Java 多线程基础

一、相关概念

1. 程序、进程和线程

• 程序（program）：为完成特定任务，用某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码，静态对象。

• 进程（process）：程序的一次执行过程，或是正在内存中运行的应用程序。如：运行中的钉钉、idea等。

  • 每个进程都有一个独立的内存空间，系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。（生命周期）
  • 程序是静态的，进程是动态的
  • 进程作为操作系统调度和分配资源的最小单位（亦是系统运行程序的基本单位），系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域。
  • 如今的操作系统，大都是支持多进程的，支持同时运行多个程序。

• 线程（thread）：进程可进一步细化为线程，是程序内部的一条执行路径。一个进程中至少有一个线程。

  • 一个进程同一时间若并行执行多个线程，就是支持多线程的。
  • 线程作为CPU调度和执行的最小单位。
  • 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元，它们从同一个堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患。（同步）
  • 在 JVM 的运行时内存中，方法区和堆是线程共享的区域，虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是线程私有的区域。

  注意：

  不同的进程之间是不共享内存的。

  进程之间的数据交换和通信的成本很高。

2. 线程调度

线程调度是指操作系统或虚拟机控制多个线程被执行的顺序和优先级的过程。线程调度决定了哪些线程优先于其它线程执行，在什么时候执行，以及执行多长时间。在 Java 中，线程调度由 JVM 进行控制。

• 分时调度

  所有线程轮流使用 CPU 的使用权，并且平均分配每个线程占用 CPU 的时间。

• 抢占式调度

  让优先级高的线程以较大的概率优先使用 CPU。如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个(线程随机性)，Java 使用的为抢占式调度。

3. 并行与并发

• 并行（parallel）：指两个或多个事件在同一时刻发生（同时发生）。即在同一时刻，有多条指令在多个CPU上同时执行。
• 并发（concurrency）：指两个或多个事件在同一个时间段内发生。即在一段时间内，有多条指令在单个CPU上快速轮换、交替执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果。

在操作系统中，启动了多个程序，并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行。

这在单核 CPU 系统中，每一时刻只能有一个程序执行，即微观上这些程序是分时的交替运行，只不过是给人的感觉是同时运行，那是因为分时交替运行的时间是非常短的。

而在多核 CPU 系统中，则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个CPU上，实现多任务并行执行，即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序，这样多个程序便可以同时执行。

单核 CPU 和多核 CPU 是处理器的两种类型：

• 单核 CPU 只有一个物理处理器核心可以执行一条指令
• 多核 CPU 则包含多个物理处理器核心，可以同时执行多条指令

二、线程的创建

Java 语言的 JVM 允许程序运行多个线程，使用 java.lang.Thread 类代表线程，所有的线程对象都必须是 Thread 类或其子类的实例。

Thread 类的特性如下：

• 每个线程都是通过某个特定 Thread 对象的 run() 方法来完成操作的，因此把 run() 方法体称为线程执行体。
• 通过该 Thread 对象的 start() 方法来启动这个线程，而非直接调用 run() 方法。
• 要想实现多线程，必须在主线程中创建新的线程对象。

1. 继承 Thread 类

Java 通过继承 Thread 类来创建并启动多线程的步骤如下：

• 定义 Thread 类的子类，并重写该类的 run() 方法，该 run() 方法的方法体就代表了线程需要完成的任务
• 创建 Thread 子类的实例，即创建了线程对象
• 调用线程对象的 start() 方法来启动该线程

启动线程的 start() 方法实际上调用的是内部 start0() 方法，start0() 是一个本地方法，底层是 C/C++ 实现，由 JVM 调用，最终会执行我们重写的 run() 方法。

run() 方法由 JVM 调用，什么时候调用，执行的过程控制都有操作系统的 CPU 调度决定

private native void start0();

代码如下：

/**
 * Description: 自定义继承Thread类的线程类，并重写run()方法
 */
public class MyThread extends Thread {
    public MyThread(String name) {
        //调用父类的String参数的构造方法，指定线程的名称
        super.setName(name);
    }
    
    //重写run()方法
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            try {
                //睡眠模拟业务场景，能够更好的看出多线程的结果
                Thread.sleep(800);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println(this.getName() + "..." + i);
        }
    }
}

测试如下：

/**
 * Description: 继承Thread类方式创建线程的测试
 */
public class MyThreadTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //创建自定义子线程对象
        MyThread thread = new MyThread("线程1");
        //开启子线程
        thread.start();
        //主线程
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread.sleep(500);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "..." + i);
        }
    }
}

可以使用匿名内部类的方式来创建线程，具体如下：

new Thread("线程1"){
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			System.out.println(this.getName()+"..."+i);
		}
	}
}.start();

