本筆記來自 計算機程序的思維邏輯 系列文章

線程

創(chuàng)建線程的方式

• 繼承Thread
• 實現(xiàn)Runnable接口

屬性和方法

• long tid 線程ID犀暑，遞增整數(shù)

• String name 線程名，默認(rèn)以 Thread- + 線程編號 構(gòu)成

• int priority 優(yōu)先級担扑，范圍是 1 到 10 等孵，默認(rèn)是 5

• int threadStatus 狀態(tài)了赵，枚舉類型：NEW RUNNABLE BLOCKED WAITING TIMED_WAITING TERMINATED

• boolean daemon 是否守護線程

  當(dāng)程序中只存在daemon線程時脓匿，程序就會退出

  程序運行時遍略，除了創(chuàng)建main線程压鉴，至少還會創(chuàng)建一個負(fù)責(zé)垃圾回收的線程崖咨，它就是daemon線程，當(dāng)main線程結(jié)束時油吭，垃圾回收線程也會退出

• boolean isAlive() 判斷線程是否存活

• void yield() 表示當(dāng)前線程不著急使用CPU

• void sleep(long millis) 讓當(dāng)前線程睡眠一段時間

• void join(long millis) 等待當(dāng)前線程击蹲，0 表示無限等待

特點

共享內(nèi)存

每個線程表示一條單獨的執(zhí)行流，有自己的程序計數(shù)器婉宰，有自己的棧歌豺，但線程之間可以共享內(nèi)存，它們可以訪問和操作相同的對象

競態(tài)條件

當(dāng)多個線程訪問和操作同一個對象時心包，最終結(jié)果與執(zhí)行時序有關(guān)类咧，可能正確也可能不正確

解決方法：使用synchronized關(guān)鍵字，使用顯式鎖蟹腾，使用原子變量

內(nèi)存可見性

多個線程可以共享訪問和操作同一個變量痕惋，但一個線程對一個共享變量的修改，另一個線程不一定馬上就能看到娃殖，可能永遠(yuǎn)看不到

在計算機系統(tǒng)中值戳，除了內(nèi)存，數(shù)據(jù)還會被緩存在CPU的寄存器以及各級緩存中炉爆，當(dāng)訪問一個變量時堕虹，可能直接從寄存器或CPU緩存中獲取，而不一定到內(nèi)存中取芬首，當(dāng)修改一個變量時赴捞，也可能是先寫到緩存中，而稍后才會同步更新到內(nèi)存中

優(yōu)點

• 充分利用多CPU的計算能力郁稍，單線程只能利用一個CPU
• 充分利用硬件資源赦政，多個獨立的網(wǎng)絡(luò)請求，完全可以使用多個線程同時請求
• 在用戶界面應(yīng)用程序中艺晴，保持程序的響應(yīng)性昼钻，界面和后臺任務(wù)通常是不同的線程
• 簡化建模和IO處理

成本

• 創(chuàng)建線程需要消耗操作系統(tǒng)的資源掸屡，操作系統(tǒng)會為每個線程創(chuàng)建必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)封寞、棧、程序計數(shù)器等仅财，創(chuàng)建需要時間
• 當(dāng)有大量可運行線程時狈究，操作系統(tǒng)會忙于調(diào)度，為一個線程分配一段時間盏求，執(zhí)行完后抖锥，再讓另一個線程執(zhí)行亿眠。切換出去時，系統(tǒng)需要保存線程當(dāng)前上下文狀態(tài)到內(nèi)存磅废；切換回來時纳像，需要恢復(fù)。這種切換會使CPU的緩存失效拯勉，而且耗時
• 創(chuàng)建超過CPU數(shù)量的線程是不必要的

synchronized

可以用于修飾類的實例方法竟趾、靜態(tài)方法和代碼塊

實例方法

• 保護同一對象的方法調(diào)用，實際保護的是當(dāng)前實例對象
• 對象有一個鎖和一個等待隊列宫峦，鎖只能被一個線程持有岔帽，當(dāng)前線程不能獲得鎖時，會加入等待隊列
• 保護的是對象而不是代碼导绷，只要訪問的是同一個對象的synchronized方法犀勒，即使是不同的方法，也會同步順序訪問

靜態(tài)方法

• 保護的是類對象
• 不同的兩個線程妥曲，可以同時一個執(zhí)行synchronized靜態(tài)方法贾费，另一個執(zhí)行synchronized實例方法

代碼塊

• 在方法中使用synchronized，傳入一個對象檐盟，即保護對象
• 實例方法用this铸本，靜態(tài)方法則用Class

特點

可重入性

• 通過記錄鎖的持有線程和持有數(shù)量來實現(xiàn)
• 同個線程，在獲得鎖后遵堵，調(diào)用其它需要同樣鎖的代碼時箱玷，可以直接調(diào)用；即一個線程調(diào)用的一個synchronized實例方法內(nèi)可以直接調(diào)用其它synchronized實例方法

內(nèi)存可見性

• 在釋放鎖時陌宿，所有寫入都會寫回內(nèi)存锡足，獲得鎖時，都會從內(nèi)存讀取最新數(shù)據(jù)壳坪。成本有點高
• 給變量加修飾符volatile舶得，保證讀寫到內(nèi)存最新值

