多线程高级知识点

1.ThreadLocal

1.1 什么是 ThreadLocal？

​ ThreadLocal 叫做本地线程变量，意思是说，ThreadLocal 中填充的的是当前线程的变量，该变量对其他线程而言是封闭且隔离的，ThreadLocal 为变量在每个线程中创建了一个副本，这样每个线程都可以访问自己内部的副本变量。

public class ThreadLocalTest {

    static ThreadLocal<String> t = new ThreadLocal<>();

    static void print(String str) {
        //打印当前线程中本地内存中本地变量的值
        System.out.println(str + " :" + t.get());
        //清除本地内存中的本地变量
        t.remove();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1  = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                //设置线程 1 中本地变量的值
                t.set("t1");
                //调用打印方法
                print("thread1");
                //打印本地变量
                System.out.println("after remove : " + t.get());
            }
        });

        Thread t2  = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                //设置线程 1 中本地变量的值
                t.set("t2");
                //调用打印方法
                print("thread2");
                //打印本地变量
                System.out.println("after remove : " + t.get());
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

1.2ThreadLocal 原理

​ ThreadLocal 类提供的几个方法：

public T get() { }//取值
public void set(T value) { }//设值
public void remove() { }//删除值
protected T initialValue() { }//初始化值默认返回 null，如果想在 get 之前不需要调用 set 就能正常访问的话，必须重写 initialValue() 方法。

​ ThreadLocal 类中的 set 方法和 getMap 方法：

/**
 * Sets the current thread's copy of this thread-local variable
 * to the specified value.  Most subclasses will have no need to
 * override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
 * method to set the values of thread-locals.
 *
 * @param value the value to be stored in the current thread's copy of
 *        this thread-local.
 */
public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

​ 我们可以发现调用 ThreadLocal 的 set 方法时，传入的参数 value 会存入到一个 ThreadLocalMap 对象中。接着，我们找找 ThreadLocalMap 是从哪里来的，通过 getMap 方法，我们也不难发现 ThreadLocalMap 对象，就是当前线程的一个成员变量 threadLocals。

​ 也就是说，每次我们每次往 ThreadLocal 中 set 值就是存入了当前线程对象的 threadLocals 属性里，而 threadLocals 的类型是 ThreadLocalMap。ThreadLocalMap 可以理解为 ThreadLocal 类实现的定制化的 HashMap。

​ ThreadLocal 的 get 方法源码：

/**
 * Returns the value in the current thread's copy of this
 * thread-local variable.  If the variable has no value for the
 * current thread, it is first initialized to the value returned
 * by an invocation of the {@link #initialValue} method.
 *
 * @return the current thread's value of this thread-local
 */
public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
     if (map != null) {
         ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
         if (e != null) {
             T result = (T)e.value;
             return result;
         }
     }
     return setInitialValue();
}

​ 同 set 方法一样，也是先根据当前线程获取 ThreadLocalMap 对象，然后在 map 中取值。

1.3 有哪些应用场景？

• 在进行对象跨层传递的时候，使用 ThreadLocal 可以避免多次传递，打破层次间的约束。
• 线程间数据隔离
• 进行事务操作，用于存储线程事务信息。
• 数据库连接，Session 会话管理。

1.4 ThreadLocal 是否会内存泄漏？

​ Java 中的内存泄露，广义并通俗的说，就是：不再会被使用的对象的内存不能被回收，就是内存泄露。

​ 当仅仅只有 ThreadLocalMap 中的 Entry 的 key 指向 ThreadLocal 的时候，ThreadLocal 会进行回收的！！！

​ ThreadLocal 被垃圾回收后，在 ThreadLocalMap 里对应的 Entry 的键值会变成 null，但是 Entry 是强引用，那么 Entry 里面存储的 Object，并没有办法进行回收，所以有内存泄漏的风险。

弱引用也是用来描述非必需对象的，当 JVM 进行垃圾回收时，无论内存是否充足，该对象仅仅被弱引用关联，那么就会被回收。

2. 线程池

2.1 什么是线程池？

​ 线程池，本质上是一种对象池，用于管理线程资源。 在任务执行前，需要从线程池中拿出线程来执行。 在任务执行完成之后，需要把线程放回线程池。 通过线程的这种反复利用机制，可以有效地避免直接创建线程所带来的坏处。