注意：

• 如果自己手动调用 run() 方法，那么就只是普通方法，没有启动多线程模式。

• run() 方法由 JVM 调用，什么时候调用，执行的过程控制都有操作系统的 CPU 调度决定。

• 想要启动多线程，必须调用 start() 方法。

• 一个线程对象只能调用一次 start() 方法启动，如果重复调用了，则将抛出以下异常“IllegalThreadStateException”。

2. 实现 Runnable 接口

Java 有单继承的限制，当我们无法继承 Thread 类时，我们可以通过实现 Runnable 接口的方式来创建线程

具体实现步骤如下：

• 定义 Runnable 接口的实现类，并重写该接口的 run() 方法，该 run() 方法的方法体同样是该线程的线程执行体。

• 创建 Runnable 实现类的实例，并以此实例作为 Thread 的 target 参数来创建 Thread 对象，该 Thread 对象才是真正的线程对象。

• 调用线程对象的 start() 方法，启动线程。

代码如下：

/**
 * Description: 自定义实现Runnable接口的线程类，并重写run()方法
 */
public class MyRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            try {
                //睡眠模拟业务场景，能够更好的看出多线程的结果
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "..." + i);
        }
    }
}

测试如下：

/**
 * Description: 实现Runnable接口方式创建线程的测试
 */
public class MyRunnableTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //创建自定义类对象  线程任务对象
        MyRunnable runnable = new MyRunnable();
        //创建线程对象
        Thread thread = new Thread(runnable, "子线程");
        //开启子线程
        thread.start();

        //主线程
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread.sleep(500);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "..." + i);
        }
    }
}

可以使用 Lambda 表达式的方法创建，具体如下：

//lambda表达式的方式创建线程
new Thread(() -> {
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + i);
    }
}, "Lambda Thread ").start();

说明：

Runnable 对象仅仅作为 Thread 对象的 target（即构造函数中的参数），Runnable 实现类里包含的 run() 方法仅作为线程执行体。而实际的线程对象依然是Thread 实例，只是该 Thread 线程负责执行其 target 的 run() 方法。

实现 Runnable 接口和继承 Thread 类两种方式的区别：

联系

Thread 类实际上也是实现了 Runnable 接口的类。

public class Thread implements Runnable

区别

• 继承 Thread 类：线程代码存放 Thread 子类 run() 方法中。

• 实现 Runnable 接口：线程代码存在接口的子类的 run() 方法。

实现 Runnable 接口比继承 Thread 类所具有的优势：

• 避免了单继承的局限性
• 多个线程可以共享同一个接口实现类的对象，非常适合多个相同线程来处理同一份资源。
• 增加程序的健壮性，实现解耦操作，代码可以被多个线程共享，代码和线程独立。

3. 实现 Callable 接口

此方式最大的目的是：使用 Callable 接口限定的功能 + Future 接口限定的功能 = 汇总各个线程执行结果

最终执行汇总操作的这一步会被阻塞，直到前面各个线程完成了计算。

具体实现步骤如下：

• 定义 Callable 接口的实现类，并重写该接口的 call() 方法，该 call() 方法的方法体同样是该线程的线程执行体。

• 创建 Callable 实现类的实例，并以此实例作为 FutureTask 的 callable 参数来创建 FutureTask 对象。

• 将 FutureTask 的对象作为参数传递到 Thread 类的构造器中，创建 Thread 对象，该 Thread 对象才是真正的线程对象

• 调用线程对象的 start() 方法，启动线程。

**Callable 接口和 Runnable 接口的区别：**与使用 Runnable 接口相比， Callable 接口功能更强大些

• 返回值不同：Runnable 接口没有返回值，而 Callable 接口支持泛型的返回值（需要借助 FutureTask 类，获取返回结果）。
• 异常处理不同：Runnable 接口中的 run() 方法不能抛出受检查的异常，但是 Callable 接口中的 call() 方法可以抛出受检查的异常，并且可以通过返回值来处理异常信息。
• 实现方法不同：在 Runnable 接口中需要实现 run() 方法，而在 Callable 接口中需要实现 call() 方法。
• 执行方式不同：Runnable 通常使用 Thread 类来执行，而 Callable 通常使用 ExecutorService 来执行。

缺点：在获取分线程执行结果的时候，当前线程（或是主线程）受阻塞，效率较低。

FutureTask 类的关系图如下：

• Future 接口可以对具体 Runnable、Callable 任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等。
• FutureTask 是 Futrue 接口的唯一的实现类
• FutureTask 同时实现了 Runnable, Future 接口。它既可以作为 Runnable 被线程执行，又可以作为 Future 得到 Callable 的返回值