死鎖

• a持有鎖A，等待鎖B爽蝴，b持有鎖B沐批，等待鎖A，陷入互相等待
• 應(yīng)該盡量避免在持有一個鎖的同時去申請另一個鎖蝎亚，如果確實需要多個鎖九孩，所有代碼都應(yīng)該按照相同順序去申請鎖

同步容器

通過給所有容器方法加上synchronized來實現(xiàn)安全。如：SynchronizedCollection

但以下情況不是安全的

• 復(fù)合操作
• 偽同步
• 迭代

并發(fā)容器

同步容器性能比較低发框，Java有很多專門為并發(fā)設(shè)計的容器類躺彬。如：CopyOnWriteArrayList ConcurrentHashMap

線程的基本協(xié)作機制

wait 等待

把當(dāng)前線程放到條件等待隊列并阻塞，等待喚醒

過程

• 把當(dāng)前線程放入條件等待隊列，釋放對象鎖宪拥，阻塞等待仿野，線程狀態(tài)變?yōu)?WAITING 或 TIMED_WAITING
• 等待時間到或被其它線程調(diào)用notify/notifyAll從條件等待隊列中移除，這時她君，要重新競爭對象鎖
  • 如果能夠獲得鎖脚作，線程狀態(tài)變?yōu)?RUNNABLE ，并從 wait 調(diào)用中返回
  • 否則缔刹，該線程加入對象鎖等待隊列鳖枕，線程狀態(tài)變?yōu)?BLOCKED ，只有在獲得鎖后才會從 wait 調(diào)用中返回

線程從wait調(diào)用中返回后桨螺，不代表其等待的條件就一定成立了宾符，它需要重新檢查其等待的條件。

一般調(diào)用模式

synchronized (obj) {
    while (條件不成立) {
        obj.wait();
    }
    // ... 執(zhí)行條件滿足后的操作
}

notify 喚醒

從條件等待隊列中移除一個線程并將之喚醒

notifyAll 喚醒

移除條件等待隊列中所有線程并全部喚醒

機制

• 每個對象都有一把鎖和用于鎖的等待隊列灭翔，還有一個條件等待隊列魏烫，用于線程間的協(xié)作
• 一個對象調(diào)用wait方法就會當(dāng)前線程放到條件隊列上并阻塞，表示當(dāng)前線程執(zhí)行不下去了肝箱，需要等待一個條件哄褒，這個條件它本身無法改變，需要其它線程改變
• 當(dāng)其它線程改變了條件后煌张，調(diào)用該對象的notify或notifyAll方法呐赡，將其喚醒

注意

• wait 和 notify 方法只能在synchronized代碼塊內(nèi)被調(diào)用，如果調(diào)用時骏融，當(dāng)前線程沒有持有對象鎖链嘀，會拋異常IllegalMonitorStateException
• 雖然是在synchronized方法內(nèi)，但調(diào)用wait時档玻，線程會釋放鎖
• notify方法不會釋放鎖

協(xié)作的核心

共享的條件變量

場景

• 同時開始 共享同一個條件變量
• 等待結(jié)束 CountDownLatch
• 異步結(jié)果 Executor Future
• 集合點 CyclicBarrier

線程的中斷

取消/關(guān)閉的機制

在Java中怀泊，停止一個線程的主要機制是中斷，中斷并不是強迫終止一個線程误趴，它是一種協(xié)作機制霹琼，是給線程傳遞一個取消信號，但是由線程來決定如何及何時退出

每個線程都有一個標(biāo)志位凉当，表示該線程是否被中斷了

• void stop() 已過時
• boolean isInterrupted() 返回對應(yīng)線程的中斷標(biāo)志位
• void interrupt() 中斷對應(yīng)的線程
• static boolean interrupted() 返回當(dāng)前線程的中斷標(biāo)志位枣申；同時清空中斷標(biāo)志位

線程對中斷的反應(yīng)

interrupt 對線程的影響與線程的狀態(tài)和在進行的IO操作有關(guān)

RUNNABLE

線程在運行或具備運行條件只是在等待操作系統(tǒng)調(diào)度

• 如果線程在運行中，且沒有執(zhí)行IO操作看杭，interrupt只是會設(shè)置線程的中斷標(biāo)志位忠藤，沒有任何其它作用；線程應(yīng)該在運行過程中合適的位置檢查中斷標(biāo)志位

WAITING / TIMED_WAITING

線程在等待某個條件或超時

• 線程執(zhí)行 join() 或 wait() 會進入 WAITING 狀態(tài)
• 線程執(zhí)行 wait(long timeout) sleep(long millis) 或 join(long millis) 會進入 TIMED_WAITING 狀態(tài)
• 在這些狀態(tài)時泊窘，調(diào)用interrupt會使線程拋異常InterruptedException熄驼，拋異常后，中斷標(biāo)志位被清空
• 捕獲到InterruptedException烘豹，通常希望結(jié)束該線程瓜贾，有兩種處理方式
  • 向上傳遞該異常，使得該方法也變成了一個可中斷的方法携悯，需要調(diào)用者進行處理
  • 不能向上傳遞時祭芦，捕獲異常，進行合適的清理操作憔鬼，清理后龟劲，一般調(diào)用interrupt方法設(shè)置中斷標(biāo)志位，使其它代碼知道它發(fā)生了中斷

BLOCKED

線程在等待鎖轴或，試圖進入同步塊

• 如果線程在等待鎖昌跌，調(diào)用interrupt只會設(shè)置線程的中斷標(biāo)志位，線程依然處于 BLOCKED 狀態(tài)

