四分钟快速入门Java线程的六种状态与流转

并行和并发都是指多个任务同时执行的概念，但是它们之间有着明显的区别。,,总的来说，虽然并行和并发都是多任务处理的方式，但是并行是采用多核处理器等硬件实现任务同步执行，而并发则是通过操作系统的调度算法来合理地分配系统资源，使得多个任务看上去同时执行。,进程和线程是操作系统中的概念，用于描述程序运行时的执行实体。,进程：一个程序在执行过程中的一个实例，每个进程都有自己独立的地址空间，也就是说它们不能直接共享内存。进程的特点包括：,线程：进程中的一个执行单元，一个进程中可以包含多个线程，这些线程共享进程的内存空间。线程的特点包括：,,线程相比于进程，线程的创建和销毁开销较小，上下文切换开销也较小，因此线程是实现多任务并发的一种更加轻量级的方式。,Java中创建线程主要有三种方式：,,JVM执行start方法，会先创建一个线程，由创建出来的新线程去执行thread的run方法，这才起到多线程的效果。,start()和run()的主要区别如下：,,,线程在自身的生命周期中， 并不是固定地处于某个状态，而是随着代码的执行在不同的状态之间进行切换，如下图：,,线程上下文切换指的是在多线程运行时，操作系统从当前正在执行的线程中保存其上下文（包括当前线程的寄存器、程序指针、栈指针等状态信息），并将这些信息恢复到另一个等待执行的线程中，从而实现线程之间的切换。,,,,线程间通信是指在多线程编程中，各个线程之间共享信息或者协同完成某一任务的过程。常用的线程间通信方式有以下几种：,ThreadLocal也就是线程本地变量。如果你创建了一个ThreadLocal变量，那么访问这个变量的每个线程都会有这个变量的一个本地拷贝，多个线程操作这个变量的时候，实际是操作自己本地内存里面的变量，从而起到线程隔离的作用，避免了线程安全问题。,,ThreadLocal是整个线程的全局变量，不是整个程序的全局变量。,,实现方式观察ThreadLocal的set方法：,如果在线程池中使用ThreadLocal会造成内存泄漏，因为当ThreadLocal对象使用完之后，应该要把设置的key，value，也就是Entry对象进行回收，但线程池中的线程不会回收，而线程对象是通过强引用指向ThreadLocalMap，ThreadLocalMap也是通过强引用指向Entry对象，线程不被回收，Entry对象也就不会被回收，从而出现内存泄漏。,解决办法是在使用了ThreadLocal对象之后，手动调用ThreadLocal的remove方法，手动清除Entry对象。,,ThreadLocalMap虽然被称为Map，但是其实它是没有实现Map接口的，不过结构还是和HashMap比较类似的，主要关注的是两个要素：元素数组和散列方法。,,补充一点每创建一个ThreadLocal对象，它就会新增0x61c88647，这个值很特殊，它是斐波那契数也叫黄金分割数。这样带来的好处就是hash分布非常均匀。,我们可能都知道HashMap使用了链表来解决冲突，也就是所谓的链地址法。,ThreadLocalMap内部使用的是开放地址法来解决 Hash冲突的问题。具体来说，当发生Hash冲突时，ThreadLocalMap会将当前插入的元素从冲突位置开始依次往后遍历，直到找到一个空闲的位置，然后把该元素放在这个空闲位置。这样即使出现了Hash冲突，不会影响到已经插入的元素，而只是会影响到新的插入操作。,,查找的时候，先根据ThreadLocal对象的hash值找到对应的位置，然后比较该槽位Entry对象中的key是否和get的key一致，如果不一致就依次往后查找。,ThreadLocalMap 的扩容机制和 HashMap 类似，也是在元素数量达到阈值（默认为数组长度的 2/3）时进行扩容。具体来说，在 set() 方法中，如果当前元素数量已经达到了阈值，就会调用 rehash() 方法，rehash()会先去清理过期的Entry，然后还要根据条件判断size >= threshold – threshold / 4 也就是size >= threshold * 3/4来决定是否需要扩容：,发现需要扩容时调用resize()方法，resize()方法首先将数组长度翻倍，然后创建一个新的数组newTab。接着遍历旧数组oldTab中的所有元素，散列方法重新计算位置，开放地址解决冲突，然后放到新的newTab，遍历完成之后，oldTab中所有的entry数据都已经放入到newTab中了，然后table引用指向newTab.,,需要注意的是，新数组的长度始终是2的整数次幂，并且扩容后新数组的长度始终大于旧数组的长度。