Future 接口

• boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：停止任务。如果尚未启动，它将停止任务。如果已启动，则仅在 mayInterrupt 为 true 时才会中断任务。
• V get() throws InterruptedException, ExecutionException：获取任务的结果。如果任务完成，它将立即返回结果，否则将等待任务完成，然后返回结果。
• boolean isDone()：判断任务是否完成。如果任务完成，则返回true，否则返回false。

FutureTask 类构造器

• public FutureTask(Callable<V> callable)：使用 Callable 接口创建一个 FutureTask 对象，适用于需要返回计算结果的场景。Callable 的 call() 方法在 FutureTask 对象成功执行后被调用，返回的结果被存储在该对象中。
• public FutureTask(Runnable runnable, V result)：使用 Runnable 接口创建一个 FutureTask 对象，但也是马上通过适配器模式把 Runnable 接口包装成一个 Callable 接口而已。

FutureTask 类兼具 Runnable 和 Future 接口的功能，并方便地将两种功能组合在一起。关于 FutureTask 类的使用有如下建议：

• 在主线程中需要执行比较耗时的操作时，但又不想阻塞主线程时，可以把这些作业交给 Future 对象在后台完成
• 当主线程将来需要时，就可以通过 Future 对象获得后台作业的计算结果或者执行状态
• 一般 FutureTask 多用于耗时的计算，主线程可以在完成自己的任务后，再去获取结果。
• 仅在计算完成时才能检索结果；如果计算尚未完成，则阻塞 get() 方法
• 一旦计算完成，就不能再重新开始或取消计算
• get() 方法而获取结果只有在计算完成时获取，否则会一直阻塞直到任务转入完成状态，然后会返回结果或者抛出异常
• get() 只执行一次，因此 get() 方法放到最后

public class CallableTest {
    public static void main(String[] args) {
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(() -> {
            int sum = 0;
            for (int i = 1; i <= 100; i++) {
                if (i % 2 == 0) {
                    System.out.println(i);
                    sum += i;
                }
            }
            return sum;
        });
        //创建线程，注意，此处使用的构造器是 Thread(Runnable target)
        new Thread(futureTask).start();

        try {
            //get()返回值即为FutureTask构造器参数Callable实现类重写的call()的返回值。
            Integer sum = futureTask.get();
            System.out.println("总和为：" + sum);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (ExecutionException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

4. 线程池

如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率，因为频繁创建线程和销毁线程需要时间。这时候我们可以使用线程池。线程池可以帮我们提前创建好多个线程，放入池中，使用时直接获取，使用完放回池中。

好处：

• 提高响应速度（减少了创建新线程的时间）

• 降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）

• 便于线程管理

7 个核心参数：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler)

• corePoolSize：线程池的核心线程数量，即线程池中可以保持活动状态的最小线程数。当提交的任务数超过核心线程数量时，线程池可以创建更多的线程来执行任务。
• maximumPoolSize：线程池中允许同时存在的最大线程数量，即当任务数超过核心线程数量时，线程池可以创建的最大线程数量。当线程池中的线程数量已经达到最大值且任务队列已满时，可以采取拒绝策略处理过多的任务。可以在创建线程池时指定最大线程数，也可以在运行时动态地修改。
• keepAliveTime：线程空闲后的存活时间。当线程池中的线程数量超过核心线程数时，空闲的线程会在等待新任务到来的过程中等待一段时间，如果等待时间超过了keepAliveTime，则该线程会被销毁，以释放资源。
• unit：keepAliveTime的单位，可以是毫秒、微秒、纳秒等等。
• workQueue：线程池中用于保存等待中任务的阻塞队列。
• threadFactory：线程工厂，用于创建线程的工厂，可以自定义实现。
• handler：当线程池已经关闭或已满时，新任务的处理策略。默认情况下，线程池采取的处理方式是AbortPolicy，即抛出异常；还有其他的处理策略，包括CallerRunsPolicy（调用者处理）、DiscardOldestPolicy（抛弃最老的任务）和DiscardPolicy（抛弃最新的任务）。可以通过实现RejectedExecutionHandler 接口自定义处理方式。

