Java之线程篇三

线程状态

观察线程的所有状态

线程状态及其描述

线程状态转换

代码示例1

代码示例2

线程安全

概念

线程不安全的代码示例

线程不安全的原因

线程安全的代码示例-加锁

synchronized关键字

synchronized的特性

小结

形成死锁的四个必要条件

synchronized的使用示例

Java标准库中的线程安全类

线程状态

观察线程的所有状态

线程的状态是一个枚举类型 Thread.State

public class Demo11 {
    public static void main(String[] args) {
        for(Thread.State state:Thread.State.values())
            System.out.println(state);
    }
}

运行结果

线程状态及其描述

NEW：Thread对象已经有了，但是start方法还没调用；

RUNNABLE：就绪状态，线程已经在CPU上执行了/线程正在排队等待执行（即工作中或即将开始工作）；

TERMINATED：Thread对象还在，但是内核中的下线程已经没了，即工作完成了；

TIMED_WARTING：阻塞状态，由于sleep这种固定时间的方式产生的阻塞；

WAITING：阻塞，由于wait这种不固定时间的方式产生的阻塞；

BLOCKED：阻塞，由于锁竞争导致的阻塞。

线程状态转换

代码示例1

public class Demo11 {
    public static void main(String[] args) {
        Object object=new Object();

        Thread t1=new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (object){
                    while(true){
                        try {
                            Thread.sleep(1000);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            throw new RuntimeException(e);
                        }
                    }
                }
            }
        },"t1");
        t1.start();

        Thread t2=new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (object){
                    System.out.println("hello");
                }
            }
        },"t2");
        t2.start();
    }
}

通过jconsole可以看到t1的状态是TIMED_WAITING，t2的状态是BLOCKED。

代码示例2

public class Demo11 {
    public static void main(String[] args) {
        Object object=new Object();

        Thread t1=new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (object){
                    while(true){
                        try {
                            object.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            throw new RuntimeException(e);
                        }
                    }
                }
            }
        },"t1");
        t1.start();
    }
}

通过jconsole可以看到t1的状态是WAITING.

小结

BLOCKED表示等待获取锁，WAITING和TIMED_WAITING表示等待其它线程发来通知；

TIMED_WAITING线程在等待唤醒，但设置了时限；

WAITING线程在无限等待唤醒。

线程安全

概念

如果多线程环境下代码运行的结果是符合我们预期的，即在单线程环境应该的结果，则说这个程序是线程安全的。

线程不安全的代码示例

public class Demo12 {
    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);
    }
}

运行结果

结果与预期结果不一致且差别很大，显然上述代码是线程不安全的。

线程不安全的原因

1.修改共享数据

上述代码涉及到多线程（两个及两个以上的线程）针对同一个变量count进行修改。

2.原子性

一条Java语句不一定是原子的，也不一定只是一条指令。

比如count++，其实是由三步操作组成的：

1.从内存中把数据读取到CPU；

2.对变量count进行++；

3.把数据写回到内存。

如果一个线程正在对一个变量操作，中途其它线程插入进来了，如果这个操作被打断，结果就可能是错误的。

3.可见性

可见性指, 一个线程对共享变量值的修改，能够及时地被其他线程看到.

Java 内存模型 (JMM): Java虚拟机规范中定义了Java内存模型.
目的是屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果.

线程之间的共享变量存在主内存 (Main Memory).
每一个线程都有自己的 "工作内存" (Working Memory) .
当线程要读取一个共享变量的时候, 会先把变量从主内存拷贝到工作内存, 再从工作内存读取数据.
当线程要修改一个共享变量的时候, 也会先修改工作内存中的副本, 再同步回主内存.

由于每个线程有自己的工作内存, 这些工作内存中的内容相当于同一个共享变量的 "副本". 此时修改线程1 的工作内存中的值, 线程2 的工作内存不一定会及时变化.

4.指令重排序

如果是在单线程情况下，JVM、CPU指令集会对其进行优化，比如，原来是按1->2->3的方式执行，优化后可能会按 1->3->2的方式执行，也是没问题，可以少跑一次前台。这种叫做指令重排序。
编译器对于指令重排序的前提是 "保持逻辑不发生变化". 这一点在单线程环境下比较容易判断, 但
是在多线程环境下就没那么容易了, 多线程的代码执行复杂程度更高, 编译器很难在编译阶段对代
码的执行效果进行预测, 因此激进的重排序很容易导致优化后的逻辑和之前不等价.

