✏️作者：银河罐头
📋系列专栏：JavaEE

🌲“种一棵树最好的时间是十年前，其次是现在”

Thread类及常见方法
- 获取当前线程引用
- 休眠当前线程
线程的状态
- 线程的所有状态
- 线程状态
- 多线程的意义
多线程带来的的风险-线程安全
- 代码示例
- 线程不安全的原因
synchronized 关键字
- synchronized 的特性
- - 1)互斥
  - 2)可重入
- Java 标准库中的线程安全类
死锁
- 死锁的几种情况
- 死锁的4个必要条件
- 如何避免死锁

Thread类及常见方法

获取当前线程引用

public static Thread currentThread();

返回当前线程对象的引用

休眠当前线程

public static void sleep(long millis) throws InterruptedException

本质上就是这个线程不参与调度了，不去CPU上执行了

PCB是使用链表来组织的，实际情况并不是一个简单的链表，是一系列以链表为核心的数据结构。

一旦线程进入阻塞状态，对应PCB就进入阻塞队列了，就暂时无法参与调度了。

比如调用sleep(1000),那么线程就要在阻塞队列待1000ms，当这个PCB回到了就绪队列，会被立即调度吗？

其实不是，实际上考虑到调度的开销，对应的线程是无法在唤醒之后立即被调度的，实际上的时间间隔大概率要大于1000ms.

挂起(hung up)就是阻塞(block)

线程的状态

线程的所有状态

1.NEW 创建了Thread对象，但是还没调用start(内核里还没创建对应PCB)
2.TERMINATED 表示内核里的PCB已经执行完毕了，但是Thread对象还在
3.RUNNABLE 可运行的

a)正在CPU上执行的

b)在就绪队列里，随时可以去CPU上执行的
4.WAITING
5.TIMED_WAITING
6.BLOCKED

4，5，6都是阻塞，都表示线程PCB在阻塞队列中，这几个状态是不同原因的阻塞

线程的状态是一个枚举类型 Thread.State

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

线程状态

线程的状态转化

WAITING

Scanner这里的阻塞是因为等待IO的，等待IO也会进行一些线程操作，内部可能会涉及到锁操作或者wait之类的操作。

读写文件，读写控制台，读写网络…都可能会造成阻塞

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(()->{
            for(int i = 0;i < 1000000;i++){

            }
        });
        // 在启动之前，获取 t 的状态，就是 NEW 状态
        System.out.println("start 之前：" + t.getState());
        t.start();
        System.out.println("t 执行中的状态："+ t.getState());
        t.join();
        //线程执行完毕之后，就是 TERMINATED 状态
        System.out.println("t 结束之后：" + t.getState());
    }

一旦内核里的PCB消亡了，此时代码中的t对象就没啥用了。之所以存在，是迫不得已。Java中对象的生命周期自有其规则，这个生命周期和内核中线程并非完全一致。内核的线程释放的时候，无法保证Java代码中t对象也立即释放。因此，势必会存在，内核中PCB没了，但是代码中t还存在这样的情况。因此就需要通过特定的状态，来把t对象标识为"无效"。

一个线程只能start一次。

//输出结果：
start 之前：NEW
t 执行中的状态：RUNNABLE
t 结束之后：TERMINATED

之所以此处能看到RUNNABLE，主要是因为线程run里没有写sleep之类的方法

通过这里的循环获取，就可以看到这里的交替状态，当前获取到的状态完全取决于系统的调度操作，获取状态的这一瞬间 t 线程是正在执行还是正在 sleep

多线程的意义

多线程最核心的地方：抢占式执行，随机调度

多线程的意义是？

单个线程和多个线程之间，执行速度的差别

程序分成

CPU密集，包含了大量加减乘除等算术运算

IO密集，涉及到读写文件，读写控制台，读写网络

这种衡量执行时间的代码，运行的久一点，误差越小，

线程调度自身也是有时间开销的，运算的任务量越大，线程调度的开销相比之下就非常不明显了，从而就可以忽略不计

public static void main(String[] args) {
        //serial();
        concurrency();
    }
    //串行执行，一个线程完成
    public static void serial(){
        //为了衡量代码的执行速度，加上个计时的操作
        //currentTimeMillis获取到当前系统 ms 级的时间戳
        long beg = System.currentTimeMillis();
        long a = 0;
        for(long i = 0;i < 100_0000_0000L;i++){
            a++;
        }
        long b = 0;
        for(long i = 0;i < 100_0000_0000L;i++){
            b++;
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("执行时间：" + (end - beg) + " ms");
    }

    public static void concurrency(){
        long beg = System.currentTimeMillis();
        Thread t1 = new Thread(()->{
            long a = 0;
            for(long i = 0;i < 100_0000_0000L;i++){
                a++;
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            long b = 0;
            for(long i = 0;i < 100_0000_0000L;i++){
                b++;
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("并发执行时间：" + (end - beg) + " ms");
    }