线程池相关API

• JDK5.0 之前，我们必须手动自定义线程池。从 JDK5.0 开始，Java 内置线程池相关的 API。在 java.util.concurrent 包下提供了线程池相关 API：ExecutorService 和 Executors。
• ExecutorService：真正的线程池接口。常见子类 ThreadPoolExecutor
  • void execute(Runnable command) ：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行 Runnable
  • <T> Future<T> submit(Callable<T> task)：执行任务，有返回值，一般用来执行 Callable
  • void shutdown() ：关闭连接池
• Executors：一个线程池的工厂类，通过此类的静态工厂方法可以创建多种类型的线程池对象。
  • Executors.newCachedThreadPool()：创建一个可根据需要创建新线程的线程池。该线程池中的线程数量不固定，可以根据需求创建新的线程来执行任务。当线程池中的线程闲置时间超过60秒时，该线程会被销毁。如果需要执行大量短时间的任务，使用该线程池可以提高线程的复用率，避免创建过多的线程造成系统资源的浪费。
  • Executors.newFixedThreadPool(int nThreads)：创建一个可重用固定线程数的线程池。线程数量为 nThreads ，该线程池中的线程数量始终为nThreads。当所有的线程都在活跃状态，无法接受更多的任务时。新的任务会被放在一个阻塞队列中等待执行。
  • Executors.newSingleThreadExecutor()：创建一个只有一个线程的线程池。适用于需要保证任务执行顺序的场景。该线程池中只有一个线程，可以依次执行每个任务，并且可以保证任务按照提交的顺序依次执行。如果这个线程由于异常退出，则会被新的线程代替。
  • Executors.newScheduledThreadPool(int corePoolSize)：创建一个定时执行任务的线程池。该线程池中的线程可以执行延迟和定期的任务。当需要在固定的延迟时间后执行某个任务，或者需要周期性地执行某个任务时，可以使用该线程池来完成任务。

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        //1. 提供指定线程数量的线程池
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);

        //2.执行指定的线程的操作。需要提供实现Runnable接口或Callable接口实现类的对象
        service.execute(() -> {
            for(int i = 0;i <= 100;i++){
                if(i % 2 == 0){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
                }
            }
        });
        service.execute(() -> {
            for(int i = 0;i <= 100;i++){
                if(i % 2 != 0){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
                }
            }
        });

        try {
            Future future = service.submit(() -> {
                //记录偶数的和
                int evenSum = 0;
                for(int i = 0;i <= 100;i++){
                    if(i % 2 == 0){
                        evenSum += i;
                    }
                }
                return evenSum;
            });
            System.out.println("总和为：" + future.get());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //3.关闭连接池
        service.shutdown();
    }
}

三、Thread 类常用方法

1. 构造方法

• public Thread()：分配一个新的线程对象。
• public Thread(String name)：分配一个指定名字的新的线程对象。
• public Thread(Runnable target)：指定创建线程的目标对象，它实现了Runnable接口中的run方法。
• public Thread(Runnable target, String name)：分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。

2. 常用方法

• public void run()：线程要执行的任务在此处定义代码。

• public void start()：启动线程开始执行；Java虚拟机调用此线程的 run() 方法。

• public String getName()：获取当前线程名称。

• public void setName(String name)：设置该线程名称。

• public static native Thread currentThread()：返回对当前正在执行的线程对象的引用。在 Thread 子类中就是 this，通常用于主线程和 Runnable 实现类。

• public static native void sleep(long millis)：使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停（暂时停止执行）。

• public static native void yield()：yield() 只是让当前线程暂停一下，让系统的线程调度器重新调度一次，希望优先级与当前线程相同或更高的其他线程能够获得执行机会，但是这个不能保证，完全有可能的情况是，当某个线程调用了 yield() 方法暂停之后，线程调度器又将其调度出来重新执行。

• public void join()：等待该线程终止。

  public void join(long millis)：等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒。如果 millis 时间到，将不再等待。

  public void join(long millis, int nanos)：等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒 + nanos 纳秒。

/**
 * Description:
 * - 实现打印[1,100]之间的偶数，要求每隔1秒打印1个偶数。
 * - 实现打印[1,100]之间的奇数，
 * 	-> 当打印到5时，让奇数线程暂停一下，再继续。
 * 	-> 当打印到5时，让奇数线程停下来，让偶数线程执行完再打印。
 */
public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        //打印偶数
        Thread oddThread = new Thread(() -> {
            for (int i = 2; i <= 100; i += 2) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + i);
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        },);
        oddThread.setName("偶数线程");
        oddThread.start();

        //打印奇数
        new Thread(() -> {
            for (int i = 1; i <= 100; i += 2) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + i);
                if (i == 5) {
                    //暂停一下，重新调度
                    //Thread.yield();
                    try {
                        //实现奇数线程的插队
                        oddThread.join();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
            }
        }, "奇数线程").start();
    }
}