线程安全的代码示例-加锁

public class Demo12 {
    private static int count=0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object locker=new Object();

        Thread t1=new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                synchronized (locker) {
                    count++;
                }
            }
        });

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

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

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

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

运行结果

synchronized关键字

synchronized的特性

1）互斥

synchronized 会起到互斥效果, 某个线程执行到某个对象的 synchronized 中时, 其他线程如果也执行到同一个对象 synchronized 就会阻塞等待.
进入 synchronized 修饰的代码块, 相当于加锁。
退出 synchronized 修饰的代码块, 相当于解锁。

synchronized用的锁是存在Java对象头里的。

synchronized 的底层是使用操作系统的 mutex lock 实现的 .

2）可重入

Java 中的 synchronized 是 可重入锁 ,

synchronized 同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题；

理解死锁

一个线程没有释放锁 , 然后又尝试再次加锁 .

// 第一次加锁, 加锁成功
lock();
// 第二次加锁, 锁已经被占用, 阻塞等待. 
lock();

按照之前对于锁的设定 , 第二次加锁的时候 , 就会阻塞等待 . 直到第一次的锁被释放 , 才能获取到第

二个锁 . 但是释放第一个锁也是由该线程来完成 , 结果这个线程已经躺平了 , 啥都不想干了 , 也就无

法进行解锁操作 . 这时候就会死锁 .

代码示例

static class Counter {
    public int count = 0;
    synchronized void increase() {
        count++;
   }
    synchronized void increase2() {
        increase();
   }
}

在上面的代码中, increase 和 increase2 两个方法都加了 synchronized, 此处的 synchronized 都是针对 this 当前对象加锁的.
在调用 increase2 的时候, 先加了一次锁, 执行到 increase 的时候, 又加了一次锁. (上个锁还没释
放, 相当于连续加两次锁)，这个代码是完全没问题的. 因为 synchronized 是可重入锁.

小结

在可重入锁的内部, 包含了 "线程持有者" 和 "计数器" 两个信息.
如果某个线程加锁的时候, 发现锁已经被人占用, 但是恰好占用的正是自己, 那么仍然可以继续获取到锁, 并让计数器自增.
解锁的时候计数器递减为 0 的时候, 才真正释放锁. (才能被别的线程获取到)

形成死锁的四个必要条件

死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。

1.互斥条件（锁的基本特性）

当一个线程持有一把锁之后，另一个线程也想要获取到锁，就要阻塞等待。

2.不可抢占条件（锁的基本特性）

当锁已经被线程1拿到之后，线程2只能等线程1主动释放，不能强行抢过来。

3.请求与保持条件（代码结构）

一个线程尝试获取多把锁，已经获取到部分数量的锁，但仍尝试获取其它线程已经占有的锁。

4.循环等待/环路等待（代码结构）

等待的依赖关系，形成了环。

这四个条件同时满足时，系统中就可能发生死锁。

解决死锁的方法通常包括死锁预防、死锁避免、死锁检测和死锁恢复等策略。

比如包括调整代码结构，避免循环等待；对锁进行编号，先加编号大的锁或编号小的锁。

synchronized的使用示例

synchronized 本质上要修改指定对象的 "对象头". 从使用角度来看, synchronized 也势必要搭配一个具体的对象来使用.

1.直接修饰普通方法

public class SynchronizedDemo {
    public synchronized void methond() {
   }
}

2.直接修饰静态方法

public class SynchronizedDemo {
    public synchronized static void method() {
   }
}

3.修饰代码块

锁当前对象

public class SynchronizedDemo {
    public void method() {
        synchronized (this) {
            
       }
   }
}

锁类对象

public class SynchronizedDemo {
    public void method() {
        synchronized (SynchronizedDemo.class) {
       }
   }
}

我们重点要理解，synchronized 锁的是什么. 两个线程竞争同一把锁, 才会产生阻塞等待.
两个线程分别尝试获取两把不同的锁, 不会产生竞争.

Java标准库中的线程安全类

Java 标准库中很多都是线程不安全的 . 这些类可能会涉及到多线程修改共享数据 , 又没有任何加锁措施 .

ArrayList

LinkedList

HashMap

TreeMap

HashSet

TreeSet

StringBuilder

但是还有一些是线程安全的 . 使用了一些锁机制来控制 .

Vector ( 不推荐使用 )

HashTable ( 不推荐使用 )

ConcurrentHashMap

StringBuffer

我们可以看到，例如StringBuffer类的成员，有不少是加锁的：