并發(fā)編程之線程第二篇

• 3.12 五種狀態(tài)
• 3.13 六種狀態(tài)
• 4.1 共享帶來的問題
• 4.2 synchronized解決方案
• 4.4 變量的線程安全分析
• 4.6 Monitor概念
• 1. 輕量級鎖
• 2. 鎖膨脹

3.12 五種狀態(tài)

這是從操作系統(tǒng)層面來描述的

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• 【初始狀態(tài)】僅是在語音層面創(chuàng)建了線程對象介袜，還未與操作系統(tǒng)線程關(guān)聯(lián)
• 【可運行狀態(tài)】（就緒狀態(tài)）指該線程已經(jīng)被創(chuàng)建（與操作系統(tǒng)線程關(guān)聯(lián)）浇辜，可以由CPU調(diào)度執(zhí)行
• 【運行狀態(tài)】指獲取了CPU時間片運行中的狀態(tài)
  （1）當(dāng)CPU時間片用完诞外，會從【運行狀態(tài)】轉(zhuǎn)換至【可運行狀態(tài)】慢洋，會導(dǎo)致線程的上下文切換
• 【阻塞狀態(tài)】
  （1）如果調(diào)用了阻塞API，如BIO讀寫文件赖临，這時該線程實際不會用到CPU，會導(dǎo)致線程上下文切換，進入【阻塞狀態(tài)】
  （2）等BIO操作完畢卒稳，會由操作系統(tǒng)喚醒阻塞的線程，轉(zhuǎn)換至【可運行狀態(tài)】
  （3）與【可運行狀態(tài)】的區(qū)別是他巨，對【阻塞狀態(tài)】的線程來說只要它們一直不喚醒充坑，調(diào)度器就一直不會考慮調(diào)度它們
• 【終止?fàn)顟B(tài)】表示線程已經(jīng)執(zhí)行完畢，生命周期已經(jīng)結(jié)束染突，不會再轉(zhuǎn)換為其它狀態(tài)

3.13 六種狀態(tài)

這是從Java API層面來描述的
根據(jù)Thread.State枚舉捻爷，分為六種狀態(tài)

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• NEW 線程剛被創(chuàng)建，但是還沒有調(diào)用start()方法
• RUNNABLE 當(dāng)調(diào)用了start()方法之后份企，注意也榄，Java API層面的RUNNABLE狀態(tài)涵蓋了操作系統(tǒng)層面的【可運行狀態(tài)】、【運行狀態(tài)】和【阻塞狀態(tài)】（由于BIO導(dǎo)致的線程阻塞司志，在Java里無法區(qū)分甜紫，任然認為是可運行）
• BLOCKED、WAITING骂远、TIMED_WAITING都是Java API層面對【阻塞狀態(tài)】的細分囚霸。
• TERMINATED當(dāng)線程代碼運行結(jié)束

4.1 共享帶來的問題

Java的體現(xiàn)
兩個線程對初始值為0的靜態(tài)變量一個做自增，一個做自減激才，各做5000次拓型，結(jié)果是0嗎？

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問題分析
y以上的結(jié)果可能是正數(shù)瘸恼、負數(shù)劣挫、零。為什么呢钞脂？因為Java中對靜態(tài)變量的自增揣云，自減并不是原子操作，要徹底理解冰啃，必須從字節(jié)碼來進行分析
例如對于 i++而言（i為靜態(tài)變量）邓夕，實際會產(chǎn)生如下的JVM字節(jié)碼指令 ：
getstatic i // 獲取靜態(tài)變量i的值
iconst_1 // 準(zhǔn)備常量1
iadd // 自增
putstatic i // 將修改后的值存入靜態(tài)變量i
而對應(yīng) i-- 也是類似
getstatic i // 獲取靜態(tài)變量i的值
iconst_1 // 準(zhǔn)備常量1
isub // 自減
putstatic i // 將修改后的值存入靜態(tài)變量i
而Java的內(nèi)存模型如下，完成靜態(tài)變量的自增阎毅，自減需要在主存和工作內(nèi)存中進行數(shù)據(jù)交換 ：

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如果是單線程以上8行代碼是順序執(zhí)行（不會交錯）沒有問題 ：

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但多線程下這8行代碼可能交錯運行 ：
出現(xiàn)負數(shù)的情況 ：

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出現(xiàn)正數(shù)的情況

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臨界區(qū)Critical Section

• 一個程序運行多個線程本身是沒有問題的

• 問題出在多個線程訪問共享資源

  • 多個線程讀共享資源其實也沒有問題
  • 在多個線程對共享資源讀寫操作時發(fā)生指令交錯焚刚，就會出現(xiàn)問題

• 一段代碼塊如果存在對共享資源的多線程讀寫操作，稱這段代碼塊為臨界區(qū)
  例如扇调，下面代碼中臨界區(qū)
  

