并發(fā)

最近重新復(fù)習(xí)了一邊并發(fā)的知識(shí)，發(fā)現(xiàn)自己之前對(duì)于并發(fā)的了解只是皮毛。這里總結(jié)以下Java并發(fā)需要掌握的點(diǎn)。

使用并發(fā)的一個(gè)重要原因是提高執(zhí)行效率。由于I/O等情況阻塞，單個(gè)任務(wù)并不能充分利用CPU時(shí)間。所以在單處理器的機(jī)器上也應(yīng)該使用并發(fā)。
為了實(shí)現(xiàn)并發(fā)，操作系統(tǒng)層面提供了多進(jìn)程。但是進(jìn)程的數(shù)量和開銷都有限制，并且多個(gè)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)共享比較麻煩。另一種比較輕量的并發(fā)實(shí)現(xiàn)是使用線程，一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)線程。線程在進(jìn)程中沒有數(shù)量限制, 數(shù)據(jù)共享相對(duì)簡(jiǎn)單。線程的支持跟語言是有關(guān)系的。Java 語言中支持多線程。

Java 中的多線程是搶占式的。這意味著一個(gè)任務(wù)隨時(shí)可能中斷并切換到其它任務(wù)。所以我們需要在代碼中足夠的謹(jǐn)慎，防范好這種切換帶來的副作用。

基礎(chǔ)

Runnable它可以理解成一個(gè)任務(wù)。它的run()方法就是任務(wù)的邏輯，執(zhí)行順序。

Thread它是一個(gè)任務(wù)的載體，虛擬機(jī)通過它來分配任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間片。
Thread中的start方法可以作為一個(gè)并發(fā)任務(wù)的入口。不通過start方法來執(zhí)行任務(wù)，那么run方法就只是一個(gè)普通的方法

線程的狀態(tài)有四種：

1. NEW 線程創(chuàng)建的時(shí)候短暫的處于這種狀態(tài)。這種狀態(tài)下已經(jīng)可以獲得CPU時(shí)間了，隨后可能進(jìn)入RUNNABLE，BLOCKED狀態(tài)。
2. RUNNABLE 此狀態(tài)下只要CPU將時(shí)間分配給線程，線程中的任務(wù)就可以執(zhí)行。隨后可能進(jìn)入BLOCKED，DEAD狀態(tài)。
3. BLOCKED 線程可以運(yùn)行，但是有某個(gè)條件阻止著它。當(dāng)線程處于阻塞狀態(tài)時(shí)，CPU不會(huì)分配時(shí)間片給它，直到它重新進(jìn)入RUNNABLE狀態(tài)。
4. DEAD 此狀態(tài)的線程將永遠(yuǎn)不會(huì)獲得CPU時(shí)間片。通常是因?yàn)閞un()方法返回才會(huì)到達(dá)此狀態(tài)。此時(shí)任務(wù)還是可以被中斷的。

Callable<T>它是一個(gè)帶返回的異步任務(wù)，返回的結(jié)果放到一個(gè)Future對(duì)象中。

Future<T>它可以接受Callable任務(wù)的返回結(jié)果。在任務(wù)沒有返回的時(shí)候調(diào)用get方法會(huì)阻塞當(dāng)前線程。cancel方法會(huì)嘗試取消未完成的任務(wù)（未執(zhí)行->直接不執(zhí)行，已經(jīng)完成->返回false,正在執(zhí)行->嘗試中斷）。

FutureTask<T>同時(shí)繼承了Runnable, Callable 接口。

Java 1.5之后，不再推薦直接使用Thread對(duì)象作為任務(wù)的入口。推薦使用Executor管理Thread對(duì)象。Executor是線程與任務(wù)之間的的一個(gè)中間層，它屏蔽了線程的生命周期，不再需要顯式的管理線程。并且ThreadPoolExecutor 實(shí)現(xiàn)了此接口，我們可以通過它來利用線程池的優(yōu)點(diǎn)。

線程池涉及到的類有：Executor,ExecutorService,ThreadExecutorPool,Executors,FixedThreadPool,CachedThreadPool,SingleThreadPool。

Executor只有一個(gè)方法，execute來提交一個(gè)任務(wù)

ExecutorService提供了管理異步任務(wù)的方法，也可以產(chǎn)生一個(gè)Future對(duì)象來跟蹤一個(gè)異步任務(wù)。

主要的方法如下:

• submit可以提交一個(gè)任務(wù)
• shutdown可以拒絕接受新任務(wù)
• shutdownNow可以拒絕新任務(wù)并向正在執(zhí)行的任務(wù)發(fā)出中斷信號(hào)
• invokeXXX批量執(zhí)行任務(wù)

