《java學習二》併發程式設計

x號開發者發表於2019-03-21

多執行緒建立方式

1.繼承thread類,重寫run方法

CreateThread createThread = new CreateThread();     ------createThread    繼承過thread的類

 

2。實現runnable介面

Thread thread = new Thread(createThread);       ----------createThread  是new出來的實現介面的類

 

3.匿名內部類

new  thread(),然後在引數裡new runnable介面

 

常用執行緒api方法

start()

currentThread()

getid()

getname()

sleep()

 

守護執行緒

thread.setDaemon(true);         使用setDaemon(true)方法設定為守護執行緒

 

多執行緒執行狀態

 

join()方法作用

join作用是讓其他執行緒變為等待,    t1.join();// 讓其他執行緒變為等待,直到當前t1執行緒執行完畢,才釋放。

thread.Join把指定的執行緒加入到當前執行緒,可以將兩個交替執行的執行緒合併為順序執行的執行緒。比如線上程B中呼叫了執行緒A的Join()方法,直到執行緒A執行完畢後,才會繼續執行執行緒B。

 

優先順序

範圍為1-10,其中10最高,預設值為5。

// 注意設定了優先順序,不代表每次都一定會被執行。只是CPU排程會有限分配

 t1.setPriority(10);

 

Yield方法

Thread.yield()方法的作用:暫停當前正在執行的執行緒,並執行其他執行緒。(可能沒有效果)

 

如何停止執行緒?

 1.  使用退出標誌,使執行緒正常退出,也就是當run方法完成後執行緒終止。

使用flag

class StopThread implements Runnable {
    private boolean flag = true;

    @Override
    public synchronized void run() {
        while (flag) {
            try {
                wait();
            } catch (Exception e) {
                //e.printStackTrace();
                stopThread();
            }
            System.out.println("thread run..");
        }
    }

    public void stopThread() {
        flag = false;
    }
}

 

 

 

    2.  使用stop方法強行終止執行緒(這個方法不推薦使用,因為stop和suspend、resume一樣,也可能發生不可預料的結果)。

    3.  使用interrupt方法中斷執行緒。

 

為什麼有執行緒安全問題?

當多個執行緒同時共享,同一個全域性變數或靜態變數,做寫的操作時,可能會發生資料衝突問題,也就是執行緒安全問題。但是做讀操作是不會發生資料衝突問題。

 

問:如何解決多執行緒之間執行緒安全問題?

答:使用多執行緒之間同步synchronized或使用鎖(lock)。

問:為什麼使用執行緒同步或使用鎖能解決執行緒安全問題呢?

答:將可能會發生資料衝突問題(執行緒不安全問題),只能讓當前一個執行緒進行執行。程式碼執行完成後釋放鎖,讓後才能讓其他執行緒進行執行。這樣的話就可以解決執行緒不安全問題。

問:什麼是多執行緒之間同步?

答:當多個執行緒共享同一個資源,不會受到其他執行緒的干擾。

 

同步程式碼塊

什麼是同步程式碼塊?

答:就是將可能會發生執行緒安全問題的程式碼,給包括起來。

synchronized(同一個資料){

 可能會發生執行緒衝突問題

}

就是同步程式碼塊 

synchronized(物件)//這個物件可以為任意物件 

    需要被同步的程式碼 

 

物件如同鎖,持有鎖的執行緒可以在同步中執行 

沒持有鎖的執行緒即使獲取CPU的執行權,也進不去 

同步的前提: 

1,必須要有兩個或者兩個以上的執行緒 

2,必須是多個執行緒使用同一個鎖 

必須保證同步中只能有一個執行緒在執行 

好處:解決了多執行緒的安全問題 

弊端:多個執行緒需要判斷鎖,較為消耗資源、搶鎖的資源。

 

 

同步函式

   什麼是同步函式?

   答:在方法上修飾synchronized 稱為同步函式

 

同學們思考問題?同步函式用的是什麼鎖?