多线程更快，多线程可以更充分利用多核心CPU的资源

这个例子中单线程到多线程时间为什么不是正好缩短一半？

不确定t1和t2是在两个CPU上并行执行的还是并发执行的。

实际上，t1和t2在执行过程中会经历很多次调度，这些调度有些是并行执行(在2个核心上)，有些是并发执行的(1个核心上)。

到底是多少次并行，多少次并发，不好预估，取决于系统的配置，也取决于当前程序的运行环境。(系统同一时刻跑了很多程序，并发的概率更大，很多程序来抢CPU)

另一方面，线程调度自身也是有时间消耗的。

梳理一遍上述代码的执行逻辑：main线程先调用t1.start，启动t1开始计算t1的同时main再启动t2.start。启动t2的同时t1仍然在继续计算。同时main线程进入t1.join，此时main线程阻塞等待，t1,t2还是在继续执行。等t1执行完了，main线程从t1.join返回再执行t2.join，main线程等待t2，t2执行完了，main线程从t2.join返回，继续执行计时操作。

关于join的理解，比如这里是main线程里调用t1.join()，就是main线程阻塞等待t1结束

不是说多线程一定能提高效率

1.是否是多核(现在CPU基本上都是多核了)

2.当前核心是否空闲(如果CPU这些核心已经都满载了，这个时候启动多线程也没用)

多线程带来的的风险-线程安全

造成线程安全这种问题的原因是多线程的抢占式执行，带来的随机性。从单线程到多线程，代码执行顺序的可能性从一种情况变成了无数种情况。所以就需要保证在这无数种线程调度顺序的情况下，代码的执行结果都是正确的。只要有一种情况代码结果不正确，就被视为线程不安全。

代码示例

class Counter{
    public int count = 0;
    public void add(){
        count++;
    }
}
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();
        Thread t1 = new Thread(()->{
            for(int i = 0;i < 50000;i++){
                counter.add();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            for(int i = 0;i < 50000;i++){
                counter.add();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count = " + counter.count);
    }
}

//三次运行结果：
count = 53782
count = 55883
count = 68803

预期结果是10w，而实际结果不是10w，并且每次运行的结果都不一样，程序出现bug了！

++ 操作本质上分为三步：

1.先把内存的值读取到CPU的寄存器中 load

2.把CPU寄存器的值进行 + 1 运算 add

3.把得到的结果写回到内存中 save

//这3个操作就是CPU上执行的3个指令。指令是机器语言

如果是两个线程并发执行count ++，此时就相当于两组 load add save 进行执行，此时不同的线程调度顺序就可能会产生一些结果上的差异。

线程一些可能的调度顺序：

其中情况1，2结果是正确的，其他情况都是有问题的

比如情况3

经历2次自增之后count结果还是1

其实这里就和事务读未提交 read uncomitted 是一样的，相当于t1读到的是一个t2未提交的脏数据，于是出现了脏读问题

这里的多线程和并发事务本质上都是"并发编程"问题，并发处理事务，底层是基于多线程这样的方式来实现的

这是一个线程，这个线程要具体执行，就需要先编译成很多CPU指令，写的任何一个代码都是需要编译成很多CPU指令的。

由于线程的抢占式执行，导致当前执行到任意一个指令的时候线程都可能被调度走，CPU让别的线程来执行。

CPU里有个重要的组成部分，寄存器。寄存器也能存数据，空间更小，访问速度更快，CPU进行的运算都是针对寄存器的数据进行的。

CPU里的寄存器有很多种，

有的是通用寄存器(用来参与运算的) EAX , EBX , ECX…

有的是专用寄存器(有特定功能的) EBP ESP EIP…

保存上下文的，用PCB里的内存把当前所有的寄存器都给保存起来。

机器指令就是汇编，机器指令就是直接在CPU上运行的，势必要经常操作寄存器

当前这个代码是否有可能结果正好是10w？有可能，概率很小

假设2个线程每次调度的顺序都是情况1，2

当前结果一定大于5w？

实际运行基本都是大于5w的，但是也不一定

还可能出现t1自增1次，t2自增2次，(情况5)最终还是增1这种

线程不安全的原因

1.(根本原因)抢占式执行，随机调度
2.代码结构：多个线程修改同一个变量

一个线程修改一个变量，没事；

多个线程读取同一个变量，没事；

多个线程修改多个不同的变量，没事。

因此可以通过修改代码的结构来规避这个问题，这种调整不一定都是能使用的，代码结构也是源于需求的。调整代码结构是个方案，但是不是一个普适性特别高的方案

String是不可变对象

不可变对象，天然就是线程安全的。

像有些编程语言，比如erlang，语法里没有"变量"这个概念，所有的"变量"都是不可变的，这样的语言更适合并发编程，出现线程安全的概率大大降低了

3.原子性

如果修改对象是原子的，那就罢了

如果是非原子的，出现问题的概率就非常高了。

原子：不可拆分的最小单位。

count ++ 这里可以拆分成 load add save 三个操作，这三个操作中的每个操作都是原子的，单个指令是无法再进一步拆分了。

如果++操作是原子的，那么线程安全问题就迎刃而解了(出问题的本质是"脏读"，t1修改的结果还没提交，t2就读了)

