多執行緒詳解

2018年04月26日 01:13:48 lc545126483 閱讀數：243

Java中的多執行緒你只要看這一篇就夠了

引

如果對什麼是執行緒、什麼是程式仍存有疑惑，請先Google之，因為這兩個概念不在本文的範圍之內。

用多執行緒只有一個目的，那就是更好的利用cpu的資源，因為所有的多執行緒程式碼都可以用單執行緒來實現。說這個話其實只有一半對，因為反應“多角色”的程式程式碼，最起碼每個角色要給他一個執行緒吧，否則連實際場景都無法模擬，當然也沒法說能用單執行緒來實現：比如最常見的“生產者，消費者模型”。

很多人都對其中的一些概念不夠明確，如同步、併發等等，讓我們先建立一個資料字典，以免產生誤會。

• 多執行緒：指的是這個程式（一個程式）執行時產生了不止一個執行緒
• 並行與併發：
  • 並行：多個cpu例項或者多臺機器同時執行一段處理邏輯，是真正的同時。
  • 併發：通過cpu排程演算法，讓使用者看上去同時執行，實際上從cpu操作層面不是真正的同時。併發往往在場景中有公用的資源，那麼針對這個公用的資源往往產生瓶頸，我們會用TPS或者QPS來反應這個系統的處理能力。

併發與並行

• 執行緒安全：經常用來描繪一段程式碼。指在併發的情況之下，該程式碼經過多執行緒使用，執行緒的排程順序不影響任何結果。這個時候使用多執行緒，我們只需要關注系統的記憶體，cpu是不是夠用即可。反過來，執行緒不安全就意味著執行緒的排程順序會影響最終結果，如不加事務的轉賬程式碼：

  void transferMoney(User from, User to, float amount){
    to.setMoney(to.getBalance() + amount);
    from.setMoney(from.getBalance() - amount);
  }

• 同步：Java中的同步指的是通過人為的控制和排程，保證共享資源的多執行緒訪問成為執行緒安全，來保證結果的準確。如上面的程式碼簡單加入@synchronized關鍵字。在保證結果準確的同時，提高效能，才是優秀的程式。執行緒安全的優先順序高於效能。

好了，讓我們開始吧。我準備分成幾部分來總結涉及到多執行緒的內容：

1. 紮好馬步：執行緒的狀態
2. 內功心法：每個物件都有的方法（機制）
3. 太祖長拳：基本執行緒類
4. 九陰真經：高階多執行緒控制類

紮好馬步：執行緒的狀態

先來兩張圖：

執行緒狀態

執行緒狀態轉換

各種狀態一目瞭然，值得一提的是"blocked"這個狀態：
執行緒在Running的過程中可能會遇到阻塞(Blocked)情況

1. 呼叫join()和sleep()方法，sleep()時間結束或被打斷，join()中斷,IO完成都會回到Runnable狀態，等待JVM的排程。
2. 呼叫wait()，使該執行緒處於等待池(wait blocked pool),直到notify()/notifyAll()，執行緒被喚醒被放到鎖定池(lock blocked pool )，釋放同步鎖使執行緒回到可執行狀態（Runnable）
3. 對Running狀態的執行緒加同步鎖(Synchronized)使其進入(lock blocked pool ),同步鎖被釋放進入可執行狀態(Runnable)。

此外，在runnable狀態的執行緒是處於被排程的執行緒，此時的排程順序是不一定的。Thread類中的yield方法可以讓一個running狀態的執行緒轉入runnable。

內功心法：每個物件都有的方法（機制）

synchronized, wait, notify 是任何物件都具有的同步工具。讓我們先來了解他們

monitor

他們是應用於同步問題的人工執行緒排程工具。講其本質，首先就要明確monitor的概念，Java中的每個物件都有一個監視器，來監測併發程式碼的重入。在非多執行緒編碼時該監視器不發揮作用，反之如果在synchronized 範圍內，監視器發揮作用。

wait/notify必須存在於synchronized塊中。並且，這三個關鍵字針對的是同一個監視器（某物件的監視器）。這意味著wait之後，其他執行緒可以進入同步塊執行。

