JavaThread多執行緒同步、鎖、通訊

12、執行緒同步

    當多個執行緒訪問同一個資料時，非常容易出現執行緒安全問題。這時候就需要用執行緒同步

    Case：銀行取錢問題，有以下步驟：

    A、使用者輸入賬戶、密碼，系統判斷是否登入成功

    B、使用者輸入取款金額

    C、系統判斷取款金額是否大於現有金額

    D、如果金額大於取款金額，就成功，否則提示小於餘額

    現在模擬2個人同時對一個賬戶取款，多執行緒操作就會出現問題。這時候需要同步才行；

    同步程式碼塊：

    synchronized (object) {

        //同步程式碼

    }

    Java多執行緒支援方法同步，方法同步只需用用synchronized來修飾方法即可，那麼這個方法就是同步方法了。

    對於同步方法而言，無需顯示指定同步監視器，同步方法監視器就是本身this

    同步方法：

    public synchronized void editByThread() {

        //doSomething

    }

    需要用同步方法的類具有以下特徵：

    A、該類的物件可以被多個執行緒訪問

    B、每個執行緒呼叫物件的任意都可以正常的結束，返回正常結果

    C、每個執行緒呼叫物件的任意方法後，該物件狀態保持合理狀態

    不可變類總是執行緒安全的，因為它的物件狀態是不可改變的，但可變類物件需要額外的方法來保證執行緒安全。

    例如Account就是一個可變類，它的money就是可變的，當2個執行緒同時修改money時，程式就會出現異常或錯誤。

    所以要對Account設定為執行緒安全的，那麼就需要用到同步synchronized關鍵字。

    下面的方法用synchronized同步關鍵字修飾，那麼這個方法就是一個同步的方法。這樣就只能有一個執行緒可以訪問這個方法，

    在當前執行緒呼叫這個方法時，此方法是被鎖狀態，同步監視器是this。只有當此方法修改完畢後其他執行緒才能呼叫此方法。

    這樣就可以保證執行緒的安全，處理多執行緒併發取錢的的安全問題。

    public synchronized void drawMoney(double money) {

        //取錢操作

    }

    注意：synchronized可以修飾方法、程式碼塊，但不能修飾屬性、構造方法

    可變類的執行緒安全是以降低程式的執行效率為代價，為了減少執行緒安全所帶來的負面影響，可以採用以下策略：

    A、不要對執行緒安全類的所有方法都採用同步模式，只對那些會改變競爭資源（共享資源）的方法進行同步。

    B、如果可變類有2中執行環境：單執行緒環境和多執行緒環境，則應該為該可變提供2種版本；執行緒安全的和非執行緒安全的版本。

    在單執行緒下采用非執行緒安全的提高執行效率保證效能，在多執行緒環境下采用執行緒安全的控制安全性問題。

    釋放同步監視器的鎖定

    任何執行緒進入同步程式碼塊、同步方法之前，必須先獲得對同步監視器的鎖定，那麼何時會釋放對同步監視器鎖定？

    程式無法顯示的釋放對同步監視器的鎖定，執行緒可以通過以下方式釋放鎖定：

    A、當執行緒的同步方法、同步程式碼庫執行結束，就可以釋放同步監視器

    B、當執行緒在同步程式碼庫、方法中遇到break、return終止程式碼的執行，也可釋放

    C、當執行緒在同步程式碼庫、同步方法中遇到未處理的Error、Exception，導致該程式碼結束也可釋放同步監視器

    D、當執行緒在同步程式碼庫、同步方法中，程式執行了同步監視器物件的wait方法，導致方法暫停，釋放同步監視器

    下面情況不會釋放同步監視器：

    A、當執行緒在執行同步程式碼庫、同步方法時，程式呼叫了Thread.sleep()/Thread.yield()方法來暫停當前程式，當前程式不會釋放同步監視器

    B、當執行緒在執行同步程式碼庫、同步方法時，其他執行緒呼叫了該執行緒的suspend方法將該執行緒掛起，該執行緒不會釋放同步監視器。注意儘量避免使用suspend、resume

    同步鎖（Lock）

    通常認為：Lock提供了比synchronized方法和synchronized程式碼塊更廣泛的鎖定操作，Lock更靈活的結構，有很大的差別，並且可以支援多個Condition物件

    Lock是控制多個執行緒對共享資源進行訪問的工具。通常，鎖提供了對共享資源的獨佔訪問，每次只能有一個執行緒對Lock物件加鎖，

    執行緒開始訪問共享資源之前應先獲得Lock物件。不過某些鎖支援共享資源的併發訪問，如：ReadWriteLock（讀寫鎖），線上程安全控制中，

    通常使用ReentrantLock（可重入鎖）。使用該Lock物件可以顯示加鎖、釋放鎖。

    class C {

        //鎖物件

        private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        ......