这是为了保证哈希函数计算出的位置在新数组中仍然有效。,在Java多线程编程中，父子线程之间的数据传递和共享问题一直是一个非常重要的议题。如果不处理好数据的传递和共享，会导致多线程程序的性能下降或者出现线程安全问题。ThreadLocal是Java提供的一种解决方案，可以非常好地解决父子线程数据共享和传递的问题。,那么它是如何实现通信的了？在Thread类中存在InheritableThreadLocal变量，简单的说就是使用InheritableThreadLocal来进行传递，当父线程的InheritableThreadLocal不为空时，就会将这个值传到当前子线程的InheritableThreadLocal。,Java 内存模型（Java Memory Model）是一种规范，用于描述 Java 虚拟机（JVM）中多线程情况下，线程之间如何协同工作，如何共享数据，并保证多线程的操作在各个线程之间的可见性、有序性和原子性。,具体定义如下：,Java内存模型的抽象图：,,在这个抽象的内存模型中，在两个线程之间的通信（共享变量状态变更）时，会进行如下两个步骤：,原子性、有序性、可见性是并发编程中非常重要的基础概念，JMM的很多技术都是围绕着这三大特性展开。,线程切换会带来原子性问题，示例：,上面展示语句中，除了语句1是原子操作，其它两个语句都不是原子性操作，下面我们来分析一下语句2,其实语句2在执行的时候，包含三个指令操作,对于上面的三条指令来说，如果线程 A 在指令 1 执行完后做线程切换，线程 A 和线程 B 按照下图的序列执行，那么我们会发现两个线程都执行了 count+=1 的操作，但是得到的结果不是我们期望的 2，而是 1。,,原子性、可见性、有序性都应该怎么保证呢？,在不影响单线程程序执行结果的前提下，计算机为了最大限度的发挥机器性能，对机器指令进行重排序优化。,,从Java源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面3种重排序：,,以双重校验锁单例模式为例子，Singleton instance=new Singleton()；对应的JVM指令分为三步：分配内存空间–>初始化对象—>对象指向分配的内存空间，但是经过了编译器的指令重排序，第二步和第三步就可能会重排序。,,JMM属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和指令级重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。,指令重排也是有一些限制的，有两个规则happens-before和as-if-serial来约束。,happens-before的定义：,happens-before的六大规则：,,,,,从图中，我们可以看到：,这意味着什么呢？如果线程 B 读到了“v=true”，那么线程A设置的“x=42”对线程B是可见的。也就是说，线程B能看到“x == 42“。,,我们可以理解为：线程A启动线程B之后，线程B能够看到线程A在启动线程B之前的操作。,,在Java语言里面，Happens-Before的语义本质上是一种可见性，A Happens-Before B 意味着A事件对B事件来说是可见的，并且无论A事件和B事件是否发生在同一个线程里。,as-if-serial是指无论如何重排序都不会影响单线程程序的执行结果。这个原则的核心思想是编译器和处理器等各个层面的优化，不能改变程序执行的意义。,,A和C之间存在数据依赖关系，同时B和C之间也存在数据依赖关系。因此在最终执行的指令序列中，C不能被重排序到A和B的前面（C排到A和B的前面，程序的结果将会被改变）。但A和B之间没有数据依赖关系，编译器和处理器可以重排序A和B之间的执行顺序。,所以最终，程序可能会有两种执行顺序：,,volatile有两个作用，保证可见性和有序性。,可见性：当一个变量被声明为 volatile 时，它会告诉编译器和CPU将该变量存储在主内存中，而不是线程的本地内存中。即每个线程读取的都是主内存中最新的值，避免了多线程并发下的数据不一致问题。,,有序性：重排序可以分为编译器重排序和处理器重排序，valatile保证有序性，就是通过分别限制这两种类型的重排序。