答:同步函式使用this鎖。

證明方式: 一個執行緒使用同步程式碼塊(this明鎖),另一個執行緒使用同步函式。如果兩個執行緒搶票不能實現同步,那麼會出現資料錯誤。

 

靜態同步函式

答:什麼是靜態同步函式?

方法上加上static關鍵字,使用synchronized 關鍵字修飾 或者使用類.class檔案。

靜態的同步函式使用的鎖是  該函式所屬位元組碼檔案物件

可以用 getClass方法獲取,也可以用當前  類名.class 表示。

 

 

什麼是ThreadLoca

ThreadLocal提供一個執行緒的區域性變數,訪問某個執行緒擁有自己區域性變數。

 

 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。

 

ThreadLocal類介面很簡單,只有4個方法,我們先來了解一下:

 

  • void set(Object value)設定當前執行緒的執行緒區域性變數的值。
  • public Object get()該方法返回當前執行緒所對應的執行緒區域性變數。
  • public void remove()將當前執行緒區域性變數的值刪除,目的是為了減少記憶體的佔用,該方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是,當執行緒結束後,對應該執行緒的區域性變數將自動被垃圾回收,所以顯式呼叫該方法清除執行緒的區域性變數並不是必須的操作,但它可以加快記憶體回收的速度。
  • protected Object initialValue()返回該執行緒區域性變數的初始值,該方法是一個protected的方法,顯然是為了讓子類覆蓋而設計的。這個方法是一個延遲呼叫方法,線上程第1次呼叫get()或set(Object)時才執行,並且僅執行1次。ThreadLocal中的預設實現直接返回一個null。
class Res {
    // 生成序列號共享變數
    public static Integer count = 0;
    public static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>() {
        protected Integer initialValue() {

            return 0;
        };

    };

    public Integer getNum() {
        int count = threadLocal.get() + 1;
        threadLocal.set(count);
        return count;
    }
}

public class ThreadLocaDemo2 extends Thread {
    private Res res;

    public ThreadLocaDemo2(Res res) {
        this.res = res;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + "i---" + i + "--num:" + res.getNum());
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        Res res = new Res();
        ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo1 = new ThreadLocaDemo2(res);
        ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo2 = new ThreadLocaDemo2(res);
        ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo3 = new ThreadLocaDemo2(res);
        threadLocaDemo1.start();
        threadLocaDemo2.start();
        threadLocaDemo3.start();
    }

}

ThreadLoca實現原理

ThreadLoca通過map集合

Map.put(“當前執行緒”,值);

 

什麼是多執行緒死鎖?

   答:同步中巢狀同步,導致鎖無法釋放

 

多執行緒有三大特性

原子性、可見性、有序性

什麼是原子性

即一個操作或者多個操作 要麼全部執行並且執行的過程不會被任何因素打斷,要麼就都不執行。

一個很經典的例子就是銀行賬戶轉賬問題

比如從賬戶A向賬戶B轉1000元,那麼必然包括2個操作:從賬戶A減去1000元,往賬戶B加上1000元。這2個操作必須要具備原子性才能保證不出現一些意外的問題。

我們運算元據也是如此,比如i = i+1;其中就包括,讀取i的值,計算i,寫入i。這行程式碼在Java中是不具備原子性的,則多執行緒執行肯定會出問題,所以也需要我們使用同步和lock這些東西來確保這個特性了。

原子性其實就是保證資料一致、執行緒安全一部分,

什麼是可見性

當多個執行緒訪問同一個變數時,一個執行緒修改了這個變數的值,其他執行緒能夠立即看得到修改的值。

若兩個執行緒在不同的cpu,那麼執行緒1改變了i的值還沒重新整理到主存,執行緒2又使用了i,那麼這個i值肯定還是之前的,執行緒1對變數的修改執行緒沒看到這就是可見性問題。

