【笔记】并发编程1

2020-07-21 | 阅读：次 |本站总访问量次 | 本站访客数人

1.概述

2.进程与线程

概念、二者关系、如何执行、并行与并发、两者对比

应用

以调用方角度来讲，如果需要等待结果返回，才能继续运行就是同步不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步

注意：同步在多线程中还有另外一层意思，是让多个线程步调一致

1) 设计多线程可以让方法执行变为异步的（即不要巴巴干等着）比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了 5 秒钟，如果没有线程调度机制，这 5 秒 cpu 什么都做不了，其它代码都得暂停…

2) 结论

比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程
tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程
ui 程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞 ui 线程

应用之提高效率（案例1）

充分利用多核 cpu 的优势，提高运行效率。想象下面的场景，执行 3 个计算，最后将计算结果汇总。

计算 1 花费 10 ms

计算 2 花费 11 ms

计算 3 花费 9 ms

汇总需要 1 ms

如果是串行执行，那么总共花费的时间是 10 + 11 + 9 + 1 = 31ms
但如果是四核 cpu，各个核心分别使用线程 1 执行计算 1，线程 2 执行计算 2，线程 3 执行计算 3，那么 3 个线程是并行的，花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间，即 11ms 最后加上汇总时间只会花费 12ms

注意需要在多核 cpu 才能提高效率，单核仍然时是轮流执行

1) 设计

2) 结论

单核 cpu 下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用 cpu ，不至于一个线程总占用 cpu，别的线程没法干活
多核 cpu 可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的

有些任务，经过精心设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率。但不是所有计算任务都能拆分（参考后文的【阿姆达尔定律】）

也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义
IO 操作不占用 cpu，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO】，这时相当于线程虽然不用 cpu，但需要一直等待 IO 结束，没能充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞 IO】和【异步 IO】优化

3.Java线程

创建和运行线程

查看线程

线程API

线程状态

3.1 创建和运行线程

方法一：直接使用Thread

// 创建线程对象
Thread t = new Thread() {
    public void run() {
        // 要执行的任务
    }
};
// 启动线程
t.start();

例如：

// 构造方法的参数是给线程指定名字，推荐
Thread t1 = new Thread("t1") {
    @Override
    // run 方法内实现了要执行的任务
    public void run() {
        log.debug("hello");
    }
};
t1.start();

加了 t.setName(“t1”),可以便于我们查找我们线程

@Slf4j(topic="c.Test")
public class test {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t=new Thread(){
            public void run(){
                log.debug("running");
            }
        };
        t.setName("t1");
        t.start();
        log.debug("running");
    }
}

方法二：使用Runnable配合Thread

把【线程】和【任务】（要执行的代码）分开

Thread 代表线程
Runnable 可运行的任务（线程要执行的代码）

Runnable runnable = new Runnable() {
    public void run(){
        // 要执行的任务
    }
};
// 创建线程对象
Thread t = new Thread( runnable );
// 启动线程
t.start();

例如：

// 创建任务对象
Runnable task2 = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        log.debug("hello");
    }
};

// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
t2.start();

Java 8 以后可以使用 lambda 精简代码

// 创建任务对象
Runnable task2 = () -> log.debug("hello");
 
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
t2.start();

原理之Thread与Runnable的关系

分析Thread的源码，理解它与Runnable的关系

小结

方法1 是把线程和任务合并在了一起，方法2 是把线程和任务分开了
用 Runnable 更容易与线程池等高级 API 配合
用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活（Java推荐组合优于继承的）

Runnable源码

只有一个抽象方法，且@FunctionalInterface注解，这样的是能够用lambda精简的

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    /**
     * When an object implementing interface <code>Runnable</code> is used
     * to create a thread, starting the thread causes the object's
     * <code>run</code> method to be called in that separately executing
     * thread.
     * <p>
     * The general contract of the method <code>run</code> is that it may
     * take any action whatsoever.
     *
     * @see     java.lang.Thread#run()
     */
    public abstract void run();
}