3. 其他方法

• public native boolean isAlive()：测试线程是否处于活动状态。如果线程已经启动且尚未终止，则为活动状态。
• public void stop()：已过时，不建议使用。强行结束一个线程的执行，直接进入死亡状态。run() 即刻停止，可能会导致一些清理性的工作得不到完成，如文件，数据库等的关闭。同时，会立即释放该线程所持有的所有的锁，导致数据得不到同步的处理，出现数据不一致的问题。
• void suspend() / void resume() : 这两个操作就好比播放器的暂停和恢复。二者必须成对出现，否则非常容易发生死锁。suspend() 调用会导致线程暂停，但不会释放任何锁资源，导致其它线程都无法访问被它占用的锁，直到调用 resume()。已过时，不建议使用。

每个线程都有一定的优先级，同优先级线程组成先进先出队列（先到先服务），使用分时调度策略。优先级高的线程采用抢占式策略，获得较多的执行机会。每个线程默认的优先级都与创建它的父线程具有相同的优先级。

• Thread 类的三个优先级常量：
  • MAX_PRIORITY（10）：最高优先级
  • MIN _PRIORITY （1）：最低优先级
  • NORM_PRIORITY （5）：普通优先级，默认情况下 main 线程具有普通优先级。

• public int getPriority() ：返回线程优先级。
• public void setPriority(int newPriority) ：改变线程的优先级，范围在[1,10]之间。

优先级高的线程不一定会比优先级低的线程先执行。

原因是线程的优先级只是给 JVM 一个提示，而不是一个硬性的规定。虽然高优先级的线程倾向于被优先调度，但是仍然会受到其他因素的影响，例如系统的负载和线程的 I/O 操作等，因此无法保证高优先级的线程一定会比其他线程先执行。

有一种线程，它是在后台运行的，它的任务是为其他线程提供服务的，这种线程被称为“守护线程”。JVM 的垃圾回收线程就是典型的守护线程。

守护线程有个特点，就是如果所有非守护线程都死亡，那么守护线程自动死亡。形象理解：兔死狗烹，鸟尽弓藏

• public void setDaemon(boolean on)：将指定线程设置为守护线程。必须在线程启动之前设置，否则会报IllegalThreadStateException异常。
• public boolean isDaemon()：判断线程是否是守护线程。

四、线程的生命周期

在 java.lang.Thread.State 枚举类中这样定义：

public enum State {
    NEW,
    RUNNABLE,
    BLOCKED,
    WAITING,
    TIMED_WAITING,
    TERMINATED;
}

1. NEW（新建）

当一个 Thread 类或其子类的对象被声明并创建时，新生的线程对象处于新建状态。此时它和其他 Java 对象一样，仅仅由 JVM 为其分配了内存，并初始化了实例变量的值。此时还没调用 start() 方法。

2. RUNNABLE（可运行）

线程对象调用了 start() 方法之后。又可细分为两种状态：

• READY（准备）：JVM 会为其创建方法调用栈和程序计数器，当然，处于这个状态中的线程并没有开始运行，只是表示已具备了运行的条件，随时可以被调度。至于什么时候被调度，取决于 JVM 里线程调度器的调度。
• RUNNING（运行）：如果处于准备状态的线程获得了 CPU 资源时，开始执行 run() 方法的线程体代码，则该线程处于运行状态。

3. Teminated（终止）

表明此线程已经结束生命周期，终止运行。线程会以以下三种方式之一结束：

• run() 方法执行完成，线程正常结束
• 线程执行过程中抛出了一个未捕获的异常（Exception）或错误（Error）
• 直接调用该线程的 stop() 来结束该线程（已过时）

阻塞状态分为三种：BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING。

4. BLOCKED（锁阻塞）

在 API 中的介绍为：一个正在阻塞、等待一个监视器锁（锁对象）的线程处于这一状态。只有获得锁对象的线程才能有执行机会。

比如，线程 A 与线程 B 代码中使用同一锁，如果线程 A 获取到锁，线程 A 进入到 Runnable 状态，那么线程 B 就进入到 Blocked 锁阻塞状态。

5. TIMED_WAITING（计时等待）

在 API 中的介绍为：一个正在限时等待另一个线程执行一个（唤醒）动作的线程处于这一状态。

当前线程执行过程中遇到 Thread 类的 sleep() 或 join()，Object 类的 wait() ，LockSupport 类的 park() 方法，并且在调用这些方法时，设置了时间，那么当前线程会进入 TIMED_WAITING，直到时间到，或被中断。

6. WAITING（无限等待）

在 API 中介绍为：一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的（唤醒）动作的线程处于这一状态。

当前线程执行过程中遇到遇到 Object 类的 wait()，Thread 类的 join() ，LockSupport 类的 park() 方法，并且在调用这些方法时，没有指定时间，那么当前线程会进入 WAITING 状态，直到被唤醒。

