Java核心技術(shù)-并發(fā)

多任務(wù)（multitasking）：在同一時刻運行多個程序的能力桑孩。

并發(fā)執(zhí)行的進程數(shù)目并不是由CPU數(shù)目制約的。操作系統(tǒng)將CPU的時間片分配給每一個進程，給人并發(fā)處理的感覺线得。

多線程程序在較低的層次上擴展了多任務(wù)的概念：一個程序同時執(zhí)行多個任務(wù)。通常徐伐，每一個任務(wù)稱為線程（thread）贯钩，它是線程控制的簡稱『浅浚可以同時運行一個以上線程的程序稱為多線程程序（multithreaded）魏保。

多進程與多線程有哪些區(qū)別呢？本質(zhì)的區(qū)別在于每個進程擁有自己的一整套變量摸屠，而線程則共享數(shù)據(jù)谓罗。

14.1 什么是線程

調(diào)用Thread.sleep不會創(chuàng)建一個新線程，sleep是Thread類的靜態(tài)方法季二，用于暫停當(dāng)前線程的活動檩咱。

14.2 中斷線程

當(dāng)線程的run方法執(zhí)行方法體中最后一條語句后，并經(jīng)由執(zhí)行return語句返回時胯舷，或者出現(xiàn)了在方法中沒有捕獲的異常時刻蚯，線程將終止。

注釋：Interrupted方法是一個靜態(tài)方法桑嘶，它監(jiān)測當(dāng)前的線程是否被中斷炊汹。而且，調(diào)用interrupted方法會清除該線程的中斷狀態(tài)逃顶。另一方面讨便，isInterrupted方法是一個實例方法，可用來檢驗是否有線程被中斷以政。調(diào)用這個方法不會改變中斷的狀態(tài)霸褒。

線程狀態(tài)

線程可以有如下6種狀態(tài)：

New（新創(chuàng)建）
Runnable（可運行）
Blocked（被阻塞）
Waiting（等待）
Timed waiting（計時等待）
Terminated（被終止）

新創(chuàng)建線程

當(dāng)用new操作符創(chuàng)建一個新線程時，如new Thread(r)盈蛮，該線程還沒有開始運行废菱。這意味著它的狀態(tài)是new。當(dāng)一個線程處于新創(chuàng)建狀態(tài)時，程序還沒有開始運行線程中的代碼殊轴。在線程運行之前還有一些基礎(chǔ)工作要做衰倦。

可運行線程

一旦調(diào)用start方法，線程處于runnable狀態(tài)梳凛。一個可運行的線程可能正在運行也可能沒有運行耿币，這取決于操作系統(tǒng)給線程提供運行的時間。搶占式調(diào)度系統(tǒng)給每一個可運行線程一個時間片來執(zhí)行任務(wù)韧拒。當(dāng)時間片用完淹接，操作系統(tǒng)剝奪該線程的運行權(quán)，并給另一個線程運行機會∨岩纾現(xiàn)在所有的桌面以及服務(wù)器操作系統(tǒng)都是用搶占式調(diào)度塑悼。

記住，在任何給定時刻楷掉，一個可運行的線程可能正在運行也可能沒有運行（這就是為什么將這個狀態(tài)稱為可運行而不是運行）厢蒜。

被阻塞線程和等待線程

當(dāng)線程處于被阻塞或等待狀態(tài)時，它暫時不活動烹植。它不運行任何代碼且消耗最少的資源斑鸦。直到線程調(diào)度器重新激活它。細節(jié)取決于它是怎樣達到非活動狀態(tài)的草雕。

當(dāng)一個線程試圖獲取一個內(nèi)部的對象鎖（而不是java.util.concurrent庫中的鎖）巷屿，而該鎖被其他線程持有，則該線程進入阻塞狀態(tài)
當(dāng)線程等待另一個線程通知調(diào)度器一個條件時墩虹，它自己進入等待狀態(tài)嘱巾。在調(diào)用Object.wait方法或Thread.join方法，或者是等待java.util.concurrent庫中的Lock或Condition時诫钓，就會出現(xiàn)這種情況旬昭。實際上，被阻塞狀態(tài)與等待狀態(tài)是很大不同的菌湃。
有幾個方法有一個超時參數(shù)问拘。調(diào)用它們導(dǎo)致線程進入計時等待（timed waiting）狀態(tài)。這一狀態(tài)將一直保持到超時期滿或者接收到適當(dāng)?shù)耐ㄖ逅в谐瑫r參數(shù)的方法有Thread.sleep和Object.wait场梆、Thread.join、Lock.tryLock以及Condition.await的計時版纯路。