2.2 为什么使用线程池？

• 降低资源消耗，通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
• 提高响应速度，当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就立即执行。
• 提高线程的可管理性，线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以统一分配。

2.3 线程池实现原理

​ 通过上图，我们看到了线程池的主要处理流程。我们的关注点在于，任务提交之后是怎么执行的。大致如下：

1. 判断核心线程池是否已满，如果不是，则创建线程执行任务
2. 如果核心线程池满了，判断队列是否满了，如果队列没满，将任务放在队列中
3. 如果队列满了，则判断线程池是否已满，如果没满，创建线程执行任务
4. 如果线程池也满了，则按照拒绝策略对任务进行处理。

2.4 拒绝策略

​ jdk 自带 4 种拒绝策略：

1. CallerRunsPolicy ：当任务添加到线程池中被拒绝时，会在线程池当前正在运行的 Thread 线程池中处理被拒绝的任务。
2. AbortPolicy ： 当任务添加到线程池中被拒绝时，它将抛出 RejectedExecutionException 异常。
3. DiscardPolicy ：当任务添加到线程池中被拒绝时，线程池将丢弃被拒绝的任务。JDK 默认策略。
4. DiscardOldestPolicy ：当任务添加到线程池中被拒绝时，线程池会放弃等待队列中最旧的未处理任务，然后将被拒绝的任务添加到等待队列中。

​ 这四种策略各有优劣，比较常用的是DiscardPolicy，但是这种策略有一个弊端就是任务执行的轨迹不会被记录下来。所以，我们往往需要实现自定义的拒绝策略， 通过实现RejectedExecutionHandler接口的方式。

2.5 execute() 和 submit() 区别？

​ execute(）和 submit() 的区别主要两点：

• execute(）方法只能执行 Runnable 类型的任务。submit () 方法可以执行 Runnable 和 ca11ab1e 类型的任务。
• submit(）方法可以返回持有计算结果的 Future 对象，同时还可以抛出异常，而 execute() 方法不可以。

换句话说就是，execute（）方法用于提交不需要返回值的任务， submit (）方法用于需要提交返回值的 任务。

2.6 shutdown() 和 shutdownNow() 区别？

• shutdown()会将线程池状态置为SHUTDOWN，不再接受新的任务，同时会等待线程池中已有的任务执行完成再结束。
• shutdownNow()会将线程池状态置为SHUTDOWN，对所有线程执行interrupt()操作，清空队列，并将队列中的任务返回回来。

3. volatile

3.1 volatile 的作用

​ 一般作于变量，在多处理器开发的过程中保证了内存的可见性，适用于一写多读的场景。相比于 synchronized 关键字，volatile 关键字的执行成本更低，效率更高。

3.2 volatile 的特性

​ 并发编程的三大特性为可见性、有序性和原子性。通常来讲 volatile 可以保证可见性和有序性。

• 可见性：volatile 可以保证不同线程对共享变量进行操作时的可见性。即当一个线程修改了共享变量时，另一个线程可以读取到共享变量被修改后的值。
• 有序性：volatile 会通过禁止指令重排序进而保证有序性。
• 原子性：对于单个的 volatile 修饰的变量的读写是可以保证原子性的，但对于 i++ 这种复合操作并不能保证原子性。这句话的意思基本上就是说 volatile 不具备原子性了。

3.3 volatile 和 synchronized 区别？

• volatile 是在告诉 jvm 当前变量在寄存器（工作内存）中的值是不确定的，需要从主存中读取，synchronized 则是锁定当前变量，只有当前线程可以访问该变量，其他线程被阻塞住。
• volatile 仅能使用在变量级别；synchronized 则可以使用在变量、方法和类级别的
• volatile 仅能实现变量的修改可见性，不能保证原子性；而 synchronized 则可以保证变量的修改可见性和原子性
• volatile 不会造成线程的阻塞；synchronized 可能会造成线程的阻塞。
• volatile 标记的变量不会被编译器优化；synchronized 标记的变量可以被编译器优化