什麼是有序性

程式執行的順序按照程式碼的先後順序執行。

一般來說處理器為了提高程式執行效率,可能會對輸入程式碼進行優化,它不保證程式中各個語句的執行先後順序同程式碼中的順序一致,但是它會保證程式最終執行結果和程式碼順序執行的結果是一致的。如下:

int a = 10;    //語句1

int r = 2;    //語句2

a = a + 3;    //語句3

r = a*a;     //語句4

則因為重排序,他還可能執行順序為 2-1-3-4,1-3-2-4
但絕不可能 2-1-4-3,因為這打破了依賴關係。
顯然重排序對單執行緒執行是不會有任何問題,而多執行緒就不一定了,所以我們在多執行緒程式設計時就得考慮這個問題了。

 

Java記憶體模型

共享記憶體模型指的就是Java記憶體模型(簡稱JMM),JMM決定一個執行緒對共享變數的寫入時,能對另一個執行緒可見。從抽象的角度來看,JMM定義了執行緒和主記憶體之間的抽象關係:執行緒之間的共享變數儲存在主記憶體(main memory)中,每個執行緒都有一個私有的本地記憶體(local memory),本地記憶體中儲存了該執行緒以讀/寫共享變數的副本。本地記憶體是JMM的一個抽象概念,並不真實存在。它涵蓋了快取,寫緩衝區,暫存器以及其他的硬體和編譯器優化。

 

 

總結:什麼是Java記憶體模型:java記憶體模型簡稱jmm,定義了一個執行緒對另一個執行緒可見。共享變數存放在主記憶體中,每個執行緒都有自己的本地記憶體,當多個執行緒同時訪問一個資料的時候,可能本地記憶體沒有及時重新整理到主記憶體,所以就會發生執行緒安全問題。

Volatile

什麼是Volatile

Volatile 關鍵字的作用是變數在多個執行緒之間可見。

 

Volatile非原子性

注意: Volatile非原子性

 

volatile與synchronized區別

僅靠volatile不能保證執行緒的安全性。(原子性)

①volatile輕量級,只能修飾變數。synchronized重量級,還可修飾方法

②volatile只能保證資料的可見性,不能用來同步,因為多個執行緒併發訪問volatile修飾的變數不會阻塞。

synchronized不僅保證可見性,而且還保證原子性,因為,只有獲得了鎖的執行緒才能進入臨界區,從而保證臨界區中的所有語句都全部執行。多個執行緒爭搶synchronized鎖物件時,會出現阻塞。

執行緒安全性

執行緒安全性包括兩個方面,①可見性。②原子性。

從上面自增的例子中可以看出:僅僅使用volatile並不能保證執行緒安全性。而synchronized則可實現執行緒的安全性。

 

Vector與ArrayList區別

HasTable與HasMap

synchronizedMap

 Collections.synchronized*(m) 將執行緒不安全額集合變為執行緒安全集合

 

ConcurrentHashMap

ConcurrentMap介面下有倆個重要的實現 :
ConcurrentHashMap
ConcurrentskipListMap (支援併發排序功能。彌補ConcurrentHas hMa p)
ConcurrentHashMap內部使用段(Segment)來表示這些不同的部分,每個段其實就是一個
小的HashTable,它們有自己的鎖。只要多個修改操作發生在不同的段上,它們就可以並
發進行。把一個整體分成了16個段(Segment.也就是最高支援16個執行緒的併發修改操作。
這也是在重執行緒場景時減小鎖的粒度從而降低鎖競爭的一種方案。並且程式碼中大多共享變
量使用volatile關鍵字宣告,目的是第一時間獲取修改的內容,效能非常好。

 

CountDownLatch

CountDownLatch類位於java.util.concurrent包下,利用它可以實現類似計數器的功能。比如有一個任務A,它要等待其他4個任務執行完畢之後才能執行,此時就可以利用CountDownLatch來實現這種功能了。

public class Test002 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("等待子執行緒執行完畢...");
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                System.out.println("子執行緒," + Thread.currentThread().getName() + "開始執行...");
                countDownLatch.countDown();// 每次減去1
                System.out.println("子執行緒," + Thread.currentThread().getName() + "結束執行...");
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                System.out.println("子執行緒," + Thread.currentThread().getName() + "開始執行...");
                countDownLatch.countDown();
                System.out.println("子執行緒," + Thread.currentThread().getName() + "結束執行...");
            }
        }).start();

        countDownLatch.await();// 呼叫當前方法主執行緒阻塞  countDown結果為0, 阻塞變為執行狀態
        System.out.println("兩個子執行緒執行完畢....");
        System.out.println("繼續主執行緒執行..");
    }