被終止的線程

線程因如下兩個原因之一而被終止：

因為run方法正常退出而自然死亡；
因為一個沒有捕獲的異常終止了run方法而意外死亡寞忿。

131.png

14.4 線程的屬性

同步

14.5 同步

synchronized關(guān)鍵字

總結(jié)一些有關(guān)鎖和條件的關(guān)鍵之處：

鎖用來保護代碼片段驰唬，任何時刻只能有一個線程執(zhí)行被保護的代碼。
鎖可以管理試圖進入被保護代碼段的線程。
鎖可以擁有一個或多個相關(guān)的條件對象叫编。
每個條件對象管理那些已經(jīng)進入被保護的代碼段但還不能運行的線程辖佣。

Lock和Condition接口為程序設(shè)計人員提供了高度的鎖定控制。然而搓逾，大多數(shù)情況下卷谈，并不需要那樣的控制，并且可以使用一種嵌入到Java語言內(nèi)部的機制霞篡。從1.0版開始世蔗，Java中的每一個對象都有一個內(nèi)部鎖。如果一個方法用了synchronized關(guān)鍵字聲明朗兵，那么對象的鎖將保護整個方法污淋。也就是說，要調(diào)用該方法余掖，線程必須獲得內(nèi)部的對象鎖寸爆。

換句話說，

public synchronized void method(){
    method body;
}

等價于

public void method(){
    this.intrinsicLock.lock();
    try{
        method body;
    }
    finally{this.intrinsicLock.unlock();}
}

將靜態(tài)方法聲明為synchronized也是合法的盐欺。如果調(diào)用這種方法赁豆，該方法獲得相關(guān)的類對象的內(nèi)部鎖。例如冗美，如果Bank類有一個靜態(tài)同步的方法魔种，那么當(dāng)該方法被調(diào)用時，Bank.class對象的鎖被鎖住墩衙。因此务嫡，沒有其他線程可以調(diào)用同一個類的這個或任何其他的同步靜態(tài)方法。

內(nèi)部鎖和條件存在一些局限漆改。包括：

不能中斷一個正在試圖獲得鎖的線程心铃。
試圖獲得鎖時不能設(shè)定超時。
每個鎖僅有單一的條件挫剑，可能時不夠的去扣。

在代碼中應(yīng)該使用哪一種？Lock和Condition對象還是同步方法樊破？下面是一些建議：

最好即不適用Lock/Condition也不適用synchronized關(guān)鍵字愉棱。在許多情況下你可以使用java.util.concurrent包中的一種機制，它會為你處理所有的加鎖哲戚。
如果synchronized關(guān)鍵字適合你的程序奔滑，那么請盡量使用它，這樣可以減少編寫的代碼數(shù)量顺少，減少出錯的幾率朋其。
如果特別需要Lock/Condition結(jié)構(gòu)提供的獨有特性時王浴，才使用Lock/Condition。

同步阻塞

正如剛剛討論的梅猿，每一個Java對象有一個鎖氓辣。線程可以通過調(diào)用同步方法獲得鎖。還有另一種機制可以獲得鎖袱蚓，通過進入一個同步阻塞钞啸。當(dāng)線程進入如下形式的阻塞：

synchronized(obj) 
{
    critical setion
}

于是它獲得obj的鎖。

有時會發(fā)現(xiàn)“特殊的”鎖喇潘，例如：

public class Bank
{
    private double[] accounts;
    private Object lock = new Object();
    ...
        public void transfer(int from,int to, int amount){
        synchronized(lock){
            accounts[from] -= amount;
            accounts[to] += amount;
        }
        System.out.println(...);
    }
}

在此体斩，lock對象被創(chuàng)建僅僅是用來使用每個Java對象持有的鎖。

有時程序員使用一個對象的鎖來實現(xiàn)額外的原子操作响蓉，實際上稱為客戶端鎖定（clientside locking）硕勿。

監(jiān)視器概念

鎖和條件是線程同步的強大工具，但是枫甲，嚴(yán)格地講源武，它們不是面向?qū)ο蟮摹６嗄陙硐牖茫芯咳藛T努力尋找一種方法粱栖，可以在不需要程序員考慮如何加鎖的情況下，就可以保證多線程的安全性脏毯。