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  競態(tài)條件 Race Condition
  多個線程在臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行矿咕，由于代碼的執(zhí)行序列不同而導(dǎo)致結(jié)果無法預(yù)測，稱之為發(fā)生了競態(tài)條件

4.2 synchronized解決方案

• 應(yīng)用之互斥
  為了避免臨界區(qū)的競態(tài)條件發(fā)生，有多種手段可以達到目的碳柱。

• 阻塞式的解決方案 ： synchronized,Lock

• 非阻塞式的解決方案 ： 原子變量
  本次使用阻塞式的解決方案 : synchronized捡絮，來解決上述問題尸疆，即俗稱的【對象鎖】衰猛，它采用互斥的方式讓同一個時刻最多只有一個線程能持有【對象鎖】，其它線程再想獲取這個【對象鎖】時就會阻塞住途茫。這樣就能保證擁有鎖的線程可以安全的執(zhí)行臨界區(qū)內(nèi)的代碼瑞侮，不用擔(dān)心線程上下文切換
  注意
  雖然java中互斥和同步都可以采用synchronized關(guān)鍵字來完成的圆，但它們還是有區(qū)別的 ：

• 互斥是保證臨界區(qū)的競態(tài)條件發(fā)生，同一時刻只能有一個線程執(zhí)行臨界區(qū)代碼

• 同步是由于線程執(zhí)行的先后半火、順序不同越妈、需要一個線程等待其它線程運行到某個點
  synchronized
  語法
  

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  解決

  
  
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  所謂的線程八鎖
  其實就是考察synchronized鎖住的是哪個對象
  情況1 ：

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用圖來解釋

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思考
synchronized實際是用對象鎖保證了臨界區(qū)內(nèi)代碼的原子性，臨界區(qū)內(nèi)的代碼對外是不可分割的钮糖，不會被線程切換所打斷梅掠。
為了加深理解，請思考下面的問題

• 如果把synchronized（obj）放在for循環(huán)的外面藐鹤，如何理解瓤檐？-- 原子性
• 如果t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2)會怎樣運作？ – 鎖對象
• 如果t1 synchronized(obj) 而t2 沒有加會怎么樣娱节？如何理解挠蛉？ – 鎖對象
  面向?qū)ο蟾倪M
  把需要保護的共享變量放入一個類
  
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4.4 變量的線程安全分析

成員變量和靜態(tài)變量是否線程安全？

• 如果它們沒有共享肄满，則線程安全

• 如果它們被共享了谴古，根據(jù)它們的狀態(tài)是否能夠改變，又分兩種情況

  • 如果只有讀操作稠歉，則線程安全
  • 如果有讀寫操作掰担，則這段代碼是臨界區(qū)，需要考慮線程安全
    局部變量是否線程安全怒炸？

• 局部變量是線程安全的

• 但局部變量引用的對象則未必

  • 如果該對象沒有逃離方法的作用訪問带饱，它是線程安全的

  • 如果該對象逃離方法的作用范圍，需要考慮線程安全
    局部變量線程安全分析
    

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    每個線程調(diào)用test1（）方法時局部變量i阅羹，會在每個線程的棧幀內(nèi)存中被創(chuàng)建多份勺疼，因此不存在共享

    
    
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    如圖

    
    
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    局部變量的引用稍有不同
    先看一個成員變量的例子

    
    
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    其中一種情況是，如果線程2還未add捏鱼，線程1remove就會報錯 ：

    
    
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    分析 ：

• 無論哪個線程中的method2引用的都是同一個對象中的list成員變量

• method3與method2分析相同

  
  
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  將list修改成局部變量

  
  
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  分析 ：

• list是局部變量执庐，每個線程調(diào)用時會創(chuàng)建其不同實例，沒有共享

• 而method2的蠶食是從method1中傳遞過來的导梆，與method1中引用同一個對象

• method3的參數(shù)分析與method2相同

  
  
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  方法訪問修飾符帶來的思考轨淌，如果把method2和method3的方法修改為public會不會代理線程安全問題迂烁？

• 情況1 ：有其它線程調(diào)用method2和method3

• 情況2 ：在情況1的基礎(chǔ)上，為ThreadSafe類添加子類递鹉，子類覆蓋method2或method3方法盟步。
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  從這里例子中可以看出private或final提高【安全】的意義所在，請體會開閉原則中的【閉】
  常見線程安全類

• String

• Integer

• StringBuffer

• Random

• Vector

• HashTable

• java.util.concurrent包下的類
  這里說它們是線程安全的是指躏结，多個線程調(diào)用它們同一個實例的某個方法時址芯，是線程安全的。也可以理解為

• 它們的每個方法是原子的

• 但注意它們多個方法的組合不是原子的窜觉，見后面分析
  線程安全類方法的組合
  分析下面代碼是否線程安全？

  
  
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  不可變類線程安全性
  String北专、Integer等都是不可變類禀挫，因為其內(nèi)部的狀態(tài)不可以改變，因此它們的方法都是線程安全的拓颓。
  