當某程式碼並不持有監視器的使用權時（如圖中5的狀態，即脫離同步塊）去wait或notify，會丟擲java.lang.IllegalMonitorStateException。也包括在synchronized塊中去呼叫另一個物件的wait/notify，因為不同物件的監視器不同，同樣會丟擲此異常。

再講用法：

• synchronized單獨使用：
  • 程式碼塊：如下，在多執行緒環境下，synchronized塊中的方法獲取了lock例項的monitor，如果例項相同，那麼只有一個執行緒能執行該塊內容

    

    public class Thread1 implements Runnable {
       Object lock;
       public void run() {  
           synchronized(lock){
             ..do something
           }
       }
    }

    

  • 直接用於方法： 相當於上面程式碼中用lock來鎖定的效果，實際獲取的是Thread1類的monitor。更進一步，如果修飾的是static方法，則鎖定該類所有例項。

    public class Thread1 implements Runnable {
       public synchronized void run() {  
            ..do something
       }
    }

• synchronized, wait, notify結合:典型場景生產者消費者問題

  

  /**
     * 生產者生產出來的產品交給店員
     */
    public synchronized void produce()
    {
        if(this.product >= MAX_PRODUCT)
        {
            try
            {
                wait();  
                System.out.println("產品已滿,請稍候再生產");
            }
            catch(InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
            return;
        }
  
        this.product++;
        System.out.println("生產者生產第" + this.product + "個產品.");
        notifyAll();   //通知等待區的消費者可以取出產品了
    }
  
    /**
     * 消費者從店員取產品
     */
    public synchronized void consume()
    {
        if(this.product <= MIN_PRODUCT)
        {
            try 
            {
                wait(); 
                System.out.println("缺貨,稍候再取");
            } 
            catch (InterruptedException e) 
            {
                e.printStackTrace();
            }
            return;
        }
  
        System.out.println("消費者取走了第" + this.product + "個產品.");
        this.product--;
        notifyAll();   //通知等待去的生產者可以生產產品了
    }

  

  volatile

  多執行緒的記憶體模型：main memory（主存）、working memory（執行緒棧），在處理資料時，執行緒會把值從主存load到本地棧，完成操作後再save回去(volatile關鍵詞的作用：每次針對該變數的操作都激發一次load and save)。

volatile

針對多執行緒使用的變數如果不是volatile或者final修飾的，很有可能產生不可預知的結果（另一個執行緒修改了這個值，但是之後在某執行緒看到的是修改之前的值）。其實道理上講同一例項的同一屬性本身只有一個副本。但是多執行緒是會快取值的，本質上，volatile就是不去快取，直接取值。線上程安全的情況下加volatile會犧牲效能。

太祖長拳：基本執行緒類

基本執行緒類指的是Thread類，Runnable介面，Callable介面
Thread 類實現了Runnable介面，啟動一個執行緒的方法：

　MyThread my = new MyThread();
　　my.start();

Thread類相關方法：

//當前執行緒可轉讓cpu控制權，讓別的就緒狀態執行緒執行（切換）
public static Thread.yield() 
//暫停一段時間
public static Thread.sleep()  
//在一個執行緒中呼叫other.join(),將等待other執行完後才繼續本執行緒。　　　　
public join()
//後兩個函式皆可以被打斷
public interrupte()

關於中斷：它並不像stop方法那樣會中斷一個正在執行的執行緒。執行緒會不時地檢測中斷標識位，以判斷執行緒是否應該被中斷（中斷標識值是否為true）。終端只會影響到wait狀態、sleep狀態和join狀態。被打斷的執行緒會丟擲InterruptedException。
Thread.interrupted()檢查當前執行緒是否發生中斷，返回boolean
synchronized在獲鎖的過程中是不能被中斷的。

中斷是一個狀態！interrupt()方法只是將這個狀態置為true而已。所以說正常執行的程式不去檢測狀態，就不會終止，而wait等阻塞方法會去檢查並丟擲異常。如果在正常執行的程式中新增while(!Thread.interrupted()) ，則同樣可以在中斷後離開程式碼體