ThreadPoolExecutor線程池的具體實(shí)現(xiàn)類。線程池的好處在于提高效率，能避免頻繁申請(qǐng)/回收線程帶來的開銷。

它的使用方法復(fù)雜一些，構(gòu)造線程池的可選參數(shù)有:

1. corePoolSize : int 工作的Worker的數(shù)量。
2. maximumPoolSize : int 線程池中持有的Worker的最大數(shù)量
3. keepAliveTime : long 當(dāng)超過Workder的數(shù)量corePoolSize的時(shí)候，如果沒有新的任務(wù)提交，超過corePoolSize的Worker的最長(zhǎng)等待時(shí)間。超過這個(gè)時(shí)間之后，一部分Worker將被回收。
4. unit : TimeUnit keepAliveTime的單位
5. workQueue : BlockingQueue 緩存任務(wù)的隊(duì)列, 這個(gè)隊(duì)列只緩存提交的Runnable任務(wù)。
6. threadFactory : ThreadFactory 產(chǎn)生線程的“工廠”
7. handler : RejectedExecutionHandler 當(dāng)一個(gè)任務(wù)被提交的時(shí)候，如果所有Worker都在工作并且超過了緩存隊(duì)列的容量的時(shí)候。會(huì)交給這個(gè)Handler處理。Java 中提供了幾種默認(rèn)的實(shí)現(xiàn)，AbortPolicy, CallerRunsPolicy, DiscardOldestPolicy, DiscardPolicy。

這里的Worker可以理解為一個(gè)線程。

這里之前想不通，覺得線程不可能重新利用綁定新任務(wù)。看了下源碼發(fā)現(xiàn)原來確實(shí)不是重新綁定任務(wù)。每一個(gè)Worker的核心部分只是一個(gè)循環(huán)，不斷從緩存隊(duì)列中取任務(wù)執(zhí)行。這樣達(dá)到了重用的效果。

final void runWorker(Worker w) {
    Runnable task = w.firstTask; // ... try { while(task != null || (task=getTask())!=null) { try{
                task.run();
            } catch(Exception e){
            } // ... }
    } finally { // ... } // ... }

Executors類提供了幾種默認(rèn)線程池的實(shí)現(xiàn)方式。

1. CachedThreadExecutor工作線程的數(shù)量沒有上限(Integer的最大值), 有需要就創(chuàng)建新線程。
2. FixedThreadExecutor預(yù)先一次分配固定數(shù)量的線程，之后不再需要?jiǎng)?chuàng)建新線程。
3. SingleThreadExecutor只有一個(gè)線程的線程池。如果提交了多個(gè)任務(wù)，那么這些人物將排隊(duì)，每個(gè)任務(wù)都在上一個(gè)人物執(zhí)行完之后執(zhí)行。所有任務(wù)都是按照它們的提交順序執(zhí)行的。

sleep(long)當(dāng)前線程 中止 一段時(shí)間。它不會(huì)釋放鎖。Java1.5之后提供了更加靈活的版本。

TimeUnit可以指定睡眠的時(shí)間單位。

優(yōu)先級(jí) 絕大多數(shù)情況下我們都應(yīng)該使用默認(rèn)的優(yōu)先級(jí)。不同的虛擬機(jī)中對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)級(jí)別的總數(shù)，一般用三個(gè)就可以了MAX_PRIORITY,NORM_PRIORITY,MIN_PRIORITY。

讓步 Thread.yield()建議相同優(yōu)先級(jí)的其它線程先運(yùn)行，但是不保證一定運(yùn)行其它線程。

后臺(tái)線程 一個(gè)進(jìn)程中的所有非后臺(tái)線程都終止的時(shí)候整個(gè)進(jìn)程也就終止，同時(shí)殺死所有后臺(tái)線程。與優(yōu)先級(jí)沒有什么關(guān)系。

join() 線程 A 持有線程T，當(dāng)在線程T調(diào)用T.join()之后，A會(huì)阻塞，直到T的任務(wù)結(jié)束�？梢约右粋�(gè)超時(shí)參數(shù)，這樣在超時(shí)之后線程A可以放棄等待繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

捕獲異常 不能跨線程捕獲異常。比如說不能在main線程中添加try-catch塊來捕獲其它線程中拋出的異常。每一個(gè)Thread對(duì)象都可以設(shè)置一個(gè)UncaughtExceptionHandler對(duì)象來處理本線程中拋出的異常。線程池中可以通過參數(shù)ThreadFactory來為每一個(gè)線程設(shè)置一個(gè)UncaughtExceptionHandler對(duì)象。

訪問共享資源

在處理并發(fā)的時(shí)候，將變量設(shè)置為private非常的重要，這可以防止其它線程直接訪問變量。

synchronized修飾方法在不加參數(shù)情況下，使用對(duì)象本身作為鎖。靜態(tài)方法使用Class對(duì)象作為鎖。同一個(gè)任務(wù)可以多次獲得對(duì)象鎖。