针对线程安全问题，如何解决？最主要的手段就是从这个原子性入手，把这个非原子的操作变成原子的，加锁。

4.内存可见性问题

如果是一个线程读，一个线程改呢?也可能出问题，可能出现此处读的结果不太符合预期。

5.指令重排序

本质上是编译器优化出bug了，编译器在保持逻辑不变的情况下，调整代码的执行顺序，从而加快代码的执行效率

上述分析出的是5个典型的原因，不是全部。一个代码究竟是线程安全还是不安全，都得具体情况具体分析，难以一概而论。

如果一个代码踩中了上面的原因，也可能线程安全；如果一个代码没踩中上面的原因，也可能线程不安全。

原则是多线程运行代码不出bug就是安全的。

在阅读代码的时候，脑子里分析出所有可能执行的情况，并一一判定里面是否有问题

重排序指的是单个线程里，顺序发生调整。

synchronized 关键字

synchronized 的特性

1)互斥

如何从原子性入手来解决线程安全问题，通过加锁。

synchronized public void add(){
        count++;
    }
//synchronized 这是一个关键字，表示加锁

加了synchronized之后，进入方法会加锁，出了方法会解锁。

如果两个线程同时尝试加锁，此时一个能获取锁成功，另一个只能阻塞等待(BLOCKED)，一直阻塞到刚才的线程释放锁(解锁)，当前线程才能加锁成功。

t2加锁没加成，一直阻塞等待到 t1 unlock了之后才继续执行。

加锁，说是保证原子性，其实不是说让这里的3次操作一次完成，也不是这3步操作过程中不调度，而是让其他也想操作的线程阻塞等待了。

加锁本质上是把并发变成了串行。

操作系统中的基本设定，系统里的锁"不可剥夺"特性，一旦一个线程获取到锁，除非他主动释放，否则无法强占。

synchronized 的行为就是阻塞等待，一直等下去。 Java中还有一种锁， ReentrantLock 这个锁，获取不到就放弃

一旦加锁之后，代码的速度是大打折扣的。算的快前提是算得准。

虽然加锁之后算的慢了，但是还是比单线程快，加锁只是针对count++ 加锁了，除了 count++ 之外还有for循环的代码，for循环代码是可以并发执行的，只是count++ 串行执行了。一个任务中，一部分并发，一部分串行，仍然是要比所有代码都串行要更快的。

package Thread;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
class Counter{
    public int count = 0;
    synchronized public void add(){
        count++;
    }
}
public class ThreadDemo13 {
    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();
        //搞两个线程，两个线程分别针对 counter 来调用 5w 次的 add 方法
        Thread t1 = new Thread(()->{
            for(int i = 0;i < 50000;i++){
                counter.add();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            for(int i = 0;i < 50000;i++){
                counter.add();
            }
        });
        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count = " + counter.count);
    }
}

//结果：
count = 100000

synchronized使用方法

1.修饰方法

1）修饰普通方法。锁对象就是this

2）修饰静态方法。锁对象就是类对象(Counter.class)

2.修饰代码块。显式/手动指定锁对象

加锁要明确是针对哪个对象加锁。

如果两个线程针对同一个对象加锁，会产生阻塞等待(锁竞争/锁冲突)。

如果两个线程针对不同对象加锁，不会阻塞等待(不会锁竞争/锁冲突)。

两个线程，一个线程加锁，一个线程不加锁，这种情况没有锁竞争。

线程对对象加锁

举个例子，张三的npy是李四，相当于张三对李四加锁了，如果王五也想和李四处对象(王五也想对李四加锁)。就会出现锁竞争/锁冲突。因为张三已经对李四加锁了，所以王五就只能阻塞等待。不过赵六刚好单身，王五可以对赵六加锁。张三和王五对不同对象加锁，不会发生阻塞等待。

(两男争一女会出现锁竞争)