,,为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。,,synchronized经常用的，用来保证代码的原子性。,synchronized主要有三种用法：,,,,注意事项：,我们使用synchronized的时候，发现不用自己去lock和unlock，是因为JVM帮我们把这个事情做了。,,,synchronized锁住的是什么呢？,实例对象结构里有对象头，对象头里面有一块结构叫Mark Word，Mark Word指针指向了monitor。,所谓的Monitor其实是一种同步机制，我们可以称为内部锁或者Monitor锁。,monitorenter、monitorexit或者ACC_SYNCHRONIZED都是基于Monitor实现的。,反编译class文件方法：,反编译一段synchronized修饰代码块代码，javap -c -s -v -l ***.class，可以看到相应的字节码指令。,synchronized怎么保证可见性？,synchronized怎么保证有序性？,synchronized同步的代码块，具有排他性，一次只能被一个线程拥有，所以synchronized保证同一时刻，代码是单线程执行的。,因为as-if-serial语义的存在，单线程的程序能保证最终结果是有序的，但是不保证不会指令重排。,所以synchronized保证的有序是执行结果的有序性，而不是防止指令重排的有序性。,synchronized怎么实现可重入的？,synchronized 是可重入锁，也就是说，允许一个线程二次请求自己持有对象锁的临界资源，这种情况称为可重入锁。,之所以是可重入的。是因为 synchronized 锁对象有个计数器，当一个线程请求成功后，JVM会记下持有锁的线程，并将计数器计为1。此时其他线程请求该锁，则必须等待。而该持有锁的线程如果再次请求这个锁，就可以再次拿到这个锁，同时计数器会递增。,当线程执行完毕后，计数器会递减，直到计数器为0才释放该锁。,可以从锁的实现、性能、功能特点等几个维度去回答这个问题：,下面的表格列出了两种锁之间的区别：,,ReentrantLock是一种可重入的排它锁，主要用来解决多线程对共享资源竞争的问题；它提供了比synchronized关键字更加灵活的锁机制。其实现原理主要涉及以下三个方面：,ReentrantLock内部维护了一个Sync对象（AbstractQueuedSynchronizer类的子类），Sync持有锁、等待队列等状态信息，实际上 ReentrantLock的大部分功能都是由Sync来实现的。,当一个线程调用ReentrantLock的lock()方法时，会先尝试CAS操作获取锁，如果成功则返回；否则，线程会被放入等待队列中，等待唤醒重新尝试获取锁。,如果一个线程已经持有了锁，那么它可以重入这个锁，即继续获取该锁而不会被阻塞。ReentrantLock通过维护一个计数器来实现重入锁功能，每次重入计数器加1，每次释放锁计数器减1，当计数器为0时，锁被释放。,当一个线程调用ReentrantLock的unlock()方法时，会将计数器减1，如果计数器变为了0，则锁被完全释放。如果计数器还大于0，则表示有其他线程正在等待该锁，此时会唤醒等待队列中的一个线程来获取锁。,总结：,ReentrantLock的实现原理主要是基于CAS操作和等待队列来实现。它通过Sync对象来维护锁的状态，支持重入锁和公平锁等特性，提供了比synchronized更加灵活的锁机制，是Java并发编程中常用的同步工具之一。,ReentrantLock可以通过构造函数的参数来控制锁的公平性，如果传入 true，就表示该锁是公平的；如果传入 false，就表示该锁是不公平的。,new ReentrantLock()构造函数默认创建的是非公平锁 NonfairSync,,同时也可以在创建锁构造函数中传入具体参数创建公平锁 FairSync,,FairSync、NonfairSync 代表公平锁和非公平锁，两者都是 ReentrantLock 静态内部类，只不过实现不同锁语义。,非公平锁和公平锁的区别：,,CAS叫做CompareAndSwap，比较并交换，主要是通过处理器的指令来保证操作的原子性的。,CAS 操作包含三个参数：共享变量的内存地址（V）、预期原值（A）和新值（B），当且仅当内存地址 V 的值等于 A 时，才将 V 的值修改为 B；否则，不会执行任何操作。