  在這里插入圖片描述
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  其中foo的行為是不確定的语婴，可能導(dǎo)致不安全的發(fā)生，被稱之為外星方法
  

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  請比較JDK中String類的實現(xiàn)驶睦，為什么是final修飾的砰左？因為防止子類去實現(xiàn)，這樣會引起線程安全問題场航。也是符合開閉原則

4.6 Monitor概念

Java對象頭
以32位虛擬機為例
普通對象

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數(shù)組對象

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其中Mark Word結(jié)構(gòu)為

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Monitor
Monitor被翻譯為監(jiān)視器或管程
每個Java對象都可以關(guān)聯(lián)一個Monitor對象缠导，如果使用synchronized給對象上鎖（重量級）之后，該對象頭的Mark Word中就被設(shè)置指向Monitor對象的指針
Monitor結(jié)構(gòu)如下

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• 剛開始Monitor中Owner為null
• 當(dāng)Thread-2指向synchronized（obj）就會將Monitor的所有者Owner置為Thread-2溉痢，Monitor中只能有一個Owner
• 在Thread-2上鎖的過程中僻造，如果Thread-3，Thread-4孩饼，Thread-5也來執(zhí)行synchronized（obj）髓削，就會進入EntryList BLOCKED
• Thread-2執(zhí)行完同步代碼塊的內(nèi)容，然后喚醒EntryList中等待的線程來競爭鎖镀娶，競爭的時是非公平的
• 圖中WaitSet中的Thread-0立膛，Thread-1是之前獲得過鎖，但條件不滿足進入WAITING狀態(tài)的線程梯码，后面講wait-notify時會分析
  注意 ：

  • synchronized必須是進入同一個對象的monitor才有上述的效果

  • 不加synchronized的對象不會關(guān)聯(lián)監(jiān)視器宝泵，不遵從以上規(guī)則
    原理之synchronized
    

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    對應(yīng)的字節(jié)碼

    
    
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1. 輕量級鎖

輕量級鎖的使用場景 ：如果一個對象雖然有多線程訪問，但多線程訪問的時間是錯開的（也就是沒有競爭）忍些，那么可以使用輕量級鎖來優(yōu)化
輕量級鎖來優(yōu)化鲁猩。
輕量級鎖對使用者是透明的，即語法任然是synchronized
假設(shè)有兩個方法同步塊罢坝，利用同一個對象加鎖

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• 創(chuàng)建鎖記錄（Lock Record）對象廓握，每個線程都的棧幀都會包含一個鎖記錄的結(jié)構(gòu)搅窿，內(nèi)部可以存儲鎖定對象的Mark Word

  
  
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• 讓鎖記錄中Object reference指向鎖對象，并嘗試用cas替換Object的Mark Word隙券，將Mark Word的值存入鎖記錄

  
  
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• 如果cas替換成功男应，對象頭中存儲了鎖記錄地址和狀態(tài) 00，表示由該線程給對象加鎖娱仔，這時圖示如下

  
  
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• 如果cas失敗沐飘，有兩種情況

  • 如果是其他線程已經(jīng)持有了該Object的輕量級鎖，這時表面有競爭牲迫，進入膨脹過程

  • 如果是自己執(zhí)行了synchronized鎖重入耐朴，那么再添加一條Lock Record作為重入的計數(shù)

    
    
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• 當(dāng)退出synchronized代碼塊（解鎖時）如果有取值為null的鎖記錄，表示有重入盹憎，這時重置鎖記錄筛峭，表示重入計數(shù)減一

  
  
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• 當(dāng)退出synchronized代碼塊（解鎖時）鎖記錄的值不為null，這時使用cas將Mark Word的值恢復(fù)給對象頭

  • 成功陪每，則解鎖成功
  • 失敗影晓，說明輕量級鎖進行了鎖膨脹或已經(jīng)升級為重量級鎖，進入重量級鎖解鎖流程

2. 鎖膨脹

如果在嘗試加輕量級鎖的過程中檩禾，CAS操作無法成功挂签，這時一種情況就是有其他線程為此對象加上了輕量級鎖（有競爭），這時需要進行鎖膨脹盼产，將輕量級鎖變?yōu)橹亓考夋i饵婆。

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• 當(dāng)Thread-1進行輕量級加鎖時，Thread-0已結(jié)對該對象加了輕量級鎖

  
  
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• 這時Thread-1加輕量級鎖失敗戏售，進入鎖膨脹流程

  • 即為Object對象申請Monitor鎖啦辐，讓Object指向重量級鎖地址

  • 然后自己進入Monitor的EntryList BLOCKED

    
    
    在這里插入圖片描述

• 當(dāng)Thread-0退出同步塊解鎖時，使用cas將Mark Word的值恢復(fù)給對象頭蜈项，失敗芹关。這時會進入重量級解鎖流程，即 按照Monitor地址找到Monitor對象紧卒，設(shè)置Owner為null侥衬，喚醒EntryList中BLOCKED線程。