NEW / TERMINATE

線程還沒啟動或已結(jié)束

• 在這些狀態(tài)時照雁，調(diào)用interrupt對它沒有任何效果蚕愤，中斷標(biāo)志位也不會被設(shè)置

IO操作

• 如果IO通道是可中斷的，即實現(xiàn)了InterruptibleChannel接口饺蚊，則IO操作關(guān)閉萍诱，線程的中斷標(biāo)志位會被設(shè)置，同時線程會收到異常ClosedByInterruptException
• 如果線程阻塞于Selector調(diào)用污呼，則線程的中斷標(biāo)志位會被設(shè)置裕坊，同時阻塞的調(diào)用會立即返回

正確取消/關(guān)閉線程

• interrupt方法不會真正中斷線程，只是一種協(xié)作機制
• 以線程提供服務(wù)的程序模塊燕酷，應(yīng)該封裝取消/關(guān)閉操作籍凝，提供單獨的取消/關(guān)閉方法給調(diào)用者，而不是直接調(diào)用interrupt方法

原子變量和CAS

包含一些以原子方式實現(xiàn)組合操作的方法

基本原子變量類型

• AtomicInteger
• AtomicBoolean
• AtomicLong
• AtomicReference苗缩，AtomicMarkableReference静浴，AtomicStampedReference

數(shù)組類型

• AtomicIntegerArray
• AtomicLongArray
• AtomicReferenceArray

更新類

• AtomicIntegerFieldUpdater
• AtomicLongFieldUpdater
• AtomicReferenceFieldUpdater

內(nèi)部實現(xiàn)

依賴compareAndSet方法，簡稱 CAS

CAS 是Java并發(fā)包的基礎(chǔ)挤渐，基于它可以實現(xiàn)高效苹享、樂觀、非阻塞式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法浴麻，也是并發(fā)包中鎖得问、同步工具和各種容器的基礎(chǔ)

對比

• synchronized是悲觀的，它假定更新很可能沖突软免，所以先獲得鎖宫纬，得到鎖后才更新；原子變量是樂觀的膏萧，它假定沖突比較少漓骚，但使用CAS更新蝌衔，也就是進行沖突檢測，如果沖突蝌蹂，就繼續(xù)嘗試
• synchronized是阻塞式算法噩斟，得不到鎖時，進入鎖等待隊列孤个，等待其它線程喚醒剃允，有上下文切換開銷；而原子變量是非阻塞式的齐鲤，更新沖突時斥废，就重試，不會阻塞给郊，不會有上下文切換開銷

顯式鎖

支持以非阻塞方式獲取鎖牡肉，可以響應(yīng)中斷，可以限時

接口 Lock

• void lock() 獲取鎖淆九，會阻塞直到成功
• void unlock() 釋放鎖
• void lockInterruptibly() 可以響應(yīng)中斷荚板，被其它線程中斷時，拋出InterruptedException異常
• boolean tryLock() 只是嘗試獲取鎖吩屹，立即返回跪另，不阻塞；如果獲取成功煤搜，返回 true 免绿，否則返回 false
• boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) 先嘗試獲取鎖，如果成功則立即返回 true 擦盾，否則阻塞等待嘲驾，等待最長時間為指定的參數(shù)，在等待的同時響應(yīng)中斷迹卢，如果發(fā)生中斷裕循，拋出InterruptedException異常蟋恬，如果在等待時間內(nèi)獲得鎖球恤，返回 true 蛹疯，否則返回 false
• Condition newCondition() 新建一個條件，一個Lock可以關(guān)聯(lián)多個條件

可重入鎖 ReentrantLock

基本用法

該類的lock和unlock方法實現(xiàn)了與synchronized一樣的語義

• 可重入症见，即一個線程在持有一個鎖的前提下喂走，可以繼續(xù)獲得該鎖
• 可以解決競態(tài)條件問題
• 可以保證內(nèi)存可見性

帶參數(shù)boolean fair的構(gòu)造方法

• 參數(shù) fair 表示是否保證公平，不指定的情況下谋作，默認(rèn)為 false 芋肠，表示不保證公平
• 公平指等待最長時間的線程優(yōu)先獲得鎖；保證公平會影響性能遵蚜，一般不需要
• synchronized鎖也是不保證公平的

使用顯式鎖帖池，一定要記得調(diào)用unlock奈惑，一般而言，應(yīng)該將lock之后的代碼包裝到try語句內(nèi)睡汹，在finally語句內(nèi)釋放鎖

使用tryLock避免死鎖

在持有一個鎖肴甸，獲取另一個鎖，獲取不到的時候帮孔，可以釋放已持有的鎖雷滋，給其它線程機會獲取鎖不撑，然后再重試獲取所有鎖

獲取鎖信息

用于監(jiān)控和調(diào)試

• boolean isLocked() 是否被持有文兢，不一定是當(dāng)前線程持有
• int getHoldCount() 鎖被當(dāng)前線程持有的數(shù)量；0 表示不被當(dāng)前線程持有
• boolean isHeldByCurrentThread() 是否被當(dāng)前線程持有
• boolean isFair() 鎖等待策略是否公平
• boolean hasQueuedThreads() 是否有線程在等待該鎖
• boolean hasQueuedThread(Thread thread) 指定的線程是否在等待該鎖
• int getQueueLength() 在等待該鎖的線程個數(shù)

