面试中经常被JAVA多线程虐的看过来!

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前言

Java多线程即时面试中进行被问及到的高阶知识点,也是衡量一名Java程序员是否资深的关键标准之一。今天这篇文章作者将对Java多线程进行一次全面的总结,希望能够对各位朋友进一步理解Java多线程起到帮助!

正文

如果对什么是线程、什么是进程仍存有疑惑,请先 Google 之,因为这两个概念不在本文的范围之内。

用多线程只有一个目的,那就是更好的利用 CPU 的资源,因为所有的多线程代码都可以用单线程来实现。说这个话其实只有一半对,因为反应“多角色”的程序代码,最起码每个角色要给他一个线程吧,否则连实际场景都无法模拟,当然也没法说能用单线程来实现:比如最常见的“生产者,消费者模型”。

很多人都对其中的一些概念不够明确,如同步、并发等等,让我们先建立一个数据字典,以免产生误会。

  • 多线程:指的是这个程序(一个进程)运行时产生了不止一个线程

  • 并行与并发:

  • 并行:多个 CPU 实例或者多台机器同时执行一段处理逻辑,是真正的同时。

  • 并发:通过 CPU 调度算法,让用户看上去同时执行,实际上从 CPU 操作层面不是真正的同时。并发往往在场景中有公用的资源,那么针对这个公用的资源往往产生瓶颈,我们会用 TPS 或者 QPS 来反应这个系统的处理能力。

并发与并行

  • 线程安全:经常用来描绘一段代码。指在并发的情况之下,该代码经过多线程使用,线程的调度顺序不影响任何结果。这个时候使用多线程,我们只需要关注系统的内存,CPU 是不是够用即可。反过来,线程不安全就意味着线程的调度顺序会影响最终结果,如不加事务的转账代码:
void transferMoney(User from, User to, float amount){
    to.setMoney(to.getBalance() + amount);
    from.setMoney(from.getBalance() - amount);
}
  • 同步:Java 中的同步指的是通过人为的控制和调度,保证共享资源的多线程访问成为线程安全,来保证结果的准确。如上面的代码简单加入 @synchronized 关键字。在保证结果准确的同时,提高性能,才是优秀的程序。线程安全的优先级高于性能。

好了,让我们开始吧。我准备分成几部分来总结涉及到多线程的内容:

  • 1. 扎好马步:线程的状态
  • 2. 内功心法:每个对象都有的方法(机制)
  • 3. 太祖长拳:基本线程类
  • 4. 九阴真经:高级多线程控制类

扎好马步:线程的状态

先来两张图:

线程状态

线程状态转换

各种状态一目了然,值得一提的是 "Blocked" 和 "Waiting" 这两个状态的区别:

  • 线程在 Running 的过程中可能会遇到阻塞 (Blocked) 情况  对 Running 状态的线程加同步锁 (Synchronized) 使其进入 (lock blocked pool),同步锁被释放进入可运行状 (Runnable)。从 jdk 源码注释来看,blocked 指的是对 monitor 的等待(可以参考下文的图)即该线程位于等待区。

  • 线程在 Running 的过程中可能会遇到等待(Waiting)情况 线程可以主动调用 object.wait 或者 sleep,或者 join(join内部调用的是 sleep ,所以可看成 sleep 的一种)进入。从 jdk 源码注释来看,Waiting 是等待另一个线程完成某一个操作,如 join 等待另一个完成执行,object.wait() 等待object.notify() 方法执行。

Waiting 状态和 Blocked 状态有点费解,我个人的理解是:Blocked 其实也是一种 wait ,等待的是 monitor ,但是和Waiting 状态不一样,举个例子,有三个线程进入了同步块,其中两个调用了 object.wait(),进入了 Waiting 状态,这时第三个调用了 object.notifyAll() ,这时候前两个线程就一个转移到了 Runnable,一个转移到了 Blocked。

从下文的 monitor 结构图来区别:每个 Monitor 在某个时刻,只能被一个线程拥有,该线程就是  “Active Thread”,而其它线程都是  “Waiting Thread”,分别在两个队列  “ Entry Set” 和  “Wait Set” 里面等候。在 “Entry Set” 中等待的线程状态 Blocked,从 jstack 的dump 中来看是  “Waiting for monitor entry”,而在 “Wait Set” 中等待的线程状态是 Waiting,表现在 jstack 的 dump 中是  “in Object.wait()”。