• 通过 Object 类的 wait() 进入 WAITING 状态的要由 Object 的 notify()/notifyAll() 唤醒；
• 通过 Condition 的 await() 进入 WAITING 状态的要由 Condition 的 signal() 方法唤醒；
• 通过 LockSupport 类的 park() 方法进入 WAITING 状态的要由 LockSupport 类的 unpark() 方法唤醒；
• 通过 Thread 类的 join() 进入 WAITING 状态，只有调用 join() 方法的线程对象结束才能让当前线程恢复；

说明：当从 WAITING 或 TIMED_WAITING 恢复到 Runnable 状态时，如果发现当前线程没有得到监视器锁，那么会立刻转入 BLOCKED 状态。

五、线程同步

1. 线程安全问题

当我们使用多个线程访问同一资源（可以是同一个变量、同一个文件、同一条记录等）的时候，若多个线程只有读操作，那么不会发生线程安全问题。但是如果多个线程中对资源有读和写的操作，就容易出现线程安全问题。我们简单模拟一下12306的窗口售票情景：

/**
 * Description: 模拟售票
 */
public class SellTicket {
    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();
        new Thread(ticket, "窗口1 ").start();
        new Thread(ticket, "窗口2 ").start();
        new Thread(ticket, "窗口3 ").start();
    }
}

class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (ticket > 0) {
            try {
                //模拟业务处理
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket--);
        }
    }
}

通过结果我们可以看出，有重票和负票现象，很明显，这不是我们想要的结果，这时候就涉及到线程同步的问题。

出现这两种情况的原因在于，第一个线程在操作 ticket 的过程中，尚未结束的情况下，其他线程也参与进来，对 ticket 进行操作。

2. 线程同步机制

要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题，Java 中提供了**同步机制（synchronized）**来解决。

窗口1线程进入操作的时候，窗口2和窗口3线程只能在外等着，窗口1操作结束，窗口1、窗口2、窗口3才有机会进入代码去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候，其他线程不能修改该资源，等待修改完毕同步之后，才能去抢夺CPU资源，完成对应的操作，保证了数据的同步性，解决了线程不安全的现象。

为了保证每个线程都能正常执行原子操作，Java引入了线程同步机制。

注意：在任何时候，最多允许一个线程拥有同步锁，谁拿到锁就进入代码块，其他的线程只能在外等着（BLOCKED）。

2.1 同步机制原理

同步机制的原理，其实就相当于给某段代码加“锁”，任何线程想要执行这段代码，都要先获得“锁”，我们称它为同步锁。因为 Java 对象在堆中的数据分为分为对象头、实例变量、空白的填充。而对象头中包含：

• Mark Word：记录了和当前对象有关的GC、锁标记等信息。
• 指向类的指针：每一个对象需要记录它是由哪个类创建出来的。
• 数组长度（只有数组对象才有）

哪个线程获得了“同步锁”对象之后，”同步锁“对象就会记录这个线程的 ID，这样其他线程就只能等待了，除非这个线程”释放“了锁对象，其他线程才能重新获得/占用”同步锁“对象。

在《Thinking in Java》中，是这么说的：对于并发工作，你需要某种方式来防止两个任务访问相同的资源（其实就是共享资源竞争）。 防止这种冲突的方法就是当资源被一个任务使用时，在其上加锁。第一个访问某项资源的任务必须锁定这项资源，使其他任务在其被解锁之前，就无法访问它了，而在其被解锁之时，另一个任务就可以锁定并使用它了。

2.2 同步代码块和同步方法

同步代码块：synchronized 关键字可以用于某个区块前面，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。

synchronized(同步锁){
     需要同步操作的代码
}

**同步方法：**synchronized 关键字直接修饰方法，表示同一时刻只有一个线程能进入这个方法，其他线程在外面等着。

public synchronized void method(){
    可能会产生线程安全问题的代码
}

2.3 synchronized 锁

同步锁对象可以是任意类型，但是必须保证竞争“同一个共享资源”的多个线程必须使用同一个“同步锁对象”。

对于同步代码块来说，同步锁对象是由程序员手动指定的（很多时候也是指定为 this 或 类名.class），但是对于同步方法来说，同步锁对象只能是默认的：

• 静态方法：当前类的 Class 对象（类名.class）

• 非静态方法：this

2.4 解决案例

public class SellTicket {
    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();
        new Thread(ticket, "窗口1 ").start();
        new Thread(ticket, "窗口2 ").start();
        new Thread(ticket, "窗口3 ").start();
    }
}

class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (ticket > 0) {
            this.sellTicket();
        }
    }

    private synchronized void sellTicket() {
        if (ticket > 0) {
            try {
                //模拟业务处理
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket--);
        }
    }
}