實現(xiàn)原理

依賴 CAS 和 LockSupport 類

LockSupport

• void park() 使當(dāng)前線程放棄CPU焕檬，進入等待狀態(tài)姆坚，操作系統(tǒng)不再對它進行調(diào)度，直到有其它線程對它調(diào)用了unpark
• void parkNanos(long nanos) 指定等待的最長時間实愚，相對時間
• void parkUntil(long deadline) 指定最長等到什么時候兼呵，絕對時間
• void unpark(Thread thread) 使線程恢復(fù)可運行狀態(tài)

顯式條件

顯式條件與wait/notify相對應(yīng)

wait/notify與synchronized配合使用；顯式條件與顯式鎖配合使用

Condition

通過顯式鎖創(chuàng)建 Condition newCondition()

• void await() 對應(yīng)于 wait()

• void signal() 對應(yīng)于 notify()

• void signalAll() 對應(yīng)于 notifyAll()

• boolean await(long time, TimeUnit unit) 指定等待的時間腊敲，相對時間

  如果等待超時击喂，返回 false ，否則為 true

• long awaitNanos(long nanosTimeout) 指定等待的時間碰辅，相對時間

  返回值是 nanosTimeout 減去實際等待的時間

• boolean awaitUntil(Date deadline) 指定最長等到什么時候懂昂，絕對時間

  如果等待超時，返回 false 没宾，否則返回 true

• void awaitUninterruptibly() 不響應(yīng)中斷的等待

  如果等待過程發(fā)生了中斷凌彬，中斷標(biāo)志位會被設(shè)置

機制

• 和wait方法一樣，調(diào)用await方法前需要先獲取鎖循衰，如果沒有鎖铲敛，會拋IllegalMonitorStateException異常
• await在進入等待隊列后，會釋放鎖会钝，釋放CPU
• 當(dāng)其它線程將它喚醒后伐蒋，或等待超時后，或發(fā)生中斷異常后迁酸，它都需要重新獲取鎖咽弦，獲取鎖后，才會從await方法中退出
• await返回后胁出，不代表其等待的條件就一定滿足了型型，通常要將await的調(diào)用放到一個循環(huán)內(nèi)，只有條件滿足后才退出

并發(fā)容器

CopyOnWriteArrayList

區(qū)別

• 線程安全全蝶，可以被多個線程并發(fā)訪問
• 它的迭代器不支持修改操作闹蒜，但也不會拋出ConcurrentModificationException異常
• 它以原子方式支持一些復(fù)合操作

原理

寫時拷貝

• 內(nèi)部是一個數(shù)組寺枉，但這個數(shù)組是以原子方式被整體更新的
• 每次修改操作，都會新建一個數(shù)組绷落，復(fù)制原數(shù)組的內(nèi)容到新數(shù)組姥闪，在新數(shù)組上進行需要的修改，然后以原子方式設(shè)置內(nèi)部數(shù)據(jù)的引用

保證線程安全的思路

• 使用鎖
• 循環(huán)CAS
• 寫時拷貝

CopyOnWriteArraySet

基于 CopyOnWriteArrayList 實現(xiàn)

ConcurrentHashMap

區(qū)別

• 并發(fā)安全
• 直接支持一些原子復(fù)合操作
• 支持高并發(fā)砌烁、讀操作完全并行筐喳、寫操作支持一定程度的并行
• 迭代不用加鎖，不會拋出ConcurrentModificationException異常
• 弱一致性

原子復(fù)合操作

實現(xiàn)了ConcurrentMap接口

• V putIfAbsent(K key, V value) 條件更新

  如果 key 不存在函喉，則設(shè)置 key 為 value 避归，返回之前的值

  如果 key 存在，返回對應(yīng)的值

• boolean remove(Object key, Object value) 條件刪除

  如果 key 存在且對應(yīng)值為 value 管呵，則刪除并返回 true 梳毙，否則返回 false

• boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) 條件替換

  如果 key 存在且對應(yīng)值為 oldValue ，則替換為 newValue 并返回 true 捐下，否則返回 false

• V replace(K key, V value) 條件替換

  如果 key 存在账锹，則替換值為 value 并返回之前的值，否則返回 null

原理

• 分段鎖 將數(shù)據(jù)分為多個段坷襟，而每個段有一個獨立的鎖奸柬；每個段相當(dāng)于一個獨立的哈希表，分段的依據(jù)也是哈希值婴程，無論是保存鍵值對還是根據(jù)鍵查找廓奕，都先根據(jù)鍵的哈希值映射到段，再在段對應(yīng)的哈希表上進行操作
• 讀不需要鎖

弱一致性

迭代器創(chuàng)建后排抬，按照哈希表結(jié)構(gòu)遍歷每個元素懂从，但在遍歷過程中，內(nèi)部元素可能會發(fā)生變化蹲蒲，如果變化發(fā)生在已遍歷過的部分番甩，迭代器就不會反應(yīng)出來，如果變化發(fā)生在未遍歷的部分届搁，迭代器就會發(fā)現(xiàn)并反映出來

ConcurrentSkipListMap

基于 SkipList 跳躍表 實現(xiàn)

特點

• 沒有使用鎖缘薛，所有操作都是無阻塞的，所有操作都可以并行卡睦，多個線程可以同時寫
• 弱一致性宴胧，有些操作不是原子的
• 實現(xiàn)了ConcurrentMap接口，直接支持一些原子復(fù)合操作
• 實現(xiàn)了SortedMap和NavigableMap接口表锻，可排序恕齐，默認(rèn)按鍵有序，可傳遞比較器自定義排序