        //保證執行緒安全方法

        public void method() {

            //上鎖

            lock.lock();

            try {

                //保證執行緒安全操作程式碼

            } catch() {

            } finally {

                lock.unlock();//釋放鎖

            }

        }

    }

    使用Lock物件進行同步時，鎖定和釋放鎖時注意把釋放鎖放在finally中保證一定能夠執行。

    使用鎖和使用同步很類似，只是使用Lock時顯示的呼叫lock方法來同步。而使用同步方法synchronized時系統會隱式使用當前物件作為同步監視器，

    同樣都是“加鎖->訪問->釋放鎖”的操作模式，都可以保證只能有一個執行緒操作資源。

    同步方法和同步程式碼塊使用與競爭資源相關的、隱式的同步監視器，並且強制要求加鎖和釋放鎖要出現在一個塊結構中，而且獲得多個鎖時，

    它們必須以相反的順序釋放，且必須在與所有鎖被獲取時相同的範圍內釋放所有資源。

    Lock提供了同步方法和同步程式碼庫沒有的其他功能，包括用於非塊結構的tryLock方法，已經試圖獲取可中斷鎖lockInterruptibly()方法，

    還有獲取超時失效鎖的tryLock(long, timeUnit)方法。

    ReentrantLock具有重入性，也就是說執行緒可以對它已經加鎖的ReentrantLock再次加鎖，ReentrantLock物件會維持一個計數器來追蹤lock方法的巢狀呼叫，

    執行緒在每次呼叫lock()加鎖後，必須顯示的呼叫unlock()來釋放鎖，所以一段被保護的程式碼可以呼叫另一個被相同鎖保護的方法。

    死鎖

    當2個執行緒相互等待對方是否同步監視器時就會發生死鎖，JVM沒有采取處理死鎖的措施，這需要我們自己處理或避免死鎖。

    一旦死鎖，整個程式既不會出現異常，也不會出現錯誤和提示，只是執行緒將處於阻塞狀態，無法繼續。

    主執行緒保持對Foo的鎖定，等待對Bar物件加鎖，而副執行緒卻對Bar物件保持鎖定，等待對Foo加鎖2條執行緒相互等待對方先釋放鎖，進入死鎖狀態。

    由於Thread類的suspend也很容易導致死鎖，所以Java不推薦使用此方法暫停執行緒。

13、執行緒通訊

    （1）、執行緒的協調執行

        場景：用2個執行緒，這2個執行緒分別代表存款和取款。——現在系統要求存款者和取款者不斷重複的存款和取款的動作，

        而且每當存款者將錢存入賬戶後，取款者立即取出這筆錢。不允許2次連續存款、2次連續取款。

        實現上述場景需要用到Object類，提供的wait、notify和notifyAll三個方法，這3個方法並不屬於Thread類。但這3個方法必須由同步監視器呼叫，可分為2種情況：