快捷键转换成lambda表达式

方法三：FutureTask配合Thread

FutureTask间接实现了Runnable接口，可以实现任务，Future用来返回任务的结果(Runnable它本身接口里的run方法是返回为空，所以是不能把一个线程的结果返回给另一个线程)

FutureTask 能够接收 Callable 类型的参数，用来处理有返回结果的情况

// 创建任务对象
FutureTask<Integer> task3 = new FutureTask<>(() -> {
    log.debug("hello");
    return 100;
});
 
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
new Thread(task3, "t3").start();
 
// 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
Integer result = task3.get();
log.debug("结果是:{}", result);

Callable源码：

相较于Runnable多了返回值，和抛出异常

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

3.2 观察多个线程同时运行

主要是理解

交替执行
谁先谁后，不由我们控制

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.TestMultiThread")
public class TestMultiThread {

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while(true) {
                log.debug("running");
            }
        },"t1").start();
        new Thread(() -> {
            while(true) {
                log.debug("running");
            }
        },"t2").start();
    }
}

3.3 查看进程线程的方法

windows

任务管理器可以查看进程和线程数，也可以用来杀死进程
tasklist 查看进程
taskkill 杀死进程

linux

ps -fe 查看所有进程
ps -fT -p 查看某个进程（PID）的所有线程
kill 杀死进程
top 按大写 H 切换是否显示线程
top -H -p 查看某个进程（PID）的所有线程

Java

jps 命令查看所有 Java 进程
jstack 查看某个 Java 进程（PID）的所有线程状态
jconsole 来查看某个 Java 进程中线程的运行情况（图形界面）

jconsole 远程监控配置

需要以如下方式运行你的 java 类

java -Djava.rmi.server.hostname=ìp地址` -Dcom.sun.management.jmxremote -
Dcom.sun.management.jmxremote.port=`连接端口` -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=是否安全连接 -
Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=是否认证 java类

修改 /etc/hosts 文件将 127.0.0.1 映射至主机名

如果要认证访问，还需要做如下步骤

复制 jmxremote.password 文件
修改 jmxremote.password 和 jmxremote.access 文件的权限为 600 即文件所有者可读写
连接时填入 controlRole（用户名），R&D（密码

3.4 原理之线程运行

栈与栈帧

Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈）我们都知道 JVM 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存是给谁用的呢？其实就是线程，每个线程启动后，虚拟机就会为其分配一块栈内存。

每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

线程上下文切换（Thread Context Switch）:star:

因为以下一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码

线程的 cpu 时间片用完(被动)
垃圾回收（被动）
有更高优先级的线程需要运行（被动）
线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法（主动）

当 Context Switch 发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应的概念就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条 jvm 指令的执行地址，是线程私有的

状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等
Context Switch 频繁发生会影响性能

3.5 常见方法

方法名	static	功能说明	注意
start()		启动一个新线程，在新的线程运行run方法中的代码	start 方法只是让线程进入就绪，里面代码不一定立刻运行（CPU 的时间片还没分给它）。每个线程对象的start方法只能调用一次，如果调用了多次会出现IllegalThreadStateException
run()		新线程启动后会调用的方法	如果在构造 Thread 对象时传递了 Runnable 参数，则线程启动后会调用 Runnable 中的 run 方法，否则默认不执行任何操作。但可以创建 Thread 的子类对象，来覆盖默认行为
join()		等待线程运行结束
join(long n)		等待线程运行结束,最多等待 n 毫秒
getId()		获取线程长整型的 id	id唯一
getName()		获取线程名
setName(String)		修改线程名
getPriority()		获取线程优先级
setPriority(int)		修改线程优先级	java中规定线程优先级是1~10 的整数，较大的优先级能提高该线程被 CPU 调度的机率
getState()		获取线程状态	Java 中线程状态是用 6 个 enum 表示，分别为：NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED
isInterrupted()		判断是否被打断，	不会清除打断标记
isAlive()		线程是否存活（还没有运行完毕）
interrupt()		打断线程	如果被打断线程正在 sleep，wait，join 会导致被打断的线程抛出 InterruptedException，并清除打断标记；如果打断的正在运行的线程，则会设置打断标>记；park 的线程被打断，也会设置打断标记
interrupted()	static	判断当前线程是否被打断	会清除打断标记
currentThread()	static	获取当前正在执行的线程
sleep(long n)	static	让当前执行的线程休眠n毫秒，休眠时让出 cpu 的时间片给其它线程
yield()	static	提示线程调度器让出当前线程对CPU的使用	主要是为了测试和调试