顯式鎖 Lock，相比synchronized更加靈活。但是需要的代碼更多，編寫出錯(cuò)的可能性也更高。只有在解決特殊問題或者提高效率的時(shí)候才用它。

原子性 原子操作就是永遠(yuǎn)不會(huì)被線程切換中斷的操作。很多看似原子的操作都是非原子的，比如說long,double是由兩個(gè)byte表示的，它們的所有操作都是非原子的。所以，涉及到并發(fā)異常的地方都加上同步吧。除非你對(duì)虛擬機(jī)十分的了解。

volatile 這個(gè)關(guān)鍵字的作用在于防止多線程環(huán)境下讀取變量的臟數(shù)據(jù)。這個(gè)關(guān)鍵字在c語言中也有，作用是相同的。

原子類 AtomicXXX類，它們能夠保證對(duì)數(shù)據(jù)的操作是滿足原子性的。這些類可以用來優(yōu)化多線程的執(zhí)行效率，減少鎖的使用。然而，使用難度還是比較高的。

臨界區(qū) synchronized關(guān)鍵字的用法。不是修飾整個(gè)方法，而是修飾一個(gè)代碼塊。它的作用在于盡量利用并發(fā)的效率，減少同步控制的區(qū)域。

ThreadLocal 這個(gè)概念與同步的概念不同。它是給每一個(gè)線程都創(chuàng)建一個(gè)變量的副本，并保持副本之間相互獨(dú)立，互不干擾。所以各個(gè)線程操作自己的副本，不會(huì)產(chǎn)生沖突。

終結(jié)任務(wù)

這里我講一下自己當(dāng)前的理解。

一個(gè)線程不是可以隨便中斷的。即使我們給線程設(shè)置了中斷狀態(tài)，它也還是可以獲得CPU時(shí)間片的。只有因?yàn)閟leep()方法而阻塞的線程可以立即收到InterruptedException異常，所以在sleep中斷任務(wù)的情況下可以直接使用try-catch跳出任務(wù)。其它情況下，均需要通過判斷線程狀態(tài)來判斷是否需要跳出任務(wù)(Thread.interrupted()方法)。

synchronized方法修飾的代碼不會(huì)在收到中斷信號(hào)后立即中斷。ReentrantLock鎖控制的同步代碼可以通過InterruptException中斷。

Thread.interrupted方法調(diào)用一次之后會(huì)立即清空中斷狀態(tài)�？梢宰约河米兞勘４鏍顟B(tài)。

線程協(xié)作

wait/notifyAll wait/notifyAll是Object類中的方法。調(diào)用wait/notifyAll方法的對(duì)象是互斥對(duì)象。因?yàn)镴ava中所有的Object都可以做互斥量(synchronized關(guān)鍵字的參數(shù)),所以wait/notify方法是在Object類中的。

wait與sleep 不同在于sleep方法是Thread類中的方法，調(diào)用它的時(shí)候不會(huì)釋放鎖；wait方法是Object類中的方法，調(diào)用它的時(shí)候會(huì)釋放鎖。

調(diào)用wait方法之前，當(dāng)前線程必須持有這段邏輯的鎖。否則會(huì)拋出異常，不能繼續(xù)執(zhí)行。

wait方法可以將當(dāng)前線程放入等待集合中，并釋放當(dāng)前線程持有的鎖。此后，該線程不會(huì)接收到CPU的調(diào)度，并進(jìn)入休眠狀態(tài)。有四種情況肯能打破這種狀態(tài)：

1. 有其它線程在此互斥對(duì)象上調(diào)用了notify方法，并且剛好選中了這個(gè)線程被喚醒；
2. 有其它線程在此互斥對(duì)象上調(diào)用了notifyAll方法；
3. 其它線程向此線程發(fā)出了中斷信號(hào)；
4. 等待時(shí)間超過了參數(shù)設(shè)置的時(shí)間。

線程一旦被喚醒之后，它會(huì)像正常線程一樣等待之前持有的所有鎖。直到恢復(fù)到wait方法調(diào)用之前的狀態(tài)。

還有一種不常見的情況，spurious wakeup(虛假喚醒)。就是在沒有notify，notifyAll，interrupt的時(shí)候線程自動(dòng)醒來。查了一些資料并沒有弄清楚是為什么。不過為了防止這種現(xiàn)象，我們要在wait的條件上加一層循環(huán)。

當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用wait方法之后，其它線程調(diào)用該線程的interrupt方法。該線程會(huì)喚醒，并嘗試恢復(fù)之前的狀態(tài)。當(dāng)狀態(tài)恢復(fù)之后，該線程會(huì)拋出一個(gè)異常。

notify 喚醒一個(gè)等待此對(duì)象的線程。
notifyAll 喚醒所有等待此對(duì)象的線程。

錯(cuò)失的信號(hào)