用Java的術(shù)語來講闹究，監(jiān)視器具有如下特性：

監(jiān)視器是只包含私有域的類。
每個監(jiān)視器類的對象有一個相關(guān)的鎖食店。
使用該鎖對所有的方法進行加鎖渣淤。換句話說，如果客戶端調(diào)用obj.method()吉嫩，那么obj對象的鎖是在方法調(diào)用開始時自動獲得价认，并且當(dāng)方法返回時自動釋放該鎖。因為所有的域是私有的自娩，這樣的安排可以確保一個線程在對對像操作時用踩，沒有其他線程能訪問該域。
該鎖可以有任意多個相關(guān)條件忙迁。

Java設(shè)計者以不是很精確的方式采用了監(jiān)視器概念脐彩，Java中的每一個對象有一個內(nèi)部鎖和內(nèi)部的條件。如果一個方法用synchronized關(guān)鍵字聲明姊扔，那么惠奸，它表現(xiàn)的就是一個監(jiān)視器方法。通過調(diào)用wait/notifyAll/notify來訪問條件變量恰梢。

然而佛南，在下述的3個方面Java對象不同于監(jiān)視器证九，從而使得線程的安全性下降：

域不要求必須是private。
方法不要求必須是synchronized共虑。
內(nèi)部鎖對客戶是可用的。

volatile域

有時呀页，僅僅為了讀寫一個或兩個實例域就使用同步妈拌，顯得開銷過大了。畢竟蓬蝶，什么地方能出錯呢尘分？遺憾的是，使用現(xiàn)代的處理器與編譯器丸氛，出錯的可能性很大培愁。

多處理器的計算機能夠暫時在寄存器或本地內(nèi)存緩沖區(qū)中保存內(nèi)存中的值。結(jié)果是缓窜，運行在不同處理器上的線程可能在同一個內(nèi)存位置取到不同的值定续。
編譯器可以改變指令執(zhí)行的順序以使吞吐量最大化。這種順序上的變化不會改變代碼語義禾锤，但是編譯器假定內(nèi)存的值僅僅在代碼中有顯示的修改指令時才會改變私股。然而，內(nèi)存的值可以被另一個線程改變恩掷！

如果你使用鎖來保護可以被多個線程訪問的代碼倡鲸，那么可以不考慮這種問題。編譯器被要求通過在必要的時候刷新本地緩存來保護鎖的效應(yīng)黄娘，并且不能不正當(dāng)?shù)刂匦屡判蛑噶睢?/p>

注釋：Brian Goetz給出了下述“同步格言”：“如果向一個變量寫入值峭状，而這個變量接下來可能會被另一個線程讀取，或者逼争，從一個變量讀值优床，而這個變量可能時之前被另一個線程寫入的，此時必須使用同步”氮凝。

volatile關(guān)鍵字為實例域的同步訪問提供了一種免鎖機制羔巢。如果聲明一個域為volatile，那么編譯器和虛擬機就知道該域是可能被另一個線程并發(fā)更新的罩阵。

final變量

除非使用鎖或volatile修飾符竿秆，否則無法從多個線程安全地讀取一個域。

還有一種情況可以安全地訪問一個共享域稿壁，即這個域聲明為final時幽钢。

原子性

java.util.concurrent.atomic包中有很多類使用了很高效地機器級指令（而不是鎖）來保證其他操作的原子性。

原子性（Atomic）
一個事務(wù)包含多個操作傅是，這些操作要么全部執(zhí)行匪燕，要么全都不執(zhí)行蕾羊。實現(xiàn)事務(wù)的原子性，要支持回滾操作帽驯，在某個操作失敗后龟再，回滾到事務(wù)執(zhí)行之前的狀態(tài)。
回滾實際上是一個比較高層抽象的概念尼变，大多數(shù)DB在實現(xiàn)事務(wù)時利凑，是在事務(wù)操作的數(shù)據(jù)快照上進行的（比如，MVCC）嫌术，并不修改實際的數(shù)據(jù)哀澈，如果有錯并不會提交，所以很自然的支持回滾度气。
而在其他支持簡單事務(wù)的系統(tǒng)中割按，不會在快照上更新，而直接操作實際數(shù)據(jù)磷籍∈嗜伲可以先預(yù)演一邊所有要執(zhí)行的操作，如果失敗則這些操作不會被執(zhí)行择示，通過這種方式很簡單的實現(xiàn)了原子性束凑。