,在多线程场景下，使用 CAS 操作可以确保多个线程同时修改某个变量时，只有一个线程能够成功修改。其他线程需要重试或者等待。这样就避免了传统锁机制中的锁竞争和死锁等问题，提高了系统的并发性能。,CAS的经典三大问题：,,ABA问题,ABA 问题是指一个变量从A变成B，再从B变成A，这样的操作序列可能会被CAS操作误判为未被其他线程修改过。例如线程A读取了某个变量的值为 A，然后被挂起，线程B修改了这个变量的值为B，然后又修改回了A，此时线程A恢复执行，进行CAS操作，此时仍然可以成功，因为此时变量的值还是A。,怎么解决ABA问题？,每次修改变量，都在这个变量的版本号上加1，这样，刚刚A->B->A，虽然A的值没变，但是它的版本号已经变了，再判断版本号就会发现此时的A已经被改过了。,比如使用JDK5中的AtomicStampedReference类或JDK8中的LongAdder类。这些原子类型不仅包含数据本身，还包含一个版本号，每次进行操作时都会更新版本号，只有当版本号和期望值都相等时才能执行更新，这样可以避免 ABA 问题的影响。,循环性能开销,自旋CAS，如果一直循环执行，一直不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。,怎么解决循环性能开销问题？,可以使用自适应自旋锁，即在多次操作失败后逐渐加长自旋时间或者放弃自旋锁转为阻塞锁；,只能保证一个变量的原子操作,CAS 保证的是对一个变量执行操作的原子性，如果需要对多个变量进行复合操作，CAS 操作就无法保证整个操作的原子性。,怎么解决只能保证一个变量的原子操作问题？,,,这里使用 AtomicInteger 类来保证 i++ 操作的原子性。,,这里使用 synchronized 方法来保证 increment() 方法的原子性，从而保证 i++ 操作的结果正确。,,这里使用 ReentrantLock 类的 lock() 和 unlock() 方法来保护 i++操作的原子性。,一句话概括：使用CAS实现。,在AtomicInteger中，CAS操作的流程如下：,,,总结：,在 CAS 操作中，由于只有一个线程可以成功修改共享变量的值，因此可以保证操作的原子性，即多线程同时修改AtomicInteger变量时也不会出现竞态条件。这样就可以在多线程环境下安全地对AtomicInteger进行整型变量操作。其它的原子操作类基本都是大同小异。,死锁是指两个或两个以上的线程在执行过程中，因争夺资源而造成的互相等待的现象，在无外力作用的情况下，这些线程会一直相互等待而无法继续运行下去。,,那么为什么会产生死锁呢？死锁的产生必须具备以下四个条件：,,该如何避免死锁呢？答案是至少破坏死锁发生的一个条件。,可以使用jdk自带的命令行工具排查：,基本就可以看到死锁的信息。,还可以利用图形化工具，比如JConsole（JConsole工具在JDK的bin目录中）。出现线程死锁以后，点击JConsole线程面板的检测到死锁按钮，将会看到线程的死锁信息。,演示样例如下：,1.新建连接，找到相应的线程，点击连接,2.选择线程标签，点击检测死锁。查看死锁线程信息,,,,,线程池是一种用于管理和复用线程的机制，它提供了一种执行大量异步任务的方式，并且可以在多个任务之间合理地分配和管理系统资源。,线程池的主要优点包括：,用一个通俗的比喻：,有一个银行营业厅，总共有六个窗口，现在有三个窗口坐着三个营业员小姐姐在营业。小天去办业务，可能会遇到什么情况呢？,,,,,上面的这个流程几乎就跟JDK线程池的大致流程类似。,所以我们线程池的工作流程也比较好理解了：,,,线程池有七大参数，我们重点关注corePoolSize、maximumPoolSize、workQueue、handler 可以帮助我们更好地理解和优化线程池的性能,此值是用来初始化线程池中核心线程数，当线程池中线程数< corePoolSize时，系统默认是添加一个任务才创建一个线程池。当线程数 = corePoolSize时，新任务会追加到workQueue中。,maximumPoolSize表示允许的最大线程数 = (非核心线程数+核心线程数)，当BlockingQueue也满了，但线程池中总线程数 < maximumPoolSize时候就会再次创建新的线程。,非核心线程 =(maximumPoolSize – corePoolSize ) ,非核心线程闲置下来不干活最多存活时间。,线程池中非核心线程保持存活的时间的单位,线程池等待队列，维护着等待执行的Runnable对象。