3.6 start与run

调用run

public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread("t1") {
        @Override
        public void run() {
            log.debug(Thread.currentThread().getName());
            FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH);
        }
    };
 
    t1.run();
    log.debug("do other things ...");

输出:

39:14 [main] c.TestStart - main
39:14 [main] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
39:18 [main] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4227 ms
39:18 [main] c.TestStart - do other things ...

程序仍在 main 线程运行， FileReader.read() 方法调用还是同步的

调用start

将上述代码的t1.run()改为

t1.start();

输出：

41:30 [main] c.TestStart - do other things ...
41:30 [t1] c.TestStart - t1
41:30 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
41:35 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4542 ms

程序在 t1 线程运行， FileReader.read() 方法调用是异步的

小结

直接调用 run 是在主线程中执行了 run，没有启动新的线程
使用 start 是启动新的线程，通过新的线程间接执行 run 中的代码

3.7 sleep与yield

sleep

调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛出 InterruptedException
睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行
建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性

（TimeUnit本质上还是Thread 只不过进行了单位换算，请查阅源码）
```
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
Thread.sleep(1000);
```

yield

调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态（任务调度器会把时间片给这样状态的线程，阻塞状态的不会），然后调度执行其它线程（也就是把CPU的使用权让出去）
具体的实现依赖于操作系统的任务调度器（想让没让出去）

两者区别：

yield就绪状态，running阻塞状态，会不会得到时间片

sleep有等待时间，yield几乎没有等待时间

线程优先级

1-10，数字越大，优先级越高

线程优先级会提示（hint）调度器优先调度该线程，但它仅仅是一个提示，调度器可以忽略它
如果 cpu 比较忙，那么优先级高的线程会获得更多的时间片，但 cpu 闲时，优先级几乎没作用

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.Test9")
public class Test9 {

    public static void main(String[] args) {
        Runnable task1 = () -> {
            int count = 0;
            for (;;) {
                System.out.println("---->1 " + count++);
            }
        };
        Runnable task2 = () -> {
            int count = 0;
            for (;;) {
//                Thread.yield();
                System.out.println("              ---->2 " + count++);
            }
        };
        Thread t1 = new Thread(task1, "t1");
        Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
        t1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
        t2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

案例-防止CPU占用100%

1.sleep实现

在没有利用 cpu 来计算时，不要让 while(true) 空转浪费 cpu，这时可以使用 yield 或 sleep 来让出 cpu 的使用权给其他程序

while(true) {
    try {
        Thread.sleep(50);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

可以用 wait 或条件变量达到类似的效果
不同的是，后两种都需要加锁，并且需要相应的唤醒操作，一般适用于要进行同步的场景
sleep 适用于无需锁同步的场景

2.wait实现

3.8 join方法详解

为什么需要join

下面的代码执行，打印 r 是什么？

static int r = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test1();
}
private static void test1() throws InterruptedException {
    log.debug("开始");
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("开始");
        sleep(1);
        log.debug("结束");
        r = 10;
    });
    t1.start();
    log.debug("结果为:{}", r);
    log.debug("结束");
}

分析

因为主线程和线程 t1 是并行执行的，t1 线程需要 1 秒之后才能算出 r=10
而主线程一开始就要打印 r 的结果，所以只能打印出 r=0

解决方法

用 sleep 行不行？为什么？
用 join，加在 t1.start() 之后即可

**应用之同步**

以调用方角度来讲，如果

需要等待结果返回，才能继续运行就是同步
不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步

等待多个结果 问，下面代码 cost 大约多少秒？

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test2();
}
private static void test2() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        sleep(1);
        r1 = 10;
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        sleep(2);
        r2 = 20;
    });
    long start = System.currentTimeMillis();
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    long end = System.currentTimeMillis();
    log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