如果有大量線程要訪問相同的原子值，性能會大幅下降栅盲，因為樂觀更新需要太多次重試汪诉。Java SE 8提供了LongAdder和LongAccumulator類來解決這個問題。LongAdder包括多個變量（加數(shù)）谈秫，其總和為當(dāng)前值扒寄。可以有多個線程更新不同的加數(shù)拟烫，線程個數(shù)增加時會自動提供新的加數(shù)该编。通常情況下，只有當(dāng)所有工作都完成之后才需要總和的值硕淑，對于這種情況课竣，這種方法會很高效。性能會有顯著的提升置媳。

死鎖

考慮下面的情況：

賬戶1：￥200

賬戶2：￥300

線程1：從賬戶1轉(zhuǎn)移￥300到賬戶2

線程2：從賬戶2轉(zhuǎn)移￥400到賬戶1

141.png

如圖所示于樟，線程1和線程2都被阻塞了。因為賬戶1以及賬戶2中余額都不足以進入轉(zhuǎn)賬拇囊，兩個線程都無法執(zhí)行下去迂曲。

有可能會因為每一個線程要等待更多的錢款存入而導(dǎo)致所有線程都被阻塞。這樣的狀態(tài)稱為死鎖（deadlock）寥袭。

導(dǎo)致死鎖的另一種途徑是讓第i個線程負責(zé)向第i個賬戶存錢路捧，而不是從第i個賬戶取錢关霸。這樣一來，有可能將所有的線程都集中到一個賬戶上杰扫，每一個線程都試圖從這個賬戶中取出大于該賬戶余額的錢队寇。

線程局部變量

有時可能要避免共享變量，使用ThreadLocal輔助類為各個線程提供各自的實例章姓。

例如英上，SimpleDateFormat類不是線程安全的。假設(shè)有一個靜態(tài)變量：

public static final SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");

如果兩個線程都執(zhí)行以下操作：

String dateStamp = dateFormat.format(new Date());

結(jié)果可能很混亂啤覆，因為dateFormat使用的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可能被并發(fā)的訪問所破壞。當(dāng)然可以使用同步惭聂，但開銷很大窗声；或者也可以在需要時構(gòu)造一個局部SimpleDateFormat對象，不過這也太浪費了辜纲。

要為每個線程構(gòu)造一個實例笨觅，可以使用以下代碼：

public static final ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormat = ThreadLocal.withInitial(()->new SimpleDateFormat(
"yyyy-MM-dd"));

要訪問具體的格式化方法，可以調(diào)用：

String dateStamp = dataFormat.get().format(new Date());

在一個給定線程中首次調(diào)用get時耕腾，會調(diào)用initialValue方法见剩。在此之后，get方法會返回屬于當(dāng)前線程的那個實例扫俺。

在多個線程中生成隨機數(shù)也存在類似的問題苍苞。java.util.Random類是線程安全的。但是如果多個線程需要等待一個共享的隨機數(shù)生成器狼纬，這會很低效羹呵。

可以使用ThreadLocal輔助類為各個線程提供一個單獨的生成器，不過Java SE 7還另外提供了一個便利類疗琉。只需要做一下調(diào)用：

int random = ThreadLocalRandom.current().nextInt(upperBound);

ThreadLocalRandom.current()調(diào)用會返回特定于當(dāng)前線程的Random類實例冈欢。

讀/寫鎖

如果很多線程從一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)讀取數(shù)據(jù)而很少線程修改其中數(shù)據(jù)的話，后者是十分有用的盈简。在這種情況下凑耻，允許對讀者線程共享訪問是合適的。當(dāng)然柠贤，寫者線程依然必須是互斥訪問的香浩。

使用讀/寫鎖的必要步驟：

構(gòu)造一個ReentrantReadWriteLock對象：

private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

抽取讀鎖和寫鎖：

private Lock readLock = rwl.readLock();

private Lock writeLock = rwl.writeLock();

對所有的獲取方法加讀鎖：

public double getTotalBalance(){

? readLock.lock();

? try{...}

? finally { readLock.unlock();}

}

對所有的修改方法加寫鎖：

public void transfer(...){

? writeLock.lock();