}

CyclicBarrier

CyclicBarrier初始化時規定一個數目,然後計算呼叫了CyclicBarrier.await()進入等待的執行緒數。當執行緒數達到了這個數目時,所有進入等待狀態的執行緒被喚醒並繼續。 

 CyclicBarrier就象它名字的意思一樣,可看成是個障礙, 所有的執行緒必須到齊後才能一起通過這個障礙。 

CyclicBarrier初始時還可帶一個Runnable的引數, 此Runnable任務在CyclicBarrier的數目達到後,所有其它執行緒被喚醒前被執行。

class Writer extends Thread {
    private CyclicBarrier cyclicBarrier;
    public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier){
         this.cyclicBarrier=cyclicBarrier;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("執行緒" + Thread.currentThread().getName() + ",正在寫入資料");
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
        }
        System.out.println("執行緒" + Thread.currentThread().getName() + ",寫入資料成功.....");
        
        try {
            cyclicBarrier.await();
        } catch (Exception e) {
        }
        System.out.println("所有執行緒執行完畢..........");
    }

}

public class Test001 {

    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrier cyclicBarrier=new CyclicBarrier(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Writer writer = new Writer(cyclicBarrier);
            writer.start();
        }
    }

}

 

Semaphore

Semaphore是一種基於計數的訊號量。它可以設定一個閾值,基於此,多個執行緒競爭獲取許可訊號,做自己的申請後歸還,超過閾值後,執行緒申請許可訊號將會被阻塞。Semaphore可以用來構建一些物件池,資源池之類的,比如資料庫連線池,我們也可以建立計數為1的Semaphore,將其作為一種類似互斥鎖的機制,這也叫二元訊號量,表示兩種互斥狀態。它的用法如下:

availablePermits函式用來獲取當前可用的資源數量

wc.acquire(); //申請資源

wc.release();// 釋放資源

    // 建立一個計數閾值為5的訊號量物件  
        // 只能5個執行緒同時訪問  
        Semaphore semp = new Semaphore(5);  
          
        try {  
            // 申請許可  
            semp.acquire();  
            try {  
                // 業務邏輯  
            } catch (Exception e) {  
          
            } finally {  
                // 釋放許可  
                semp.release();  
            }  
        } catch (InterruptedException e) {  
          
        }  

 

 

併發佇列

在併發佇列上JDK提供了兩套實現,一個是以ConcurrentLinkedQueue為代表的高效能隊

列,一個是以BlockingQueue介面為代表的阻塞佇列,無論哪種都繼承自Queue。

 

執行緒池作用

執行緒池是為突然大量爆發的執行緒設計的,通過有限的幾個固定執行緒為大量的操作服務,減少了建立和銷燬執行緒所需的時間,從而提高效率。

如果一個執行緒的時間非常長,就沒必要用執行緒池了(不是不能作長時間操作,而是不宜。),況且我們還不能控制執行緒池中執行緒的開始、掛起、和中止。

 

 

執行緒池的分類

Executor框架的最頂層實現是ThreadPoolExecutor類,Executors工廠類中提供的newScheduledThreadPool、newFixedThreadPool、newCachedThreadPool方法其實也只是ThreadPoolExecutor的建構函式引數不同而已。通過傳入不同的引數,就可以構造出適用於不同應用場景下的執行緒池,那麼它的底層原理是怎樣實現的呢,這篇就來介紹下ThreadPoolExecutor執行緒池的執行過程。

 

corePoolSize: 核心池的大小。 當有任務來之後,就會建立一個執行緒去執行任務,當執行緒池中的執行緒數目達到corePoolSize後,就會把到達的任務放到快取佇列當中
maximumPoolSize: 執行緒池最大執行緒數,它表示線上程池中最多能建立多少個執行緒;
keepAliveTime: 表示執行緒沒有任務執行時最多保持多久時間會終止。
unit: 引數keepAliveTime的時間單位,有7種取值,在TimeUnit類中有7種靜態屬性