分析如下

第一个 join：等待 t1 时, t2 并没有停止, 而在运行
第二个 join：1s 后, 执行到此, t2 也运行了 1s, 因此也只需再等待 1s

如果颠倒两个 join 呢？

最终都是输出

20:45:43.239 [main] c.TestJoin - r1: 10 r2: 20 cost: 2005

有时效的 join

从下面两个例子来看都是按照小的时间来等待

等够时间

线程提前结束了，join也会结束，不会按1500秒

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test3();
}
public static void test3() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        sleep(1);
        r1 = 10;
    });
 
    long start = System.currentTimeMillis();
    t1.start();
     // 线程执行结束会导致 join 结束
    t1.join(1500);
    long end = System.currentTimeMillis();
    log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

输出

20:48:01.320 [main] c.TestJoin - r1: 10 r2: 0 cost: 1010

没等够时间

join会提前结束线程

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test3();
}
public static void test3() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        sleep(2);
        r1 = 10;
    });
 
    long start = System.currentTimeMillis();
    t1.start();
 
    // 线程执行结束会导致 join 结束
    t1.join(1500);
    long end = System.currentTimeMillis();
    log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start)

输出

20:52:15.623 [main] c.TestJoin - r1: 0 r2: 0 cost: 1502

3.9 interrupt方法详解

打断sleep、wait、join线程

join底层原理就是wait

这几个方法都会让线程进入阻塞状态打断 sleep 的线程, 会清空打断状态，以 sleep 为例

阻塞

private static void test1() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(()->{
        sleep(1);
    }, "t1");
    t1.start();
 
    sleep(0.5);
    t1.interrupt();
    log.debug(" 打断状态: {}", t1.isInterrupted());
}

输出

08:49:04.689 c.Test11 [t1] - sleep...
08:49:05.687 c.Test11 [main] - interrupt
08:49:05.687 c.Test11 [main] - 打断标记:false
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
	at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
	at cn.itcast.test.Test11.lambda$main$0(Test11.java:12)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

打断正常运行的线程

打断正常运行的线程, 不会清空打断状态

private static void test2() throws InterruptedException {
    Thread t2 = new Thread(()->{
        while(true) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            boolean interrupted = current.isInterrupted();
            if(interrupted) {
                log.debug(" 打断状态: {}", interrupted);
                break;
            }
        }
    }, "t2");
    t2.start();
 
    sleep(0.5);
    t2.interrupt();
}

输出

20:57:37.964 [t2] c.TestInterrupt -  打断状态: true

两阶段终止模式

Two Phase Termination 在一个线程 T1 中如何“优雅”终止线程 T2？这里的【优雅】指的是给 T2 一个料理后事的机会。

错误思路

使用线程对象的 stop() 方法停止线程

stop 方法会真正杀死线程，如果这时线程锁住了共享资源，那么当它被杀死后就再也没有机会释放锁，其它线程将永远无法获取锁

使用 System.exit(int) 方法停止线程

目的仅是停止一个线程，但这种做法会让整个程序（也就是进程）都停止

2. 两阶段终止模式

2.1利用isInterrupted

interrupt 可以打断正在执行的线程，无论这个线程是在 sleep，wait，还是正常运行

@Slf4j(topic = "c.Test45")
public class Test45 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        TwoPhaseTermination2 twoPhaseTermination2=new TwoPhaseTermination2();
        twoPhaseTermination2.start();
        Thread.sleep(3500);
        twoPhaseTermination2.stop();
    }
}

@Slf4j(topic = "c.TwoPhaseTermination2")
class TwoPhaseTermination2{
    private Thread monitor;
    //启动线程
    public void start(){
        monitor=new Thread(()->{
            while(true){
                Thread current= Thread.currentThread();
                if(current.isInterrupted()){
                    log.debug("料理后事");
                    break;
                }
                try {
                    Thread.sleep(2000);//情况1
                    log.debug("执行监控记录");//情况2

