多线程（2）——线程的六种状态

1. 线程的所有状态

进程状态：

就绪：正在 cpu 上执行，或者随时可以去 cpu 上执行

阻塞：暂时不能参与 cpu 执行

Java 的线程，对于状态做了更详细的区分，不仅仅是就绪和阻塞了，六种：

NEW：当前 Thread 对象虽然有了，但是内核的线程还没有（还没调用 start）
TERMINATED：当前 Thread 对象虽然还在，但是内核的线程已经销毁了（线程已经结束了）
RUNNABLE：就绪状态，正在 cpu 上运行或随时可以去 cpu 上运行
BLOCKED：因为锁竞争引起的阻塞
TIMED_WAITNG：有超时时间的等待，比如 sleep 或者 join 带参数版本
WAITING：没有超时时间的等待 join /wait

上述线程状态都可以通过 jconsole 来观察

2. 线程安全

2.1 线程不安全代码：

public class Demo {
    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                count++;
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                count++;
            }
        });

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

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("count = " + count);
    }
}

我们预期结果为 100000，运行结果为：

实际运行结果与预期不符，这就是 bug

当把代码改为：

上面写法中 t1 先执行，t1 执行完，t2 再执行，t1 和 t2 是串行执行的，这样就没问题

而一开始的代码中 t1 和 t2 是并发执行的，是有 bug 的

像这样因为多个线程并发执行引起的 bug 称为“线程安全问题”或者叫做“线程不安全”

2.2 上例线程不安全的原因：

上述代码中的 count++ 操作，在 cpu 的视角来看，是 3 个指令

1) 把内存中的数据读取到 cpu 寄存器里（load）

2) 把 cpu 寄存器里的数据 +1 （add）

3) 把寄存器的值写回内存（save）

tip：由于不同架构的 cpu 有不同的指令集，不同的指令集里有不同的指令，针对这三个操作，不同 cpu 里的对应指令名称肯定是不同的！

cpu 在调度执行线程的时候，不一定什么时候就会把线程给切换走（抢占式执行，随机调度）

指令是 cpu 执行的最基本单位，要调度至少把当前指令执行完，不会执行一半调度走

但是由于这里 count++ 是三个指令，可能会出现 cpu 执行了其中的 1 个或 2 个或 3 个指令调度走的情况（都有可能，无法预测）

基于上面的情况，两个线程同时对 count 进行 ++ 就容易出现 bug

画图示例：

但上述的执行顺序，只是一种可能的调度顺序，由于调度过程是“随机”的，因此就会产生很多其他的执行顺序（下面就是得到不正确结果的调度，略写...）

tip：得到值 <50000 的特殊情况

上面这样，在 t1++ 一次的过程中，t2++ 两次，这样的结果一共是 ++3 次，实际上只得到了 1

这样 t1 和 t2 相互踩对方的结果就会出现 <50000 的情况（需要两个线程实际有效加的次数都得 < 2.5w）

2.3 线程不安全的原因

1) 线程在操作系统中是随机调度，抢占式执行（根本原因）

2) 多个线程同时修改同一个变量

3) 修改操作不是“原子”的

4) 内存可见性问题

5) 指令重排序

3. 解决线程不安全问题（synchronized 关键字 -- 监视器锁 monitor lock）

最主要的方法就是把“非原子”的修改成“原子”的

3.1 synchronized 使用

synchronized ( )，是关键字，不是函数，( ) 中的并非“参数”

需要指定一个“锁对象”，通过锁对象来进行后续的判定，这里的 ( ) 可以指定任何的对象

3.1.1 针对上面例子加锁：

{ } 中的代码就是需要加锁的代码，只要是合法的 Java 代码，都可以放入

执行过程分析：

由于 t1 和 t2 都是针对 locker 对象加锁，t1 先加锁成功了，所以 t1 继续执行 { } 中的代码，t2 后加锁，发现 locker 对象已经被其他线程加锁了，所以 t2 只能阻塞等待

又因为 t1 的 unlock 操作一定是在 save 之后，确保了 t2 执行 load 的时候，t1 已经 save ，这样两者进行 ++ 操作，就不会因为穿插执行而导致相互覆盖对方结果了