3. 单例模式线程安全问题

饿汉式：在类初始化时就直接创建单例对象，而类初始化过程是没有线程安全问题的

懒汉式：延迟创建对象，第一次调用 getInstance 方法再创建对象，存在线程安全问题

懒汉式解决线程安全问题案例如下：

public class LazySingle {

    //volatile关键字，避免指令重排。
    private static volatile LazySingle instance;

    private LazySingle(){}

    /**
     *  同步方法
     */
    public static synchronized LazySingle getInstance1(){
        if(instance == null){
            instance = new LazySingle();
        }
        return instance;
    }

    /**
     * 同步代码块
     */
    public static LazySingle getInstance2(){
        synchronized(LazySingle.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new LazySingle();
            }
            return instance;
        }
    }

    /**
     * 优化后对的同步代码块：
     * 创建一次对象后，instance即不为空，就没必要每次都使用同步代码块，只有第一次创建时使用
     */
    public static LazySingle getInstance3(){
        if(instance == null){
            synchronized (LazySingle.class) {
                try {
                    //模拟业务
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                if(instance == null){
                    instance = new LazySingle();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

4. 死锁

不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃，都在等待对方放弃自己需要的同步资源，就形成了线程的死锁。

一旦出现死锁，整个程序既不会发生异常，也不会给出任何提示，只是所有线程处于阻塞状态，无法继续。案例如下：

/**
 * Description:	死锁发生情况案例
 */
public class DeadLock implements Runnable {
    A a = new A();
    B b = new B();
    
    public void init() {
        Thread.currentThread().setName("主线程");
        // 调用a对象的foo方法
        a.foo(b);
        System.out.println("进入了主线程之后");
    }

    @Override
    public void run() {
        Thread.currentThread().setName("副线程");
        // 调用b对象的bar方法
        b.bar(a);
        System.out.println("进入了副线程之后");
    }

    public static void main(String[] args) {
        DeadLock dl = new DeadLock();
        new Thread(dl).start();
        dl.init();
    }
}

class A {
    public synchronized void foo(B b) {
        System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName() + " 进入了A实例的foo方法");
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
        System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName() + " 企图调用B实例的last方法");
        b.last();
    }

    public synchronized void last() {
        System.out.println("进入了A类的last方法内部");
    }
}

class B {
    public synchronized void bar(A a) {
        System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName() + " 进入了B实例的bar方法");
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
        System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName() + " 企图调用A实例的last方法");
        a.last();
    }

    public synchronized void last() {
        System.out.println("进入了B类的last方法内部");
    }
}

诱发死锁的原因：

• 互斥条件
• 占用且等待
• 不可抢夺（或不可抢占）
• 循环等待

以上4个条件，同时出现就会触发死锁。

解决死锁：

死锁一旦出现，基本很难人为干预，只能尽量规避。可以考虑打破上面的诱发条件。

针对条件1：互斥条件基本上无法被破坏。因为线程需要通过互斥解决安全问题。

针对条件2：可以考虑一次性申请所有所需的资源，这样就不存在等待的问题。

针对条件3：占用部分资源的线程在进一步申请其他资源时，如果申请不到，就主动释放掉已经占用的资源。

针对条件4：可以将资源改为线性顺序。申请资源时，先申请序号较小的，这样避免循环等待问题。

5. Lock 锁

• JDK5.0 的新增功能，保证线程的安全。与采用 synchronized 相比，Lock 可提供多种锁方案，更灵活、更强大。Lock 通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用 Lock 对象充当。

• java.util.concurrent.locks.Lock 接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对 Lock 对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得 Lock 对象。

• 在实现线程安全的控制中，比较常用的是 ReentrantLock ，可以显式加锁、释放锁。

  • ReentrantLock 类实现了 Lock 接口，它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义，但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性。此外，它还提供了在激烈争用情况下更佳的性能。

• Lock 锁也称同步锁，加锁与释放锁方法，如下：

  • public void lock()：加同步锁。
  • public void unlock()：释放同步锁（务必要关锁）。

• 代码结构

class A{
    //1. 创建Lock的实例，必须确保多个线程共享同一个Lock实例
	private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock();
	public void method(){
        //2. 调动lock()，实现需共享的代码的锁定
		lock.lock();
		try{
			//保证线程安全的代码;
		}
		finally{
            //3. 调用unlock()，释放共享代码的锁定
			lock.unlock();  
		}
	}
}