當(dāng)兩個(gè)線程使用notify/wait或者notifyAll/wait進(jìn)行協(xié)作的時(shí)候，不恰當(dāng)?shù)氖褂盟鼈兛赡軙?huì)導(dǎo)致一些信號(hào)丟失。例子：

T1: synchronized(shareMonitor){ // set up condition for T2 shareMonitor.notify();
}

T2: while(someCondition){ // Point 1 synchronized(shareMonitor){
        shareMonitor.wait();
    }
}

信號(hào)丟失是這樣發(fā)生的：

當(dāng)T2執(zhí)行到Point1的時(shí)候，線程調(diào)度器將工作線程從T2切換到T1。T1完成T2條件的設(shè)置工作之后，線程調(diào)度器將工作線程從T1切換回T2。雖然T2線程等待的條件已經(jīng)滿足，但還是會(huì)被掛起。

解決的方法比較簡(jiǎn)單：

T2: synchronized(sharedMonitor) { while(someCondition) {
        sharedMonitor.wait();
    }
}

將競(jìng)爭(zhēng)條件放到while循環(huán)的外面即可。在進(jìn)入while循環(huán)之后，在沒有調(diào)用wait方法釋放鎖之前，將不會(huì)進(jìn)入到T1線程造成信號(hào)丟失。

notify & notifyAll 前面已經(jīng)提過這兩個(gè)方法的區(qū)別。notify是隨機(jī)喚醒一個(gè)等待此鎖的線程，notifyAll是喚醒所有等待此鎖的線程。

Condition 他是concurrent類庫(kù)中顯式的掛起/喚醒任務(wù)的工具。它是真正的鎖(Lock)對(duì)象產(chǎn)生的一個(gè)對(duì)象。其實(shí)用法跟wait/notify是一致的。await掛起任務(wù)，signalAll()喚醒任務(wù)。

生產(chǎn)者消費(fèi)者隊(duì)列 Java中提供了一種非常簡(jiǎn)便的容器，BlockingQueue。已經(jīng)幫你寫好了阻塞式的隊(duì)列。

除了BlockingQueue，使用PipedWriter/PipedReader也可以方便的在線程之間傳遞數(shù)據(jù)。

死鎖

死鎖有四個(gè)必要條件，打破一個(gè)即可去除死鎖。

四個(gè)必要條件：

1. 互斥條件。 互斥條件：一個(gè)資源每次只能被一個(gè)進(jìn)程使用。
2. 請(qǐng)求與保持條件：一個(gè)線程因請(qǐng)求資源而阻塞時(shí)，對(duì)已獲得的資源保持不放。
3. 不剝奪條件:線程已獲得的資源，在末使用完之前，不能強(qiáng)行剝奪。
4. 循環(huán)等待條件:若干線程之間形成一種頭尾相接的循環(huán)等待資源關(guān)系。

本來自己翻譯，但發(fā)現(xiàn)百度上描述的更好一些，直接copy到這里來，并把進(jìn)程換成了線程。

其它工具

CountDownLatch同步多個(gè)任務(wù)，強(qiáng)制等待其它任務(wù)完成。它有兩個(gè)重要方法countDown,await以及構(gòu)造時(shí)傳入的參數(shù)SIZE。當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用await方法的時(shí)候會(huì)掛起，直到該對(duì)象收到SIZE次countDown。一個(gè)對(duì)象只能使用一次。

CyclicBarrier也是有一個(gè)SIZE參數(shù)。當(dāng)有SIZE個(gè)線程調(diào)用await的時(shí)候，全部線程都會(huì)被喚醒�？梢岳斫鉃樗�有運(yùn)動(dòng)員就位后才能起跑，早就位的運(yùn)動(dòng)員只能掛起等待。它可以重復(fù)利用。

DelayQueue一個(gè)無界的BlockingQueue，用來放置實(shí)現(xiàn)了Delay接口的對(duì)象，在隊(duì)列中的對(duì)象只有在到期之后才能被取走。如果沒有任何對(duì)象到期，就沒有頭元素。

PriorityBlockingQueue一種自帶優(yōu)先級(jí)的阻塞式隊(duì)列。

ScheduledExecutor可以把它想象成一種線程池式的Timer, TimerTask。

Semaphore互斥鎖只允許一個(gè)線程訪問資源，但是Semaphore允許SIZE個(gè)線程同時(shí)訪問資源。

Exchanger生產(chǎn)者消費(fèi)者問題的特殊版。兩個(gè)線程可以在都‘準(zhǔn)備好了’之后交換一個(gè)對(duì)象的控制權(quán)。

ReadWriteLock讀寫鎖。 讀-讀不互斥，讀-寫互斥，寫-寫互斥。

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