本质上是把随机的并发执行过程强制变成了串行

tip：

1. 锁对象，最重要的是看多个线程是否是同一个锁对象

针对同一个对象加锁，就会出现“阻塞”（锁竞争/锁冲突）

针对不同对象加锁，不会出现“阻塞”，两个线程仍然是随机调度的并发执行

2. 锁对象不能用 int，double 这种内置类型，必须是 Object 及其子类

3. 加锁代码是比 join 串行效率高很多的，加锁只是将线程中的一小部分逻辑变为“串行执行”，剩下的其他部分仍然可以并发执行

3.1.2 三个线程对同一个对象加锁

假设有 1，2，3 线程

1 先拿到锁，2 和 3 阻塞等待，当 1 释放锁后， 2 和 3 谁先拿到锁是不一定的，是随机的，即使在代码中是 2 先加锁，3 后加锁，也不一定谁先拿到

3.2 synchronized 特性

3.2.1 底层原理

synchronized 是 JVM 提供的功能，synchronized 底层实现就是在 JVM 中通过 C++ 代码实现的，也是依靠操作系统提供的 api 实现的加锁，操作系统的 api 则是来自于 cpu 上支持的特殊指令来实现的

因此，加锁操作并不是 Java 独有的，其他语言也有加锁操作

系统原生的加锁 api 其实是两个函数：lock()、unlock()

不仅仅原生 api 是这样，很多编程语言的加锁操作也是类似的封装方法，如 C++/Python 加锁是一个函数，解锁是一个函数，像 Java 这样通过 synchronized 关键字来同时完成加锁解锁是比较少见的

系统原生的这种做法一个最大的问题就是：unlock 可能会执行不到

3.2.2 加锁其他写法

一个 Java 进程中，一个类的类对象是只有唯一一个的，类对象也是对象，所以也能写到 synchronized( ) 里面，写类对象和写其他对象没有任何本质的区别

synchronized 修饰一个普通的方法

1) 相当于针对 this 加锁

2) synchronized 修饰一个静态方法

相当于针对对应的类对象加锁

static 方法没有 this ，其也叫做类方法，和具体的实例无关，只和类相关，而 this 是指向实例的

这样的写法就是在给类对象加锁

3.2.3 线程问题之——死锁

分析：

1) add 方法的 synchronized 想要拿到锁，就需要 for 循环中的 synchronized 释放锁

2) for 循环的 synchronized 想要释放锁就需要执行到 }

3) 要想执行到 } 就需要执行完这里的 add

4) 但是 add 正在阻塞中

出现死锁的三种场景：

1) 一个线程针对一把锁，连续加锁两次

但是当我们运行时，发现程序正常运行了，结果并没有问题，没有发生死锁，这是因为 Java 的 synchronized 为了减少我们写出死锁的概率，引入了 “可重入锁” 的特殊机制，解决了上述问题

2) 两个线程两把锁

线程1、线程2、锁A、锁B

线程 1 先对 A 加锁，线程 2 对 B 加锁；线程 1 不是放锁 A 的前提下，再对 B 加锁，同时线程 2 在不释放锁 B 的前提下，再对 A 加锁

public class Demo17 {
    private static Object locker1 = new Object();
    private static Object locker2 = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (locker1) {
                System.out.println("t1 加锁 locker1 完成");

                //这里的 sleep 是为了确保 t1 和 t2 都先分别拿到 locker1 和 locker2，然后再分别拿对方的锁
                //如果没有 sleep，执行顺序就不可控，可能会出现某个线程一下拿到两把锁，另一个线程还没执行，导致无法构造出死锁
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }

                synchronized (locker2) {
                    System.out.println("t1 加锁 locker2 完成");
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
           synchronized (locker2) {
               System.out.println("t2 加锁 locker2 完成");

               try {
                   Thread.sleep(1000);
               } catch (InterruptedException e) {
                   throw new RuntimeException(e);
               }

               synchronized (locker1) {
                   System.out.println("t2 加锁 locker1 完成");
               }
           }
        });

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

运行结果：