Thread類最佳實踐：
寫的時候最好要設定執行緒名稱 Thread.name，並設定執行緒組 ThreadGroup，目的是方便管理。在出現問題的時候，列印執行緒棧 (jstack -pid) 一眼就可以看出是哪個執行緒出的問題，這個執行緒是幹什麼的。

如何獲取執行緒中的異常

不能用try,catch來獲取執行緒中的異常

Runnable

與Thread類似

Callable

future模式：併發模式的一種，可以有兩種形式，即無阻塞和阻塞，分別是isDone和get。其中Future物件用來存放該執行緒的返回值以及狀態

ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);
 //submit方法有多重引數版本，及支援callable也能夠支援runnable介面型別.
Future future = e.submit(new myCallable());
future.isDone() //return true,false 無阻塞
future.get() // return 返回值，阻塞直到該執行緒執行結束

九陰真經：高階多執行緒控制類

以上都屬於內功心法，接下來是實際專案中常用到的工具了，Java1.5提供了一個非常高效實用的多執行緒包:java.util.concurrent, 提供了大量高階工具,可以幫助開發者編寫高效、易維護、結構清晰的Java多執行緒程式。

1.ThreadLocal類

用處：儲存執行緒的獨立變數。對一個執行緒類（繼承自Thread)
當使用ThreadLocal維護變數時，ThreadLocal為每個使用該變數的執行緒提供獨立的變數副本，所以每一個執行緒都可以獨立地改變自己的副本，而不會影響其它執行緒所對應的副本。常用於使用者登入控制，如記錄session資訊。

實現：每個Thread都持有一個TreadLocalMap型別的變數（該類是一個輕量級的Map，功能與map一樣，區別是桶裡放的是entry而不是entry的連結串列。功能還是一個map。）以本身為key，以目標為value。
主要方法是get()和set(T a)，set之後在map裡維護一個threadLocal -> a，get時將a返回。ThreadLocal是一個特殊的容器。

2.原子類（AtomicInteger、AtomicBoolean……）

如果使用atomic wrapper class如atomicInteger，或者使用自己保證原子的操作，則等同於synchronized

//返回值為boolean
AtomicInteger.compareAndSet(int expect,int update)

該方法可用於實現樂觀鎖，考慮文中最初提到的如下場景：a給b付款10元，a扣了10元，b要加10元。此時c給b2元，但是b的加十元程式碼約為：

if(b.value.compareAndSet(old, value)){
   return ;
}else{
   //try again
   // if that fails, rollback and log
}

AtomicReference
對於AtomicReference 來講，也許物件會出現，屬性丟失的情況，即oldObject == current，但是oldObject.getPropertyA != current.getPropertyA。
這時候，AtomicStampedReference就派上用場了。這也是一個很常用的思路，即加上版本號

3.Lock類　

lock: 在java.util.concurrent包內。共有三個實現：

ReentrantLock
ReentrantReadWriteLock.ReadLock
ReentrantReadWriteLock.WriteLock

主要目的是和synchronized一樣， 兩者都是為了解決同步問題，處理資源爭端而產生的技術。功能類似但有一些區別。

區別如下：

lock更靈活，可以自由定義多把鎖的枷鎖解鎖順序（synchronized要按照先加的後解順序）
提供多種加鎖方案，lock 阻塞式, trylock 無阻塞式, lockInterruptily 可打斷式， 還有trylock的帶超時時間版本。
本質上和監視器鎖（即synchronized是一樣的）
能力越大，責任越大，必須控制好加鎖和解鎖，否則會導致災難。
和Condition類的結合。
效能更高，對比如下圖：

synchronized和Lock效能對比

ReentrantLock　　　　
可重入的意義在於持有鎖的執行緒可以繼續持有，並且要釋放對等的次數後才真正釋放該鎖。
使用方法是：

1.先new一個例項

static ReentrantLock r=new ReentrantLock();

2.加鎖　　　　　　

r.lock()或r.lockInterruptibly();