        A、對於使用synchronized修飾的同步方法，因為該類的預設例項this就是同步監視器，所以可以在同步中直接呼叫這3個方法。

        B、對於使用synchronized修改的同步程式碼塊，同步監視器是synchronized後可括號中的物件，所以必須使用括號中的物件呼叫這3個方法

        方法概述：

        一、wait方法：導致當前執行緒進入等待，直到其他執行緒呼叫該同步監視器的notify方法或notifyAll方法來喚醒該執行緒。

                wait方法有3中形式：無引數的wait方法，會一直等待，直到其他執行緒通知；帶毫秒引數的wait和微妙引數的wait，

                這2種形式都是等待時間到達後甦醒。呼叫wait方法的當前執行緒會釋放對該物件同步監視器的鎖定。

        二、notify：喚醒在此同步監視器上等待的單個執行緒。如果所有執行緒都在此同步監視器上等待，則會隨機選擇喚醒其中一個執行緒。

            只有當前執行緒放棄對該同步監視器的鎖定後（用wait方法），才可以執行被喚醒的執行緒。

        三、notifyAll：喚醒在此同步監視器上等待的所有執行緒。只有當前執行緒放棄對該同步監視器的鎖定後，才能執行喚醒的執行緒。

    （2）、條件變數控制協調

        如果程式不使用synchronized關鍵字來保證同步，而是直接使用Lock物件來保證同步，則系統中不存在隱式的同步監視器物件，

        也不能使用wait、notify、notifyAll方法來協調程式的執行。

        當使用Lock物件同步，Java提供一個Condition類來保持協調，使用Condition可以讓那些已經得到Lock物件卻無法組合使用，

        為每個物件提供了多個等待集（wait-set），這種情況下，Lock替代了同步方法和同步程式碼塊，Condition替代同步監視器的功能。

        Condition例項實質上被繫結在一個Lock物件上，要獲得特定的Lock例項的Condition例項，呼叫Lock物件的newCondition即可。

        Condition類方法介紹：

        一、await：類似於隱式同步監視器上的wait方法，導致當前程式等待，直到其他執行緒呼叫Condition的signal方法和signalAll方法來喚醒該執行緒。

            該await方法有跟多獲取變體：long awaitNanos(long nanosTimeout),void awaitUninterruptibly()、awaitUntil(Date daadline)

        二、signal：喚醒在此Lock物件上等待的單個執行緒，如果所有的執行緒都在該Lock物件上等待，則會選擇隨機喚醒其中一個執行緒。

            只有當前執行緒放棄對該Lock物件的鎖定後，使用await方法，才可以喚醒在執行的執行緒。

        三、signalAll：喚醒在此Lock物件上等待的所有執行緒。只有當前執行緒放棄對該Lock物件的鎖定後，才可以執行被喚醒的執行緒。

    （3）、使用管道流

        執行緒通訊使用管道流，管道流有3種形式：

        PipedInputStream、PipedOutputStream、PipedReader和PipedWriter以及Pipe.SinkChannel和Pipe.SourceChannel，

        它們分別是管道流的位元組流、管道字元流和新IO的管道Channel。

        管道流通訊基本步驟：

        A、使用new操作法來建立管道輸入、輸出流

        B、使用管道輸入流、輸出流的connect方法把2個輸入、輸出流連線起來

        C、將管道輸入、輸出流分別傳入2個執行緒

        D、2個執行緒可以分別依賴各自的管道輸入流、管道輸出流進行通訊

14、執行緒組和未處理異常

    ThreadGroup表示執行緒組，它可以表示一批執行緒進行分類管理，Java允許程式對

    Java允許直接對執行緒組控制，對執行緒組控制相對於同時控制這批執行緒。使用者建立的所有執行緒都屬於指定的執行緒組。

    如果程式沒有值得執行緒屬於哪個組，那這個執行緒就屬於預設執行緒組。在預設情況下，子執行緒和建立它父執行緒屬於同一組。

    一旦某個執行緒加入了指定執行緒組之後，該執行緒將屬於該執行緒組，直到該執行緒死亡，執行緒執行中途不能改變它所屬的執行緒組。

    Thread類提供一些構造設定執行緒所屬的哪個組，具有以下方法：

    A、Thread(ThreadGroup group, Runnable target):target的run方法作為執行緒執行體建立新執行緒，屬於group執行緒組

    B、Thread(ThreadGroup group, Runnalbe target, String name):target的run方法作為執行緒執行體建立的新執行緒，該執行緒屬於group執行緒組，且執行緒名為name

    C、Thread(ThreadGroup group, String name):建立新執行緒，新執行緒名為name，屬於group組

    因為中途不能改變執行緒所屬的組，所以Thread提供ThreadGroup的setter方法，但提供了getThreadGroup方法來返回該執行緒所屬的執行緒組，

    getThreadGroup方法的返回值是ThreadGroup物件的表示，表示一個執行緒組。

    ThreadGroup有2個構造形式：

    A、ThreadGroup(String name):name執行緒組的名稱

    B、ThreadGroup(ThreadGroup parent, String name):指定名稱、指定父執行緒組建立的一個新執行緒組

    上面的構造都指定執行緒名稱，也就是執行緒組都必須有自己的一個名稱，可以通過呼叫ThreadGroup的getName方法得到，

    但不允許中途改變名稱。ThreadGroup有以下常用的方法：

    A、activeCount：返回執行緒組活動執行緒數目

    B、interrupt：中斷此執行緒組中的所有執行緒

    C、isDeamon：判斷該執行緒是否在後臺執行

    D、setDeamon：把該執行緒組設定為後臺執行緒組，後臺執行緒具有一個特徵，當後臺執行緒的最後一個執行緒執行結束或最後一個執行緒被銷燬，後臺執行緒組自動銷燬。