注意：如果同步代码有异常，要将 unlock() 写入 finally 语句块。

以上面售票窗口的案例为例，具体代码如下：

public class SellTicket {
    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();
        new Thread(ticket, "窗口1 ").start();
        new Thread(ticket, "窗口2 ").start();
        new Thread(ticket, "窗口3 ").start();
    }
}

class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    //创建Lock的实例，必须确保多个线程共享同一个Lock实例
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (ticket > 0) {
            try {
                lock.lock();
                if (ticket > 0) {
                    try {
                        //模拟业务处理
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket--);
                }
            } catch (RuntimeException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

synchronized与Lock的对比

1. Lock 是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁）；synchronized 是隐式锁，出了作用域、遇到异常等自动解锁
2. Lock 只有代码块锁；synchronized 有代码块锁和方法锁
3. 使用 Lock 锁，JVM 将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有更好的扩展性（提供更多的子类），更体现面向对象。
4. Lock 底层机制是 AQS（volatile + CAS + 线程的双向链表），属于非阻塞同步；synchronized 属于阻塞同步。
5. （了解）Lock 锁可以对读不加锁，对写加锁；synchronized 不可以
6. （了解）Lock 锁可以有多种获取锁的方式，可以从 sleep() 的线程中抢到锁；synchronized 不可以

说明：开发建议中处理线程安全问题优先使用顺序为：

• Lock ----> 同步代码块 ----> 同步方法

六、线程通信

当我们需要多个线程来共同完成一件任务，并且我们希望他们有规律的执行，那么多线程之间需要一些通信机制，可以协调它们的工作，以此实现多线程共同操作一份数据。这是多个线程间的一种协作机制。

在一个线程满足某个条件时，就进入等待状态（wait() / wait(time)）， 等待其他线程执行完他们的指定代码过后再将其唤醒（notify()）;或可以指定wait的时间，等时间到了自动唤醒；在有多个线程进行等待时，如果需要，可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。wait/notify 就是线程间的一种协作机制。

• wait()：

  • wait() 方法会导致当前线程进入等待状态
  • 这时的线程状态是 WAITING 或 TIMED_WAITING
  • 必须是另外一个线程调用 notify() 或 notifyAll() 方法来唤醒
  • 要使用**同一个同步监视器（同一个对象）**分别调用 wait()、notify()、notifyAll() 这些方法

• notify()：

  • notify() 方法只唤醒一个线程
  • 处于等待状态的线程会被存放在对象监视器中的一个数组中
  • 如果在这个对象的监视器中维护的处于等待状态的线程是多个，那么 notify() 方法会随机唤醒一个
  • 唤醒的线程会从 wait() 方法后开始执行，而重新开始从头执行
  • notfiy() 方法无法精确唤醒一个指定的线程，这个需求可以通过 Lock + Condition 方式实现（定制化通信）

• notifyAll()：

  • 唤醒当前对象监视器上等待的所有线程。

注意：

被通知的线程被唤醒后也不一定能立即恢复执行，因为它当初中断的地方是在同步块内，而此刻它已经不持有锁，所以它需要再次尝试去获取锁（很可能面临其它线程的竞争），成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。

• 如果能获取锁，线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE（可运行） 状态；
• 否则，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED（等待锁） 状态

//使用两个线程打印 1-100。线程1, 线程2 交替打印
class Communication implements Runnable {
    int i = 1;
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (this) {
                notify();
                if (i <= 100) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i++);
                } else
                    break;
                try {
                    wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

• wait() 方法与 notify() 方法必须要由同一个锁对象调用。因为：对应的锁对象可以通过 notify() 唤醒使用同一个锁对象调用的 wait() 方法后的线程。
• wait() 方法与 notify() 方法是属于 Object 类的方法的。因为：锁对象可以是任意对象，而任意对象的所属类都是继承了 Object 类的。
• wait() 方法与 notify() 方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用。因为：必须要通过锁对象调用这两个方法。否则会报java.lang.IllegalMonitorStateException异常。

★ sleep() 和 wait() 异同点

相同点：

• 一旦执行，都会使得当前线程结束执行状态，进入阻塞（计时等待和无线等待）状态。

不同点：

• 定义方法所属的类：sleep() 在 Thread 类中定义； wait() 在 Object 类中定义。
• 使用范围的不同：sleep() 可以在任何需要使用的位置被调用； wait() 必须使用在同步代码块或同步方法中。
• 都在同步结构中使用的时候，是否释放同步监视器的操作不同：sleep() 不会释放同步监视器； wait() 会释放同步监视器
• 结束等待的方式不同：sleep() 是指定时间一到就结束阻塞； wait() 可以指定时间也可以无限等待直到 notify() 或 notifyAll() 。