此處也是個不同，後者可被打斷。當a執行緒lock後，b執行緒阻塞，此時如果是lockInterruptibly，那麼在呼叫b.interrupt()之後，b執行緒退出阻塞，並放棄對資源的爭搶，進入catch塊。（如果使用後者，必須throw interruptable exception 或catch）　　　　

3.釋放鎖　　　

r.unlock()

必須做！何為必須做呢，要放在finally裡面。以防止異常跳出了正常流程，導致災難。這裡補充一個小知識點，finally是可以信任的：經過測試，哪怕是發生了OutofMemoryError，finally塊中的語句執行也能夠得到保證。

ReentrantReadWriteLock

可重入讀寫鎖（讀寫鎖的一個實現）　

　ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock()
　　ReadLock r = lock.readLock();
　　WriteLock w = lock.writeLock();

兩者都有lock,unlock方法。寫寫，寫讀互斥；讀讀不互斥。可以實現併發讀的高效執行緒安全程式碼

4.容器類

這裡就討論比較常用的兩個：

BlockingQueue
ConcurrentHashMap

BlockingQueue
阻塞佇列。該類是java.util.concurrent包下的重要類，通過對Queue的學習可以得知，這個queue是單向佇列，可以在佇列頭新增元素和在隊尾刪除或取出元素。類似於一個管　　道，特別適用於先進先出策略的一些應用場景。普通的queue介面主要實現有PriorityQueue（優先佇列），有興趣可以研究

BlockingQueue在佇列的基礎上新增了多執行緒協作的功能：

BlockingQueue

除了傳統的queue功能（表格左邊的兩列）之外，還提供了阻塞介面put和take，帶超時功能的阻塞介面offer和poll。put會在佇列滿的時候阻塞，直到有空間時被喚醒；take在隊　列空的時候阻塞，直到有東西拿的時候才被喚醒。用於生產者-消費者模型尤其好用，堪稱神器。

常見的阻塞佇列有：

ArrayListBlockingQueue
LinkedListBlockingQueue
DelayQueue
SynchronousQueue

ConcurrentHashMap
高效的執行緒安全雜湊map。請對比hashTable , concurrentHashMap, HashMap

5.管理類

管理類的概念比較泛，用於管理執行緒，本身不是多執行緒的，但提供了一些機制來利用上述的工具做一些封裝。
瞭解到的值得一提的管理類：ThreadPoolExecutor和 JMX框架下的系統級管理類 ThreadMXBean
ThreadPoolExecutor
如果不瞭解這個類，應該瞭解前面提到的ExecutorService，開一個自己的執行緒池非常方便：

ExecutorService e = Executors.newCachedThreadPool();
    ExecutorService e = Executors.newSingleThreadExecutor();
    ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);
    // 第一種是可變大小執行緒池，按照任務數來分配執行緒，
    // 第二種是單執行緒池，相當於FixedThreadPool(1)
    // 第三種是固定大小執行緒池。
    // 然後執行
    e.execute(new MyRunnableImpl());

該類內部是通過ThreadPoolExecutor實現的，掌握該類有助於理解執行緒池的管理，本質上，他們都是ThreadPoolExecutor類的各種實現版本。請參見javadoc：

ThreadPoolExecutor引數解釋

翻譯一下：

corePoolSize:池內執行緒初始值與最小值，就算是空閒狀態，也會保持該數量執行緒。
maximumPoolSize:執行緒最大值，執行緒的增長始終不會超過該值。
keepAliveTime：當池內執行緒數高於corePoolSize時，經過多少時間多餘的空閒執行緒才會被回收。回收前處於wait狀態
unit：
時間單位，可以使用TimeUnit的例項，如TimeUnit.MILLISECONDS　
workQueue:待入任務（Runnable）的等待場所，該引數主要影響排程策略，如公平與否，是否產生餓死(starving)
threadFactory:執行緒工廠類，有預設實現，如果有自定義的需要則需要自己實現ThreadFactory介面並作為引數傳入。

 

 

文／知米丶無忌（簡書作者）
原文連結：http://www.jianshu.com/p/40d4c7aebd66
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也許當我老了，也一樣寫程式碼；不為別的，只為了愛好