘，發(fā)生插隊現(xiàn)象二拐。

悲觀鎖/樂觀鎖

• 悲觀鎖：是指在獲取資源前必須先拿到鎖，以便達到 獨占狀態(tài)凳兵，當前線程在操作資源時百新， 其他線程拿不到鎖，不會影響當前線程的操作庐扫。

  synchronized 關鍵字 Lock 相關接口

  適用于并發(fā)寫入多饭望，臨界區(qū)業(yè)務復雜處理比較耗時，競爭激烈的場景形庭。

• 樂觀鎖： 它并不要求在獲取資源的前拿到鎖铅辞，也不會鎖住資源，相反樂觀鎖利用CAS 理念萨醒，在不獨占資源的情況下斟珊，完成對資源的修改。

  原子類 AtomicInteger AtomicLong ..等

  適用于讀多寫少验靡， 或 讀寫都很多倍宾，但是并發(fā)競爭不嚴重，臨界區(qū)任務處理較快等場景胜嗓，不加鎖的特定能大幅度提高性能高职。

自旋鎖/非自旋鎖

• 自旋鎖

  • 如果線程現(xiàn)在拿不到鎖，并不會直接陷入阻塞也不會釋放CPU 資源辞州，而是循環(huán)不停的嘗試獲得鎖怔锌，這個過程就被形象的稱為自旋

  • 自旋鎖用循環(huán)不停地嘗試獲得鎖，讓線程始終處于Runable 狀態(tài)，節(jié)省了線程狀態(tài)切換（休眠 ->喚醒 恢復現(xiàn)場） 帶來的開銷

  • 自旋鎖避免了線程狀態(tài)切換開銷埃元，但是因為不停地嘗試獲取同步資源的鎖涝涤，如果鎖一直不釋放，那頻繁的嘗試過程也是對處理器資源的浪費岛杀，甚至這種開銷在后期可能超過線程切換帶來的開銷阔拳。

  • 適用于并發(fā)場景不是很高，臨界區(qū)程序比較簡單类嗤。

• 非自旋鎖

  如果拿不到鎖就直接放棄糊肠，或進入阻塞排隊。

• 圖示

soket Program-自旋鎖非自旋鎖.jpg

可中斷鎖/不可中斷鎖

• 不可中斷鎖：在java 中 synchorized 修飾的鎖是不可中斷鎖遗锣，一旦線程申請了鎖就只能等拿到鎖之后才能進行其他 的邏輯處理货裹。
• 可中斷鎖： 而 ReentranLock 是一種典型的可中斷鎖， 例如使用 lockInterruptibly 方法精偿，在申請獲取鎖的過程中弧圆，突然不想獲取了，那么也可以中斷之后去處理其他的任務笔咽。不用一直等待獲取鎖之后才能離開搔预。

synchronized vs Lock

相同點

• synchronized 和 Lock 都是用來保護資源線程訪問的安全。
• 都可以保證可見性
• synchronized 和 ReentrantLock 都擁有可重入的特點拓轻，都是可重入鎖斯撮。

不同點

• 用法上的區(qū)別
• 加解鎖的順序性不同
• synchronized 鎖不夠靈活
• synchronized 鎖只能同時被一個線程擁有，但是Lock 鎖沒有這個限制扶叉。
• 原理區(qū)別勿锅，sychronized 是內(nèi)置鎖，由JVM 實現(xiàn)獲取鎖和釋放鎖的原理枣氧。
  synchronized 不能設置公平和非公平
• 性能區(qū)別

如何選擇

• 推薦使用JUC并發(fā)工具包溢十，不推薦使用 synchronized 和 Lock.
• 若synchronized 適合的程序，那么推薦使用synchronized 达吞，因為使用簡潔张弛，不容易出錯，（ReentrantLock 需要顯示的在 finally 塊中 lock.unlock 解鎖）
• 需要Lock 的特殊功能酪劫，比如可中斷吞鸭，公平鎖，非公平鎖等功能覆糟，才使用Lock刻剥。

JVM 對鎖的優(yōu)化

自適應自旋鎖

• jdk1.6 中引入了自適應自旋鎖來解決長時間自旋的問題，會根據(jù)最近自旋嘗試的成功率滩字、失敗率造虏、以及當前鎖的擁有者狀態(tài)等多種因素決定御吞，自旋的時間是變化的，比如最近嘗試自旋獲得鎖成功了漓藕，那么下次還會使用自旋陶珠，且允許更長時間的自旋，如果失敗了那可能會減少自旋時間享钞，甚至放棄自旋揍诽。

鎖粗化

• 把幾個同步代碼塊合并為一個，節(jié)省了頻繁加鎖解鎖的性能開銷栗竖，擴大了臨界區(qū)寝姿，適用于非循環(huán)的場景。

鎖消除

• 在經(jīng)過逃逸分析之后划滋，如果發(fā)現(xiàn)某些對象不可能被其他線程訪問到，那么就可以把它們當成棧上數(shù)據(jù)埃篓，棧上數(shù)據(jù)屬于本線程处坪，是線程安全的不需要加鎖，這樣就會自動把鎖消除掉架专。

偏向鎖/輕量級鎖/重量級鎖

參見上文