 

執行緒池四種建立方式

Java通過Executors(jdk1.5併發包)提供四種執行緒池,分別為:
newCachedThreadPool建立一個可快取執行緒池,如果執行緒池長度超過處理需要,可靈活回收空閒執行緒,若無可回收,則新建執行緒。

案例演示:


newFixedThreadPool 建立一個定長執行緒池,可控制執行緒最大併發數,超出的執行緒會在佇列中等待。
newScheduledThreadPool 建立一個定長執行緒池,支援定時及週期性任務執行。
newSingleThreadExecutor 建立一個單執行緒化的執行緒池,它只會用唯一的工作執行緒來執行任務,保證所有任務按照指定順序(FIFO, LIFO, 優先順序)執行。

 

執行緒池原理剖析

提交一個任務到執行緒池中,執行緒池的處理流程如下:

1、判斷執行緒池裡的核心執行緒是否都在執行任務,如果不是(核心執行緒空閒或者還有核心執行緒沒有被建立)則建立一個新的工作執行緒來執行任務。如果核心執行緒都在執行任務,則進入下個流程。

2、執行緒池判斷工作佇列是否已滿,如果工作佇列沒有滿,則將新提交的任務儲存在這個工作佇列裡。如果工作佇列滿了,則進入下個流程。

3、判斷執行緒池裡的執行緒是否都處於工作狀態,如果沒有,則建立一個新的工作執行緒來執行任務。如果已經滿了,則交給飽和策略來處理這個任務。

 

 

合理配置執行緒池

要想合理的配置執行緒池,就必須首先分析任務特性,可以從以下幾個角度來進行分析:

任務的性質:CPU密集型任務,IO密集型任務和混合型任務。

任務的優先順序:高,中和低。

任務的執行時間:長,中和短。

任務的依賴性:是否依賴其他系統資源,如資料庫連線。

任務性質不同的任務可以用不同規模的執行緒池分開處理。CPU密集型任務配置儘可能少的執行緒數量,如配置Ncpu+1個執行緒的執行緒池。IO密集型任務則由於需要等待IO操作,執行緒並不是一直在執行任務,則配置儘可能多的執行緒,如2*Ncpu。混合型的任務,如果可以拆分,則將其拆分成一個CPU密集型任務和一個IO密集型任務,只要這兩個任務執行的時間相差不是太大,那麼分解後執行的吞吐率要高於序列執行的吞吐率,如果這兩個任務執行時間相差太大,則沒必要進行分解。我們可以通過Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法獲得當前裝置的CPU個數。

優先順序不同的任務可以使用優先順序佇列PriorityBlockingQueue來處理。它可以讓優先順序高的任務先得到執行,需要注意的是如果一直有優先順序高的任務提交到佇列裡,那麼優先順序低的任務可能永遠不能執行。

執行時間不同的任務可以交給不同規模的執行緒池來處理,或者也可以使用優先順序佇列,讓執行時間短的任務先執行。

依賴資料庫連線池的任務,因為執行緒提交SQL後需要等待資料庫返回結果,如果等待的時間越長CPU空閒時間就越長,那麼執行緒數應該設定越大,這樣才能更好的利用CPU。

一般總結哦,有其他更好的方式,希望各位留言,謝謝。

 

CPU密集型時,任務可以少配置執行緒數,大概和機器的cpu核數相當,這樣可以使得每個執行緒都在執行任務

IO密集型時,大部分執行緒都阻塞,故需要多配置執行緒數,2*cpu核數

作業系統之名稱解釋:

某些程式花費了絕大多數時間在計算上,而其他則在等待I/O上花費了大多是時間,

前者稱為計算密集型(CPU密集型)computer-bound,後者稱為I/O密集型,I/O-bound。

 

Java鎖的深度化

悲觀鎖與樂觀鎖

 