没有锁竞争=>抢占式执行=>很有可能出现线程安全问题

问：构造方法可以使用synchronized关键字修饰吗？

不能❌

synchronized关键字作用于方法上，是给当前对象实例/类加锁，而在构造方法上加 synchronized，此时对象实例还没产生；另外构造方法每次都是构造出新的对象，不存在多个线程同时读写同一对象中的属性的问题，所以不需要同步。

monitor lock 监视器锁

JVM给 synchronized 起的名字，代码报异常可能会见到 monitor lock

2)可重入

因为在Java里这种代码是很容易出现的，为了避免不小心就死锁，Java就把 synchronized 设定为可重入的了。但是 C++ , Python , 操作系统原生的锁，都是不可重入的。

就是在锁对象里记录一下，当前锁是哪个线程持有的。如果加锁线程和持有线程是同一个，就直接放过，否则就阻塞。

上面只是死锁的一种情况，还有别的情况。

Java 标准库中的线程安全类

如果多个线程操作同一个集合类，就需要考虑线程安全的问题。

ArrayList
LinkedList
HashMap
TreeMap
HashSet
TreeSet
StringBuilder

上述这些都是线程不安全的. 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.

Vector (不推荐使用)
HashTable (不推荐使用)
ConcurrentHashMap
StringBuffer

上述这些已经内置了 synchronized 加锁，相对来说更安全一点。

StringBuffer 的核心方法都带有 synchronized .

还有的虽然没有加锁, 但是不涉及 “修改”, 仍然是线程安全的，比如String

死锁

死锁的几种情况

1.一个线程，一把锁，连续加锁两次，如果锁是不可重入锁，就会出现死锁。Java中synchronized和ReentrantLock都是可重入锁。

2.两个线程，两把锁，t1和t2各自先针对锁A和锁B加锁，再尝试获取对方的锁。

举个栗子：家钥匙锁车里了，车钥匙锁家里了。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object locker1 = new Object();
        Object locker2 = new Object();
        Thread t1 = new Thread(()->{
            synchronized (locker1){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    //sleep是为了确保两个线程先把第一把锁拿到(线程是抢占式执行的)
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (locker2){
                    System.out.println("t1 把 locker1 和 locker2 都拿到了");
                }
            }

        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            synchronized (locker2){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (locker1){
                    System.out.println("t2 把 locker2 和 locker1 都拿到了");
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

程序结果没有输出，死锁了。

针对这样的死锁问题，可以借助 jconsole 这样的工具来进行定位，看线程的状态和调用栈就可以分析出程序在哪里死锁了。

3.多个线程多把锁(相当于2的一般情况)

经典案例：哲学家就餐问题

5个哲学家围着桌子吃意大利面，只有5只筷子。每个哲学家有两种状态，1.思考人生(相当于线程阻塞的状态) 2.拿起筷子吃面条(相当于线程获取到锁然后进行一些计算)。由于操作系统随机调度，这5个哲学家随时有可能想吃面也随时有可能在思考人生，要想吃面就得拿起左手和右手的两根筷子。

假如出现了极端情况，同一时刻哲学家同时拿起左手的筷子，这时哲学家拿不起右手的筷子，都要等待右边的哲学家把筷子放下，出现了死锁。

死锁的4个必要条件

1.互斥使用。线程1拿到了锁，线程2就得等着，(锁的基本特性)

2.不可抢占。线程1拿到了锁之后，必须是线程1主动释放，不能说是线程2把锁强行获取到。

3.请求和保持。线程1拿到锁A之后，再尝试获取锁B，A这把锁还是保持的。(不会因为获取锁B就把锁A释放了)

4.循环等待。线程1尝试获取锁A和锁B，线程2尝试获取锁B和锁A。线程1在获取B时等待线程2释放B；同时线程2在获取A时要等待线程1释放A。

前3个条件都是锁的基本特性(对于synchronized这把锁来说无法改变)

条件4循环等待是这4个条件里唯一一个和代码结构相关的，也是程序员可以控制的。

世界上的锁不是只有synchronized，还会存在一些其他情况的锁，可能和上述1,2,3条件还有变数。

如何避免死锁

打破必要条件即可，突破口是循环等待。

解决办法：给锁编号，然后指定一个固定的顺序(比如从小到大)来加锁，任意线程加多把锁的时候都让线程遵守上述规则，此时循环等待自然破除。

以哲学家用餐为例如何破除死锁：

//上面例子
//约定两个线程先拿编号小的后拿编号大的。(先拿locker1,后拿locker2)
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object locker1 = new Object();
        Object locker2 = new Object();
        Thread t1 = new Thread(()->{
            synchronized (locker1){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (locker2){
                    System.out.println("t1 把 locker1 和 locker2 都拿到了");
                }
            }

        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            synchronized (locker1){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (locker2){
                    System.out.println("t2 把 locker2 和 locker1 都拿到了");
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

//输出结果：
t1 把 locker1 和 locker2 都拿到了
t2 把 locker2 和 locker1 都拿到了

JavaEE-多线程初阶2

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