此外,在 runnable 状态的线程是处于被调度的线程,此时的调度顺序是不一定的。Thread 类中的 yield 方法可以让一个 running 状态的线程转入 runnable。

内功心法:每个对象都有的方法(机制)

synchronized, wait, notify 是任何对象都具有的同步工具。让我们先来了解他们

他们是应用于同步问题的人工线程调度工具。讲其本质,首先就要明确 monitor 的概念,Java 中的每个对象都有一个监视器,来监测并发代码的重入。在非多线程编码时该监视器不发挥作用,反之如果在 synchronized 范围内,监视器发挥作用。

wait/notify 必须存在于 synchronized 块中。并且,这三个关键字针对的是同一个监视器(某对象的监视器)。这意味着 wait之后,其他线程可以进入同步块执行。

当某代码并不持有监视器的使用权时(如图中5的状态,即脱离同步块)去 wait 或 notify,会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException。

也包括在 synchronized 块中去调用另一个对象的 wait/notify,因为不同对象的监视器不同,同样会抛出此异常。

再讲用法:

  • synchronized 单独使用:

  • 代码块:如下,在多线程环境下,synchronized 块中的方法获取了 lock 实例的 monitor,如果实例相同,那么只有一个线程能执行该块内容

public class Thread1 implements Runnable { 
        Object lock; 
        public void run() { 
            synchronized(lock){ 
                ..do something 
            }
        } 
}
  • 直接用于方法:相当于上面代码中用 lock 来锁定的效果,实际获取的是 Thread1 类的 monitor。更进一步,如果修饰的是 static 方法,则锁定该类所有实例
public class Thread1 implements Runnable {
            public synchronized void run() {
                ..do something
            }
}
  • synchronized, wait, notify 结合:典型场景生产者消费者问题
/**     
    * 生产者生产出来的产品交给店员     
    */    
    public synchronized void produce()    
    {
        if(this.product >= MAX_PRODUCT)
        { 
            try 
            {
                wait(); 
                System.out.println("产品已满,请稍候再生产");
            }
            catch(InterruptedException e) 
            {
                e.printStackTrace () ; 
            } 
            return; 
        } 

        this.product++;
        System.out.println("生产者生产第" + this.product + "个产品.");
        notifyAll();   //通知等待区的消费者可以取出产品了
    }
  
    /**      
     * 消费者从店员取产品
    */    
    public synchronized void consume()     
    {        
        if(this.product <= MIN_PRODUCT)        
        {           
            try              
            {                
                wait(); 
                System.out.println("缺货,稍候再取");
            }              
            catch (InterruptedException e)              
            {                 
                e.printStackTrace();             
            }            
            return;
        }                  
        
            System.out.println("消费者取走了第" + this.product + "个产品.");
            this.product--;
            notifyAll();   //通知等待去的生产者可以生产产品了
    }

volatile

多线程的内存模型:main memory(主存)、working memory(线程栈),在处理数据时,线程会把值从主存 load 到本地栈,完成操作后再 save 回去 (volatile 关键词的作用:每次针对该变量的操作都激发一次 load and save) 。

针对多线程使用的变量如果不是 volatile 或者 final 修饰的,很有可能产生不可预知的结果(另一个线程修改了这个值,但是之后在某线程看到的是修改之前的值)。其实道理上讲同一实例的同一属性本身只有一个副本。但是多线程是会缓存值的,本质上,volatile 就是不去缓存,直接取值。在线程安全的情况下加 volatile 会牺牲性能。

太祖长拳:基本线程类

基本线程类指的是 Thread 类,Runnable 接口,Callable 接口

Thread 类实现了 Runnable 接口,启动一个线程的方法:

  MyThread my = new MyThread();
    my.start();

Thread类相关方法

//当前线程可转让 cpu 控制权,让别的就绪状态线程运行(切换)
public static Thread.yield()
//暂停一段时间
public static Thread.sleep()   
//在一个线程中调用 other.join(),将等待other执行完后才继续本线程。&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;
public join()
//后两个函数皆可以被打断
public interrupte()