跳表

基于 鏈表 瞬逊，在鏈表的基礎(chǔ)上加了多層索引結(jié)構(gòu)

高層的索引節(jié)點一定同時是低層的索引節(jié)點显歧；高層的索引節(jié)點少仪或，低層的多

每個索引節(jié)點，有兩個指針士骤，一個向右范删，指向下一個同層的索引節(jié)點，另一個向下拷肌，指向下一層的索引節(jié)點或基本鏈表節(jié)點

ConcurrentSkipListSet

基于 ConcurrentSkipListMap 實現(xiàn)

各種隊列

無鎖非阻塞并發(fā)隊列

都是基于鏈表實現(xiàn)到旦，沒有限制大小，無界巨缘；適用于多個線程并發(fā)使用一個隊列的場合

• ConcurrentLinkedQueue
• ConcurrentLinkedDeque

普通阻塞隊列

都實現(xiàn)了BlockingQueue接口添忘，內(nèi)部使用顯式鎖ReentrantLock和顯式條件Condition

• ArrayBlockingQueue 基于循環(huán)數(shù)組實現(xiàn)，有界带猴，創(chuàng)建時指定大小昔汉，運行過程中不會改變
• LinkedBlockingQueue LinkedBlockingDeque 基于鏈表實現(xiàn)懈万，默認(rèn)無界

優(yōu)先級阻塞隊列

PriorityBlockingQueue 按優(yōu)先級出隊拴清，優(yōu)先級高的先出，無界

延時阻塞隊列

DelayQueue

• 特殊的優(yōu)先級隊列会通，無界
• 要求每個元素都實現(xiàn)Delayed接口
• 按元素的延時時間出隊口予，只有當(dāng)元素的延時過期之后才能從隊列中被拿走

其它阻塞隊列

• SynchronousQueue 入隊操作要等待另一個線程的出隊操作，反之亦然
• LinkedTransferQueue 入隊操作可以等待出隊操作后再返回

異步任務(wù)執(zhí)行服務(wù)

執(zhí)行服務(wù)

線程Thread既表示要執(zhí)行的任務(wù)涕侈，又表示執(zhí)行的機制

執(zhí)行服務(wù) 將 任務(wù)的提交 和 任務(wù)的執(zhí)行 相分離沪停，封裝了任務(wù)執(zhí)行的細(xì)節(jié)；對任務(wù)的提交者而言裳涛，它可以關(guān)注于任務(wù)本身木张，如提交任務(wù)、獲取結(jié)果端三、取消任務(wù)舷礼；而不需要關(guān)注任務(wù)執(zhí)行的細(xì)節(jié)，如線程創(chuàng)建郊闯、任務(wù)調(diào)度妻献、線程關(guān)閉

基本接口

Runnable

表示要執(zhí)行的異步任務(wù)，沒有返回結(jié)果团赁，不會拋異常

Callable

同樣指要執(zhí)行的異步任務(wù)育拨，有返回結(jié)果，會拋異常

Executor

表示執(zhí)行服務(wù)欢摄，執(zhí)行一個Runnable熬丧，沒有返回結(jié)果

ExecutorService

擴展了Executor，定義了更多服務(wù)

• submit方法都表示提交任務(wù)怀挠，返回后析蝴，只是表示任務(wù)已提交矗钟，不代表已執(zhí)行

• void shutdown() 關(guān)閉

  不再接收新任務(wù)，但已提交的任務(wù)會繼續(xù)執(zhí)行嫌变，即使任務(wù)還未開始執(zhí)行

• List<Runnable> shutdownNow() 關(guān)閉

  不再接收新任務(wù)吨艇，已提交但尚未執(zhí)行的任務(wù)會被終止，并嘗試中斷正在執(zhí)行的任務(wù)

  返回已提交但尚未執(zhí)行的任務(wù)列表

• boolean isShutdown() 是否調(diào)用了shutdown或shutdownNow

• boolean isTerminated() 是否所有任務(wù)都已結(jié)束

  只有調(diào)用過shutdown或shutdownNow并且所有任務(wù)都已結(jié)束才返回 true 腾啥，否則返回 false

• boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) 限定等待時間东涡，等待所有任務(wù)結(jié)束

  當(dāng)所有任務(wù)都結(jié)束，返回 true

  等待超時倘待，返回 false

  等待過程發(fā)生中斷疮跑，會拋InterruptedException異常

• invokeAll 等待所有任務(wù)完成

  可以指定等待時間，如果超時后有任務(wù)還沒完成凸舵，就會被取消

• invokeAny 只要有一個任務(wù)完成祖娘，則返回該任務(wù)的結(jié)果，其它任務(wù)會被取消

  可以指定等待時間啊奄，如果超時沒有任務(wù)完成渐苏，會拋TimeoutException異常

  如果所有任務(wù)都發(fā)生異常，則拋ExecutionException異常

Future

表示異步任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果

• boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) 取消異步任務(wù)