悲觀鎖:悲觀鎖悲觀的認為每一次操作都會造成更新丟失問題,在每次查詢時加上排他鎖。

每次去拿資料的時候都認為別人會修改,所以每次在拿資料的時候都會上鎖,這樣別人想拿這個資料就會block直到它拿到鎖。傳統的關係型資料庫裡邊就用到了很多這種鎖機制,比如行鎖,表鎖等,讀鎖,寫鎖等,都是在做操作之前先上鎖。

Select * from xxx for update;

樂觀鎖:樂觀鎖會樂觀的認為每次查詢都不會造成更新丟失,利用版本欄位控制

 

重入鎖

鎖作為併發共享資料,保證一致性的工具,在JAVA平臺有多種實現(如 synchronized 和 ReentrantLock等等 ) 。這些已經寫好提供的鎖為我們開發提供了便利。

重入鎖,也叫做遞迴鎖,指的是同一執行緒 外層函式獲得鎖之後 ,內層遞迴函式仍然有獲取該鎖的程式碼,但不受影響。

讀寫鎖

相比Java中的鎖(Locks in Java)裡Lock實現,讀寫鎖更復雜一些。假設你的程式中涉及到對一些共享資源的讀和寫操作,且寫操作沒有讀操作那麼頻繁。在沒有寫操作的時候,兩個執行緒同時讀一個資源沒有任何問題,所以應該允許多個執行緒能在同時讀取共享資源。但是如果有一個執行緒想去寫這些共享資源,就不應該再有其它執行緒對該資源進行讀或寫(譯者注:也就是說:讀-讀能共存,讀-寫不能共存,寫-寫不能共存)。這就需要一個讀/寫鎖來解決這個問題。

 

CAS無鎖機制

(1)與鎖相比,使用比較交換(下文簡稱CAS)會使程式看起來更加複雜一些。但由於其非阻塞性,它對死鎖問題天生免疫,並且,執行緒間的相互影響也遠遠比基於鎖的方式要小。更為重要的是,使用無鎖的方式完全沒有鎖競爭帶來的系統開銷,也沒有執行緒間頻繁排程帶來的開銷,因此,它要比基於鎖的方式擁有更優越的效能。

(2)無鎖的好處:

第一,在高併發的情況下,它比有鎖的程式擁有更好的效能;

第二,它天生就是死鎖免疫的。

就憑藉這兩個優勢,就值得我們冒險嘗試使用無鎖的併發。

(3)CAS演算法的過程是這樣:它包含三個引數CAS(V,E,N): V表示要更新的變數,E表示預期值,N表示新值。僅當V值等於E值時,才會將V的值設為N,如果V值和E值不同,則說明已經有其他執行緒做了更新,則當前執行緒什麼都不做。最後,CAS返回當前V的真實值。

(4)CAS操作是抱著樂觀的態度進行的,它總是認為自己可以成功完成操作。當多個執行緒同時使用CAS操作一個變數時,只有一個會勝出,併成功更新,其餘均會失敗。失敗的執行緒不會被掛起,僅是被告知失敗,並且允許再次嘗試,當然也允許失敗的執行緒放棄操作。基於這樣的原理,CAS操作即使沒有鎖,也可以發現其他執行緒對當前執行緒的干擾,並進行恰當的處理。

(5)簡單地說,CAS需要你額外給出一個期望值,也就是你認為這個變數現在應該是什麼樣子的。如果變數不是你想象的那樣,那說明它已經被別人修改過了。你就重新讀取,再次嘗試修改就好了。

(6)在硬體層面,大部分的現代處理器都已經支援原子化的CAS指令。在JDK 5.0以後,虛擬機器便可以使用這個指令來實現併發操作和併發資料結構,並且,這種操作在虛擬機器中可以說是無處不在。

自旋鎖

自旋鎖是採用讓當前執行緒不停地的在迴圈體內執行實現的,當迴圈的條件被其他執行緒改變時 才能進入臨界區。

 

分散式鎖

如果想在不同的jvm中保證資料同步,使用分散式鎖技術。

有資料庫實現、快取實現、Zookeeper分散式鎖

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