关于中断:它并不像 stop 方法那样会中断一个正在运行的线程。线程会不时地检测中断标识位,以判断线程是否应该被中断(中断标识值是否为 true )。终端只会影响到 wait 状态、sleep 状态和 join 状态。被打断的线程会抛出 InterruptedException。 Thread.interrupted() 检查当前线程是否发生中断,返回boolean

synchronized 在获锁的过程中是不能被中断的。

中断是一个状态!interrupt()方法只是将这个状态置为 true 而已。所以说正常运行的程序不去检测状态,就不会终止,而 wait 等阻塞方法会去检查并抛出异常。如果在正常运行的程序中添加while(!Thread.interrupted()) ,则同样可以在中断后离开代码体

Thread类最佳实践:

写的时候最好要设置线程名称  Thread.name,并设置线程组 ThreadGroup,目的是方便管理。在出现问题的时候,打印线程栈 (jstack -pid)  一眼就可以看出是哪个线程出的问题,这个线程是干什么的。

如何获取线程中的异常

Runnable

与 Thread 类似

Callable

future 模式:并发模式的一种,可以有两种形式,即无阻塞和阻塞,分别是 isDone 和 get。其中 Future 对象用来存放该线程的返回值以及状态

ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);
//submit 方法有多重参数版本,及支持 callable 也能够支持runnable 接口类型. 
Future future = e.submit(new myCallable());
future.isDone() //return true,false 无阻塞 
future.get() // return 返回值,阻塞直到该线程运行结束

九阴真经:高级多线程控制类

以上都属于内功心法,接下来是实际项目中常用到的工具了,Java1.5 提供了一个非常高效实用的多线程包: java.util.concurrent, 提供了大量高级工具,可以帮助开发者编写高效、易维护、结构清晰的 Java 多线程程序。

1.ThreadLocal类

用处:保存线程的独立变量。对一个线程类(继承自 Thread ) 当使用 ThreadLocal 维护变量时,ThreadLocal 为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本,所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本,而不会影响其它线程所对应的副本。常用于用户登录控制,如记录 session 信息。

实现:每个Thread 都持有一个 TreadLocalMap 类型的变量(该类是一个轻量级的 Map,功能与 map 一样,区别是桶里放的是 entry 而不是 entry 的链表。功能还是一个 map 。)以本身为 key,以目标为 value。 主要方法是 get() 和 set(T a),set 之后在 map 里维护一个threadLocal -> a,get 时将 a 返回。ThreadLocal 是一个特殊的容器。

2.原子类(AtomicInteger、AtomicBoolean……)

如果使用 atomic wrapper class 如 atomicInteger,或者使用自己保证原子的操作,则等同于 synchronized

//返回值为 boolean
AtomicInteger.compareAndSet(int expect,int update)

该方法可用于实现乐观锁,考虑文中最初提到的如下场景:a 给 b 付款10元,a 扣了 10 元,b 要加 10 元。此时 c 给 b 2 元,但是 b的加十元代码约为:

if(b.value.compareAndSet(old, value)){  
    return ;
}else{
        //try again
        // if that fails, rollback and log
}

AtomicReference

对于 AtomicReference 来讲,也许对象会出现,属性丢失的情况,即 oldObject == current,但是 oldObject.getPropertyA != current.getPropertyA。 这时候,AtomicStampedReference 就派上用场了。这也是一个很常用的思路,即加上版本号

3.Lock类

lock: 在 java.util.concurrent 包内。共有三个实现:

  • ReentrantLock

  • ReentrantReadWriteLock.ReadLock

  • ReentrantReadWriteLock.WriteLock

主要目的是和 synchronized 一样, 两者都是为了解决同步问题,处理资源争端而产生的技术。功能类似但有一些区别。

区别如下:

  1. lock 更灵活,可以自由定义多把锁的枷锁解锁顺(synchronized 要按照先加的后解顺序)

  2. 提供多种加锁方案,lock 阻塞式, trylock 无阻塞式,    lockInterruptily 可打断式, 还有 trylock 的带超时时间版本

  3. 本质上和监视器锁(即 synchronized 是一样的)

  4. 能力越大,责任越大,必须控制好加锁和解锁,否则会导致灾难。

  5. 和 Condition 类的结合。

  6. 性能更高,对比如下图:

ReentrantLock

可重入的意义在于持有锁的线程可以继续持有,并且要释放对等的次数后才真正释放该锁。

使用方法是:

1.先 new 一个实例

static ReentrantLock r=new ReentrantLock();

2.加锁

r.lock()或 r.lockInterruptibly();

此处也是个不同,后者可被打断。当 a 线程 lock 后,b 线程阻塞,此时如果是 lockInterruptibly,那么在调用 b.interrupt() 之后,b 线程退出阻塞,并放弃对资源的争抢,进入 catch 块。(如果使用后者,必须 throw interruptable exception 或 catch)

3.释放锁

r.unlock()

必须做!何为必须做呢,要放在 finally 里面。以防止异常跳出了正常流程,导致灾难。这里补充一个小知识点,finally 是可以信任的:经过测试,哪怕是发生了 OutofMemoryError ,finally 块中的语句执行也能够得到保证。

ReentrantReadWriteLock

可重入读写锁(读写锁的一个实现)

ReentrantReadWriteLock   lock = new ReentrantReadWriteLock()
ReadLock r = lock.readLock();&emsp;
WriteLock w = lock.writeLock();

两者都有 lock,unlock 方法。写写,写读互斥;读读不互斥。可以实现并发读的高效线程安全代码

4.容器类

这里就讨论比较常用的两个:

  • BlockingQueue

  • ConcurrentHashMap

BlockingQueue

阻塞队列。该类是 java.util.concurrent 包下的重要类,通过对 Queue 的学习可以得知,这个 queue 是单向队列,可以在队列头添加元素和在队尾删除或取出元素。类似于一个管道,特别适用于先进先出策略的一些应用场景。普通的 queue 接口主要实现有 PriorityQueue(优先队列),有兴趣可以研究

BlockingQueue 在队列的基础上添加了多线程协作的功能:

除了传统的 queue 功能(表格左边的两列)之外,还提供了阻塞接口 put 和 take,带超时功能的阻塞接口 offer 和 poll。put 会在队列满的时候阻塞,直到有空间时被唤醒;take 在队 列空的时候阻塞,直到有东西拿的时候才被唤醒。用于生产者-消费者模型尤其好用,堪称神器。

常见的阻塞队列有:

  • ArrayListBlockingQueue

  • LinkedListBlockingQueue

  • DelayQueue

  • SynchronousQueue

ConcurrentHashMap

高效的线程安全哈希 map。请对比 hashTable , concurrentHashMap, HashMap

5.管理类

管理类的概念比较泛,用于管理线程,本身不是多线程的,但提供了一些机制来利用上述的工具做一些封装。

了解到的值得一提的管理类:ThreadPoolExecutor 和 JMX框架下的系统级管理类 ThreadMXBean

ThreadPoolExecutor

如果不了解这个类,应该了解前面提到的 ExecutorService,开一个自己的线程池非常方便

ExecutorService e = Executors.newCachedThreadPool(); 
    ExecutorService e =Executors.newSingleThreadExecutor();  
    ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);   
    // 第一种是可变大小线程池,按照任务数来分配线程,    
    // 第二种是单线程池,相当于 FixedThreadPool(1)    
    // 第三种是固定大小线程池。
    // 然后运行   
    e.execute(new MyRunnableImpl());

该类内部是通过 ThreadPoolExecutor 实现的,掌握该类有助于理解线程池的管理,本质上,他们都是 ThreadPoolExecutor 类的各种实现版本。请参见 javadoc:

翻译一下:

corePoolSize: 池内线程初始值与最小值,就算是空闲状态,也会保持该数量线程。

maximumPoolSize: 线程最大值,线程的增长始终不会超过该值。

keepAliveTime:当池内线程数高于 corePoolSize 时,经过多少时间多余的空闲线程才会被回收。回收前处于 wait 状态

unit: 时间单位,可以使用 TimeUnit 的实例,如 TimeUnit.MILLISECONDS  workQueue: 待入任务(Runnable)的等待场所,该参数主要影响调度策略,如公平与否,是否产生饿死 (starving)

threadFactory: 线程工厂类,有默认实现,如果有自定义的需要则需要自己实现 ThreadFactory 接口并作为参数传入。

请注意:该类十分常用,作者80%的多线程问题靠他。