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                    //重新设置打断标记
                    current.interrupt();
                }
            }
        });
        monitor.start();
    }

    public void stop() {
        monitor.interrupt();
    }
}

打断 park 线程

打断 park 线程, 不会清空打断状态

private static void test3() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("park...");
        LockSupport.park();
        log.debug("unpark...");
        log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
    }, "t1");
    t1.start();

    sleep(1);
    t1.interrupt();

}

47:44.982 c.Test14 [t1] - park...
47:45.982 c.Test14 [t1] - unpark...
47:45.982 c.Test14 [t1] - 打断状态：true

提示可以使用 Thread.interrupted() 清除打断状态 (也就是使park失效)

3.10 不推荐的方法

还有一些不推荐使用的方法，这些方法已过时（看源码会看到有@Deprecated这个过时标志），容易破坏同步代码块，造成线程死锁

用两阶段终止模式取代stop()

方法名	static	功能说明
stop()		停止线程运行
suspend()		挂起（暂停）线程运行
resume()		恢复线程运行

3.11 主线程与守护线程

默认情况下，Java 进程需要等待所有线程都运行结束，才会结束。有一种特殊的线程叫做守护线程，只要其它非守护线程运行结束了，即使守护线程的代码没有执行完，也会强制结束。

log.debug("开始运行...");
Thread t1 = new Thread(() -> {
    log.debug("开始运行...");
    sleep(2);
    log.debug("运行结束...");
}, "daemon");
// 设置该线程为守护线程
t1.setDaemon(true);
t1.start();
 
sleep(1);
log.debug("运行结束...");

输出

26:38.123 [main] c.TestDaemon - 开始运行... 
26:38.213 [daemon] c.TestDaemon - 开始运行... 
26:39.215 [main] c.TestDaemon - 运行结束...

注意

垃圾回收器线程就是一种守护线程

Tomcat 中的 Acceptor 和 Poller 线程都是守护线程，所以 Tomcat 接收到 shutdown 命令后，不会等待它们处理完当前请求

3.12 五种状态

这是从 操作系统 层面来描述的

【初始状态】仅是在语言层面创建了线程对象，还未与操作系统线程关联
【可运行状态】（就绪状态）指该线程已经被创建（与操作系统线程关联），可以由 CPU 调度执行
【运行状态】指获取了 CPU 时间片运行中的状态

当 CPU 时间片用完，会从【运行状态】转换至【可运行状态】，会导致线程的上下文切换
【阻塞状态】
- 如果调用了阻塞 API，如 BIO 读写文件，这时该线程实际不会用到 CPU，会导致线程上下文切换，进入【阻塞状态】
- 等 BIO 操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至【可运行状态】（唤醒之后不是进入运行状态，而是进入可运行状态）
- 与【可运行状态】的区别是，对【阻塞状态】的线程来说只要它们一直不唤醒，调度器就一直不会考虑调度它们
【终止状态】表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状态

3.13 六种状态

这是Java API层面来描述的

根据Thread.State枚举，分为六种状态

NEW 线程刚被创建，但是还没有调用 start() 方法
RUNNABLE 当调用了 start() 方法之后，注意，Java API 层面的 RUNNABLE 状态涵盖了操作系统层面的【可运行状态】、【运行状态】和【阻塞状态】（由于 BIO 导致的线程阻塞，在 Java 里无法区分，仍然认为是可运行）
BLOCKED ， WAITING ， TIMED_WAITING 都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分，后面会在状态转换一节详述
TERMINATED 当线程代码运行结束

本章小结

切记不要浅尝辄止，多回忆具体细节，查看源码，多次深入理解

本章的重点在于掌握

线程创建
线程重要 api，如 start，run，sleep，join，interrupt 等
线程状态

应用方面

异步调用：主线程执行期间，其它线程异步执行耗时操作
提高效率：并行计算，缩短运算时间
同步等待：join
统筹规划：合理使用线程，得到最优效果（P47,P48）

原理方面

线程运行流程：栈、栈帧、上下文切换、程序计数器
Thread 两种创建方式的源码

模式方面

终止模式之两阶段终止

肖申克赫本