  如果任務(wù)已完成菇夸、或已經(jīng)取消琼富、或由于某種原因不能取消，返回 false 庄新，否則返回 true

  如果任務(wù)還未開始鞠眉，則不再運行

  參數(shù)mayInterruptIfRunning表示任務(wù)正在執(zhí)行，是否調(diào)用interrupt方法中斷線程

• boolean isCancelled() 任務(wù)是否被取消

  只要cancel方法返回 true 择诈，隨后此方法都會返回 true

• boolean isDone() 任務(wù)是否結(jié)束

  任務(wù)正常結(jié)束械蹋、任務(wù)拋異常、任務(wù)被取消羞芍，都視為結(jié)束

• V get() 返回異步任務(wù)最終的結(jié)果

  如果任務(wù)還未執(zhí)行完成哗戈，會阻塞等待

• V get(long timeout, TimeUnit unit) 同上，限定了阻塞等待的時間涩金，如果超時任務(wù)還未結(jié)束谱醇，會拋TimeoutException異常

任務(wù)結(jié)果

• 正常完成
• 異常 將原異常包裝為ExecutionException重新拋出
• 取消 拋出CancellationException異常

線程池

概念

主要由 任務(wù)隊列 和 工作者線程 組成

工作者線程主體是一個循環(huán)，循環(huán)從隊列中接受任務(wù)并執(zhí)行步做，任務(wù)隊列保存待執(zhí)行的任務(wù)

優(yōu)點

• 可以重用線程副渴，避免線程創(chuàng)建的開銷
• 在任務(wù)過多時，通過排隊避免創(chuàng)建過多線程全度，減少系統(tǒng)資源消耗和競爭煮剧，確保任務(wù)有序完成

構(gòu)造方法參數(shù)

corePoolSize

核心線程個數(shù)

有新任務(wù)時，如果當(dāng)前線程數(shù)小于核心線程個數(shù)，就會創(chuàng)建一個新線程來執(zhí)行該任務(wù)勉盅，即使其它線程是空閑的佑颇，也會創(chuàng)建新線程

如果線程個數(shù)大于等于核心線程個數(shù)，就不會立即創(chuàng)建新線程草娜，會先嘗試排隊挑胸，如果隊列滿了或其它原因不能立即入隊，就檢查線程個數(shù)是否達(dá)到最大線程個數(shù)宰闰，如果沒有茬贵，就繼續(xù)創(chuàng)建線程，直到線程數(shù)達(dá)到最大線程個數(shù)

maximumPoolSize

最大線程個數(shù)

不管創(chuàng)建多少任務(wù)移袍，都不會創(chuàng)建比這個值大的線程個數(shù)

keepAliveTime unit

空閑線程存活時間

目的是為了釋放多余的線程資源

表示當(dāng)線程池中的線程個數(shù)大于核心線程個數(shù)時解藻，額外空閑線程的存活時間

workQueue

隊列，要求是阻塞隊列BlockingQueue

如果是無界隊列葡盗，線程個數(shù)最多達(dá)到核心線程個數(shù)螟左，到達(dá)后，新任務(wù)總會排隊

handler

任務(wù)拒絕策略

如果隊列有界觅够，且最大線程個數(shù)有限胶背，當(dāng)隊列滿，線程個數(shù)也達(dá)到最大線程個數(shù)時蔚约，觸發(fā)線程池的任務(wù)拒絕策略

四種處理方式

• AbortPolicy 默認(rèn)處理奄妨，拋出RejectedExecutionException異常
• DiscardPolicy 靜默處理涂籽，忽略新任務(wù)苹祟，不拋異常，也不執(zhí)行
• DiscardOldestPolicy 將等待時間最長的任務(wù)扔掉评雌，自己排隊
• CallerRunsPolicy 在任務(wù)提交者線程中執(zhí)行任務(wù)树枫，而不是交給線程池中的線程執(zhí)行

threadFactory

線程工廠

根據(jù)Runnable創(chuàng)建一個Thread

Executors

工廠類，方便創(chuàng)建一些預(yù)配置的線程池

newSingleThreadExecutor

只使用一個線程景东，使用無界隊列砂轻，線程創(chuàng)建后不會超時終止，該線程順序執(zhí)行所有任務(wù)

適用于需要確保所有任務(wù)被順序執(zhí)行的場合

newFixedThreadPool

使用固定個數(shù)的線程斤吐，使用無界隊列搔涝，線程創(chuàng)建后不會超時終止

如果排隊任務(wù)過多，可能會消耗非常大的內(nèi)存

newCachedThreadPool

當(dāng)有新任務(wù)時和措，如果正好有空閑線程庄呈，則接受任務(wù)，否則總是創(chuàng)建一個新線程派阱，總線程個數(shù)不受限制

對任一空閑線程诬留，如果60秒內(nèi)沒有新任務(wù)，就終止

線程池的死鎖

任務(wù)之間有依賴，可能會出現(xiàn)死鎖

任務(wù)A在執(zhí)行過程中文兑，提交了任務(wù)B盒刚，需等待任務(wù)B結(jié)束，如果任務(wù)A提交給一個單線程線程池绿贞，或者任務(wù)B由于線程占滿需要排隊等待因块，那么就會出現(xiàn)死鎖，A在等待B的結(jié)果籍铁，而B在隊列中等待調(diào)度

CompletionService

場景

主線程提交多個異步任務(wù)贮聂，有任務(wù)完成就處理結(jié)果，并且按任務(wù)完成順序逐個處理

方法

• Future<V> take() 獲取下一個完成任務(wù)的結(jié)果寨辩，阻塞等待
• Future<V> poll() 獲取下一個完成任務(wù)的結(jié)果吓懈，立即返回；如果沒有已經(jīng)完成的任務(wù)靡狞，返回 null
• Future<V> poll(long timeout, TimeUnit unit) 獲取下一個完成任務(wù)的結(jié)果耻警，限定等待時間