    E、setMaxPriority：設定執行緒組最高優先順序

    uncaughtException(Thread t, Throwable e)該方法可以處理該執行緒組內的執行緒所丟擲的未處理的異常，

    Thread.UncaughtExceptionHandler是Thread類的一個內部公共靜態介面，

    該介面內只有一個方法：void uncaughtException(Thread t, Throwable e) 該方法中的t代表出現異常的執行緒，而e代表該執行緒丟擲的異常

    Thread類中提供2個方法來設定異常處理器：

    A、staticsetDefaultUnaughtExceptionHandler(Thread.UncaughtExceptionHandler eh):為該執行緒類的所有執行緒例項設定預設的異常處理器

    B、setUncaughtExceptionHandler(Thread.UncaughtExceptionHander eh):為指導執行緒例項設定異常處理器

    ThreadGroup實現了Thread.UncaughtExceptionHandler介面，所以每個執行緒所屬的執行緒組將會作為預設的異常處理器。當一個執行緒丟擲未處理異常時，

    JVM會首先查詢該異常對應的異常處理器，（setUncaughtExceptionHandler設定異常處理器），如果找到該異常處理器，將呼叫該異常處理器處理異常。

    否則，JVM將會呼叫該執行緒的所屬執行緒組的uncaughtException處理異常，執行緒組處理異常流程如下：

    A、如果該執行緒有父執行緒組，則呼叫父執行緒組的uncaughtException方法來處理異常

    B、如果該執行緒例項所屬的執行緒類有預設的異常處理器（setDefaultUnaughtExceptionHandler方法設定異常處理器），那就呼叫該異常處理器來處理異常資訊

    C、將異常呼叫棧的資訊列印到System.err錯誤輸出流，並結束該執行緒

15、Callable和Future

    Callable介面定義了一個call方法可以作為執行緒的執行體，但call方法比run方法更強大：

    A、call方法可以有返回值

    B、call方法可以申明丟擲異常

    Callable介面是JDK5後新增的介面，而且不是Runnable的子介面，所以Callable物件不能直接作為Thread的target。而且call方法還有一個返回值，

    call方法不能直接呼叫，它作為執行緒的執行體被呼叫。那麼如何接收call方法的返回值？

    JDK1.5提供了Future介面來代表Callable介面裡的call方法的返回值，併為Future介面提供了一個FutureTask實現類，該實現類實現Future介面，

    並實現了Runnable介面—可以作為Thread的target。

    Future介面裡定義瞭如下幾個公共方法控制他關聯的Callable任務：

    A、boolean cancel(Boolean mayInterruptlfRunning):試圖取消該Future裡關聯的Callable任務

    B、V get()：返回Callable任務裡的call方法的返回值，呼叫該方法將導致執行緒阻塞，必須等到子執行緒結束才得到返回值

    C、V get(long timeout, TimeUnit unit)：返回Callable任務裡的call方法的返回值，該方法讓程式最多阻塞timeout和unit指定的時間。

        如果經過指定時間後Callable任務依然沒有返回值，將會丟擲TimeoutException。

    D、boolean isCancelled：如果在Callable任務正常完成前被取消，則返回true。

    E、boolean isDone：如果Callable任務已經完成，則返回true

    建立、並啟動有返回值的執行緒的步驟如下：

    一、建立Callable介面的實現類，並實現call方法，該call方法的返回值，並作為執行緒的執行體。

    二、建立Callable實現類的例項，使用FutureTask類來包裝Callable物件，該FutureTask物件封裝了該Callable物件的call方法的返回值

    三、使用FutureTask物件作為Thread物件的target建立、並啟動新執行緒

    四、呼叫FutureTask物件的方法來獲得子執行緒執行結束後的返回值