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Java多线程

2021-03-08 13:47:28   55  举报

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AI智能生成

Java多线程知识总结

java 多线程

java 并发编程

java多线程知识总结

作者其他创作

大纲/内容

概念

进程

线程

NEW

新建状态，线程被构建，还未调用start()方法

RUNNABLE

运行状态，jvm把就绪和运行中统称为RUNNABLE

BLOCKED

阻塞状态，表示线程阻塞于锁

WAITING

等待状态，调用了wait()方法，需要其他线程调用niotfy()或者notifyAll()方法来激活

TIMED_WAITING

超时等待状态，不同于WAITING，可以在超过指定时间后，自行激活

TERMINATED

终止状态，表示该线程已经执行完毕

并发与并行

并发

同一段时间，多个任务都在执行

并行

同一时刻，多个任务同时执行

线程同步

synchronized

作用范围

方法

静态方法

使用的同步锁是类对象，和其他静态同步方法存在锁竞争

非静态方法

使用的锁是当前对象，同一对象之间存在锁竞争，不同对象之间不存在竞争关系

代码块

使用的锁是synchronized中传入的对象，依据是否同一对象而决定否存在竞争

底层原理

方法

代码块

每个java对象的对象头中都有monitor对象，通过能否获取到monitor对象来判断能否获取锁

锁优化

自旋锁

当线程竞争锁失败时，不直接阻塞自己，而是自旋（空等待，比如一个有限的for循环）一会儿，在自旋的同时重新竞争锁。如果在自旋结束前获得了锁，那么获取锁成功；否则自旋结束后阻塞自己

自旋锁可以减少线程阻塞造成的线程切换（包括挂起线程和恢复线程）

单核处理器情况下，不存在实际的并行。当前线程不阻塞自己，拥有锁的线程就无法执行，锁永远不会释放。进而，如果线程多而处理器少，自旋也会造成不少无谓的浪费自旋锁要占用CPU，如果是计算密集型任务，这一优化通常得不偿失，减少锁的使用是更好的选择如果锁竞争时间比较长，那么自旋通常不能获得锁，白白浪费自旋占用的CPU时间。这通常发生在所持有时间长，且竞争激烈的场景中，此时应主动禁用自旋锁

使用-XX:-UseSpinning参数关闭自旋锁优化；-XX:PreBlockSpin参数修改默认的自旋次数。

偏向锁

偏向锁的目标是减少无竞争且只有一个线程使用锁的情况下，使用轻量级锁产生的性能消耗

如果有其他线程申请锁，那么偏向锁很快就膨胀为轻量级锁。浪费了维持偏向锁的性能消耗

使用参数-XX:-UseBiasedLocking禁止偏向锁优化（默认打开）。

轻量级锁

使用轻量级锁时，不需要申请互斥量，仅仅将Mark Word中的部分字节CAS更新指向线程栈中的Lock Record，如果更新成功，则轻量级锁获取成功。否则可以继续使用自旋锁获取或者升级为重量级锁

轻量级锁的目标是减少无实际竞争的情况下，使用重量级锁产生的性能消耗

如果锁竞争激烈，轻量级锁很快就将升级为重量级锁，那么维持轻量级锁的过程就成了浪费

重量级锁

内置锁在Java中被抽象成监视器锁（monitor）。监视器锁直接对应底层操作系统的互斥量（mutex）

这种同步方式成本非常高，包括系统调用引起的内核态和用户态切换、线程阻塞造成的线程切换等

synchronized与ReentrantLock

两者都是可重入锁

synchronized依赖于JVM，ReentrantLock依赖于API

synchronized是非公平锁ReentrantLock可指定是公平锁或非公平锁

ReentrantLock比synchronized多一些高级功能

等待可中断

可实现公平锁

可实现选择性通知

synchronized与volatile

并发编程的三个特性

原子性

一个操作或者多次操作，要么都执行、要不都不执行。synchronized可以保证原子性

可见性

当一个线程对共享变量进行了修改，其他线程可以马上看到最新的值。volatile可以保证可见性

有序性

代码在执行过程中，编译器会对字节码进行冲重排序优化，无法保证代码的执行顺序就是编写代码的顺序。volatile可以禁止指令重排

volatile是synchronized的轻量级实现

多线程访问volatile关键字不会阻塞，synchronized可能会阻塞

volatile能保证数据的可见性，不能保证原子性；synchronized两者都可以保证

volatile主要解决多线程之间数据的可见性问题；synchronized解决多线程之间数据的同步性问题

背景

为什么用多线程

随着处理器的核心数不断增多，单线程程序已无法发挥多核处理器的优势线程比进程切换效率更高

使用多线程引入问题

内存泄漏

静态集合类

数据库连接、网络连接、IO连接等

变量不合理的作用域

内部类引用外部类

死锁

死锁发生条件

1.互斥条件：该资源任一时刻只能被一个线程拥有

2.请求与保持条件：一个线程在获取资源阻塞时，对已获得的资源不释放

3.不剥夺条件：一个线程获得的资源在其使用完成之前不能被其他线程主动剥夺，只能由自己主动释放

4.循环等待条件：多个线程之间形成首尾相接的循环等待资源关系

避免死锁

只需要破坏四个条件中的任意一个即可

互斥条件：本来就是让线程之间互斥，所以无法破坏请求与保持条件：一次性申请所有的资源不剥夺条件：可以让线程在无法获得资源时，先把已获得资源进行释放循环等待条件：按照某一顺序来获取资源

解决死锁

上下文切换

一般情况下线程数都比cpu核心数要多，cpu只能不断在线程之间切换来执行每一个线程。cpu每次切换都得保存当前状态，和加载下一个线程的状态。这就是上下文切换

ThreadLocal

每个线程的专属变量，不会被其他线程访问到

ThreadLocal中有一个静态内部类ThreadLocalMap，可以理解为ThreadLocal的定制化HashMap实现。KEY为线程对象，Value为set进去的值

内存泄漏问题

ThreadLocalMap中的Key为ThreadLocal的弱引用，而Value是强引用。所以在ThreadLocal没有被外部强引用的时候，在垃圾回收时会把Key给回收掉，而Value却不会被回收。这样会出来Key为null的Entry。如果我们不做什么措施，Value就永远无法被回收，发生内存泄漏。ThreadLocal已经考虑了这种情况，在调用set()、get()和remove()方法时，会清理掉Key为null的Entry

Java锁

乐观锁/悲观锁

乐观锁

乐观锁总是认为不存在并发问题，每次去取数据的时候，总认为不会有其他线程对数据进行修改，因此不会上锁。但是在更新时会判断其他线程在这之前有没有对数据进行修改，一般会使用“数据版本机制”或“CAS操作”来实现。

CAS（Compare and Swap 比较并交换），当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。

分支主题

数据版本机制，实现数据版本一般有两种，第一种是使用版本号，第二种是使用时间戳

悲观锁

每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。比如Java里面的同步原语synchronized关键字的实现就是悲观锁

独享锁/共享锁

独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有

如ReentrantLock是独享锁，Synchronized是独享锁