實現(xiàn)原理

• 依賴Executor完成實際的任務(wù)提交，自己負(fù)責(zé)結(jié)果的排隊和處理
• 內(nèi)部維護一個隊列甸怕，用來保存任務(wù)結(jié)果

實現(xiàn)類

ExecutorCompletionService

定時任務(wù)

Timer 和 TimerTask

TimerTask

表示定時任務(wù)甘穿，實現(xiàn)Runnable接口

Timer

負(fù)責(zé)定時任務(wù)的調(diào)度和執(zhí)行

• void schedule(TimerTask task, long delay) 當(dāng)前時間延時 delay 毫秒后執(zhí)行任務(wù)

• void schedule(TimerTask task, Date time) 再指定絕對時間 time 執(zhí)行任務(wù)

• void schedule(TimerTask task, long delay, long period) 固定延時重復(fù)執(zhí)行

  第一次執(zhí)行時間為當(dāng)前時間加上 delay ，后一次的計劃執(zhí)行時間為前一次 實際 執(zhí)行時間加上 period

• void schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period) 固定延時重復(fù)執(zhí)行

  第一次執(zhí)行時間為 firstTime 梢杭，后一次的計劃執(zhí)行時間為前一次 實際 執(zhí)行時間加上 period

  如果 firstTime 是一個過去的時間温兼，任務(wù)會立即執(zhí)行

• void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, long delay, long period) 固定頻率執(zhí)行

  第一次執(zhí)行時間為當(dāng)前時間加上 delay ，后一次的計劃執(zhí)行時間為前一次 計劃 執(zhí)行時間加上 period

• void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, Date firstTime, long period) 固定頻率執(zhí)行

  第一次執(zhí)行時間為 firstTime 武契，后一次的計劃執(zhí)行時間為前一次 計劃 執(zhí)行時間加上 period

  如果 firstTime 是一個過去的時間募判，任務(wù)會立即執(zhí)行

  如果 firstTime 加上 period 還是一個過去時間，會連續(xù)運行多次咒唆，直到時間超過當(dāng)前時間

基本原理

Timer內(nèi)部主要由 TaskQueue 和 TimerThread 兩部分組成

TaskQueue 是一個基于堆實現(xiàn)的優(yōu)先級隊列届垫，按照下次執(zhí)行的時間排優(yōu)先級

TimerThread 負(fù)責(zé)執(zhí)行所有的定時任務(wù)，一個Timer對象只有一個TimerThread

TimerThread 主體是一個循環(huán)全释，從隊列中拿任務(wù)装处，如果隊列中有任務(wù)且計劃執(zhí)行時間小于等于當(dāng)前時間，就執(zhí)行它浸船；如果隊列中沒有任務(wù)或第一個任務(wù)延時還沒到妄迁，就睡眠；如果睡眠過程中添加了新任務(wù)且新任務(wù)是第一個任務(wù)李命，該線程會被喚醒登淘，重新進行檢查

執(zhí)行任務(wù)之前，該線程判斷任務(wù)是否為周期任務(wù)项戴，如果是形帮，就設(shè)置下次執(zhí)行的時間并添加到優(yōu)先級隊列中槽惫；對于固定延時的任務(wù)，下次執(zhí)行時間為當(dāng)前時間加上 period 辩撑；對于固定頻率的任務(wù)界斜，下次執(zhí)行時間為上次計劃執(zhí)行時間加上 period

注意的是，下次任務(wù)的計劃是在執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)之前就做出的合冀。

對于固定延時任務(wù)各薇，延時相對的是任務(wù)執(zhí)行前的當(dāng)前時間，而不是任務(wù)執(zhí)行后的

注意

• 死循環(huán)

  一個Timer對象只有一個線程君躺，意味著峭判，定時任務(wù)不能耗時太長，更不能是無限循環(huán)

• 異常處理

  在執(zhí)行任何一個任務(wù)的run方法時棕叫，一旦拋出異常林螃，TimerThread就會退出，從而所有定時任務(wù)都會被取消

  為了各任務(wù)互不干擾俺泣，在run方法內(nèi)捕獲所有異常

ScheduledExecutorService

特點

• 基于線程池實現(xiàn)疗认，可以有多個線程
• 對于周期任務(wù)，在任務(wù)執(zhí)行后再設(shè)置下次執(zhí)行的時間
• 任務(wù)執(zhí)行線程會捕獲任務(wù)執(zhí)行過程中的所有異常伏钠，一個定時任務(wù)的異常不會影響其它定時任務(wù)横漏，發(fā)生異常的任務(wù)會被取消

方法

• ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)

  延時 delay 后單次執(zhí)行

• <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit)

  延時 delay 后單次執(zhí)行

• ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)

  固定頻率，重復(fù)執(zhí)行

  第一次執(zhí)行時間為 initialDelay 后熟掂，第二次為 initialDelay + period 缎浇，依此類推

• ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit)