4. 常见锁

4.1 乐观锁 VS 悲观锁

​ 乐观锁与悲观锁是一种广义上的概念，体现了看待线程同步的不同角度。

​ 悲观锁认为自己在使用数据的时候一定有别的线程来修改数据，因此在获取数据的时候会先加锁，确保数据不会被别的线程修改。

​ 乐观锁认为自己在使用数据时不会有别的线程修改数据，所以不会添加锁，只是在更新数据的时候去判断之前有没有别的线程更新了这个数据。如果这个数据没有被更新，当前线程将自己修改的数据成功写入。如果数据已经被其他线程更新，则根据不同的实现方式执行不同的操作（例如报错或者自动重试）。

悲观锁适合写操作多的场景，先加锁可以保证写操作时数据正确。

乐观锁适合读操作多的场景，不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅提升。

4.2 自旋锁 VS 适应性自旋锁

​ 阻塞或唤醒一个 Java 线程需要操作系统切换 CPU 状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间。如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。

​ 在许多场景中，同步资源的锁定时间很短，为了这一小段时间去切换线程，线程挂起和恢复现场的花费可能会让系统得不偿失。如果物理机器有多个处理器，能够让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面那个请求锁的线程不放弃 CPU 的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。

​ 而为了让当前线程“稍等一下”，我们需让当前线程进行自旋，如果在自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。这就是自旋锁。

​ 自旋锁本身是有缺点的，它不能代替阻塞。自旋等待虽然避免了线程切换的开销，但它要占用处理器时间。如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好。反之，如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白浪费处理器资源。所以，自旋等待的时间必须要有一定的限度，如果自旋超过了限定次数（默认是 10 次，可以使用-XX:PreBlockSpin 来更改）没有成功获得锁，就应当挂起线程。

​ 自适应的自旋锁（适应性自旋锁）自适应意味着自旋的时间（次数）不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，直接阻塞线程，避免浪费处理器资源。

4.3 可重入锁 VS 非可重入锁

​ 可重入锁又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，再进入该线程的内层方法会自动获取锁（前提锁对象得是同一个对象或者 class），不会因为之前已经获取过还没释放而阻塞。

​ 非可重入锁，则与上面相反，会线程出现死锁，整个等待队列中的所有线程都无法被唤醒。

4.4 独享锁 VS 共享锁

​ 独享锁也叫排他锁，是指该锁一次只能被一个线程所持有。如果线程 T 对数据 A 加上排它锁后，则其他线程不能再对 A 加任何类型的锁。获得排它锁的线程即能读数据又能修改数据。

​ 共享锁是指该锁可被多个线程所持有。如果线程 T 对数据 A 加上共享锁后，则其他线程只能对 A 再加共享锁，不能加排它锁。获得共享锁的线程只能读数据，不能修改数据。

4.5 公平锁 VS 非公平锁

​ 公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁。公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU 唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大。

​ 非公平锁是多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁，所以非公平锁有可能出现后申请锁的线程先获取锁的场景。非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU 不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。

5. 线程间通信

5.1 线程间通信

​ Java 线程通信是将多个独立的线程个体进行关联处理，使得线程与线程之间能进行相互通信。比如线程 A 修改了对象的值，然后通知给线程 B，使线程 B 能够知道线程 A 修改的值，这就是线程通信。

5.2 wait/notify 机制

​ 一个线程调用 Object 的 wait() 方法，使其线程被阻塞；另一线程调用 Object 的 notify()/notifyAll() 方法，wait() 阻塞的线程继续执行。

• wait()：让当前线程释放对象锁并进入等待（阻塞）状态。
• notify()：唤醒一个正在等待相应对象锁的线程，使其进入就绪队列，以便在当前线程释放锁后竞争锁，进而得到 CPU 的执行。
• notifyAll()：唤醒所有正在等待相应对象锁的线程，使它们进入就绪队列，以便在当前线程释放锁后竞争锁，进而得到 CPU 的执行。

wait()、notify() 和 notifyAll() 三个方法来实现，这三个方法均非 Thread 类中所声明的方法，而是 Object 类中声明的方法。原因是每个对象都拥有 monitor（锁），所以让当前线程等待某个对象的锁，当然应该通过这个对象来操作，而不是用当前线程来操作，因为当前线程可能会等待多个线程的锁，如果通过线程来操作，就非常复杂了。