  固定延時，重復(fù)執(zhí)行

對于固定延時任務(wù)赴肚，延時相對的是任務(wù)執(zhí)行后的當(dāng)前時間

并發(fā)同步協(xié)作工具

ReentrantReadWriteLock

可重入讀寫鎖

特點

一個讀鎖素跺，一個寫鎖；讀操作使用讀鎖尊蚁，寫操作使用寫鎖

只有 讀 - 讀 操作可以并行亡笑，讀 - 寫 和 寫 - 寫 都不可以并行

只有一個線程可以進行 寫 操作，在獲取寫鎖時横朋，只有沒有任何線程持有任何鎖才可以獲取到；在持有寫鎖時百拓，其它任何線程都獲取不到任何鎖

在沒有其它線程持有寫鎖的情況下琴锭，多個線程可以獲取和持有讀鎖

Semaphore

信號量

特點

限制對資源的并發(fā)訪問數(shù)

一般鎖只能由持有鎖的線程釋放，而Semaphore表示的只是一個許可數(shù)衙传，任意線程都可以調(diào)用其 release 方法

方法

• void acquire() 獲取許可决帖，阻塞等待

• void acquireUninterruptibly() 獲取許可，阻塞等待蓖捶，不響應(yīng)中斷

• void acquire(int permits) 批量獲取多個許可

• void acquireUninterruptibly(int permits) 批量獲取多個許可

• boolean tryAcquire() 嘗試獲取許可地回，立即返回

  當(dāng)前有可用許可，返回 true ，否則返回 false

• boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) 嘗試獲取許可刻像，限定等待時間

• void release() 釋放許可

CountDownLatch

倒計時門栓

特點

一開始門栓關(guān)閉畅买，所有線程都需要等待，然后開始倒計時细睡，倒計時為 0 后谷羞，門栓打開，等待的所有線程都可以通過

一次性溜徙，打開后就不能再關(guān)上了

參與線程有不同角色湃缎，有的負(fù)責(zé)倒計時，有的在等待倒計時蠢壹；負(fù)責(zé)倒計時和等待倒計時的線程都可以有多個嗓违，用于不同角色線程之間的同步

場景

• 同時開始
• 主從協(xié)作

CyclicBarrier

循環(huán)柵欄

特點

適用于并行迭代計算，每個線程負(fù)責(zé)一部分計算图贸，然后在柵欄處等待其它線程完成靠瞎，所有線程到齊后，交換數(shù)據(jù)和計算結(jié)果求妹，再進行下一次迭代

可以重復(fù)利用

參與線程角色是一樣的乏盐，用于同一角色線程間的協(xié)調(diào)一致

小結(jié)

• 在讀多寫少的場景中使用ReentrantReadWriteLock替代ReentrantLock，以提高性能
• 使用Semaphore限制對資源的并發(fā)訪問數(shù)
• 使用CountDownLatch實現(xiàn)不同角色線程間的同步
• 使用CyclicBarrier實現(xiàn)同一角色線程間的協(xié)調(diào)一致

ThreadLocal

每個線程都有同一個變量的獨有拷貝

不同線程訪問的雖然是同一個變量制恍，但每個線程都有自己的獨立的值

方法

• T get() 獲取值

• void set(T value) 設(shè)置值

• T initialValue() 提供初始值父能，默認(rèn)實現(xiàn)是返回 null

• T setInitialValue() 設(shè)置初始值，返回之前的初始值

• void remove() 刪除當(dāng)前線程對應(yīng)的值

  刪除后净神，當(dāng)再次調(diào)用get方法時何吝，返回初始值

實現(xiàn)原理

每個線程都有一個 Map ，對于每個ThreadLocal對象鹃唯，調(diào)用其get set方法爱榕，實際上就是以ThreadLocal對象為鍵讀寫當(dāng)前線程的 Map

小結(jié)

ThreadLocal常用于存儲上下文信息，避免在不同代碼間來回傳遞坡慌，簡化代碼

ThreadLocal是實現(xiàn)線程安全黔酥、減少競爭的一種方案

在線程池中使用ThreadLocal，需要確保初始值是符合期望的

并發(fā)總結(jié)

線程安全的機制

線程表示一條單獨的執(zhí)行流洪橘，每個線程都有自己的執(zhí)行計數(shù)器跪者，有自己的棧，但可以共享內(nèi)存

共享內(nèi)存是實現(xiàn)線程協(xié)作的基礎(chǔ)

共享內(nèi)存

兩個問題

• 競態(tài)條件
• 內(nèi)存可見性

解決方法

• 使用synchronized
• 使用顯式鎖
• 使用volatile
• 使用原子變量和CAS
• 寫時拷貝
• 使用ThreadLocal

線程的協(xié)作機制

協(xié)作場景

• 生產(chǎn)者/消費者協(xié)作模式
• 主從協(xié)作模式
• 同時開始
• 集合點

機制

• wait / notify
• 顯式條件
• 線程的中斷
• 協(xié)作工具類
• 阻塞隊列
• Future / FutureTask

容器類

同步容器

基于普通容器返回線程安全的同步容器熄求，如SynchronizedList

并發(fā)容器

• 寫時拷貝的CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet
• ConcurrentHashMap
• 基于SkipList的ConcurrentSkipListMap和ConcurrentSkipListSet
• 各種隊列渣玲，如ConcurrentLinkedQueue，BlockingQueue

任務(wù)執(zhí)行服務(wù)

任務(wù)的提交 和 任務(wù)的執(zhí)行 相分離

實現(xiàn)機制：線程池

CompletionService

定時任務(wù)