当运行当线程数= corePoolSize时，新的任务会被添加到workQueue中，如果workQueue也满了则尝试用非核心线程执行任务，等待队列应该尽量用有界的。,创建一个新线程时使用的工厂，可以用来设定线程名、是否为daemon线程等等。,corePoolSize、workQueue、maximumPoolSize都不可用的时候执行的饱和策略。,在线程池中，当提交的任务数量超过了线程池的最大容量，线程池就需要使用拒绝策略来处理无法处理的新任务。Java 中提供了 4 种默认的拒绝策略:,除了这些默认的策略之外，我们也可以自定义自己的拒绝策略，实现RejectedExecutionHandler接口即可。,,在Java中，线程池中一般有两种方法来提交任务：execute() 和 submit(),,,可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池。它们的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。,shutdown：将线程池状态置为shutdown,并不会立即停止：,shutdownNow：将线程池状态置为stop。一般会立即停止，事实上不一定：,shutdown 和shutdownnow区别如下：,在Java中，常见的线程池类型主要有四种，都是通过工具类Excutors创建出来的。,,需要注意阿里巴巴《Java开发手册》里禁止使用这种方式来创建线程池。,,线程池特点：,,工作流程：,使用场景：,适用于串行执行任务的场景，一个任务一个任务地执行。,,线程池特点：,,工作流程：,使用场景：,FixedThreadPool 适用于处理CPU密集型的任务，确保CPU在长期被工作线程使用的情况下，尽可能的少的分配线程，即适用执行长期的任务。,,线程池特点：,当提交任务的速度大于处理任务的速度时，每次提交一个任务，就必然会创建一个线程。极端情况下会创建过多的线程，耗尽 CPU 和内存资源。由于空闲 60 秒的线程会被终止，长时间保持空闲的 CachedThreadPool 不会占用任何资源。,,工作流程：,使用场景：,用于并发执行大量短期的小任务。,,线程池特点：,,,工作流程：,使用场景：,周期性执行任务的场景，需要限制线程数量的场景。,在使用线程池处理任务的时候，任务代码可能抛出RuntimeException，抛出异常后，线程池可能捕获它，也可能创建一个新的线程来代替异常的线程，我们可能无法感知任务出现了异常，因此我们需要考虑线程池异常情况。,常见的异常处理方式：,,1.try-catch捕获异常,2.使用Thread.UncaughtExceptionHandler处理异常,3.重写ThreadPoolExecutor.afterExcute处理异常,4.使用future.get处理异常,线程池有这几个状态：RUNNING，SHUTDOWN，STOP，TIDYING，TERMINATED,线程池各个状态切换图：,,RUNNING,SHUTDOWN,STOP,TIDYING,TERMINATED,单机线程池是一种常见的多线程编程方式，它可以用于异步执行任务，提高应用程序的性能和并发能力。在单机线程池中，所有任务都由同一个线程处理，因此如果该线程在执行任务时突然断电，则会出现以下问题：,如果单机线程池在执行任务时突然遇到断电等异常情况，应该尽快采取以下措施：,NIO（Java Non-blocking I/O）是一种 I/O 技术，其核心原理是基于事件驱动的方式进行操作。,NIO 的工作原理：基于缓冲区、通道和选择器的组合，通过高效地利用系统资源，以支持高并发和高吞吐量的数据处理。相比传统的 I/O 编程方式，Java NIO 提供了更为灵活和高效的编程方式。,NIO三大核心组件： Channel（通道）、Buffer（缓冲区）、Selector（选择器）。,Selector、Channel 和 Buffer 的关系图如下：,,通俗理解NIO原理：,NIO 是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有 10000 个请求过来，根据实际情况，可以分配 50 或者 100 个线程来处理。不像之前的阻塞 IO 那样，非得分配 10000 个。,零拷贝（Zero-Copy）是一种 I/O 操作优化技术，可以快速高效地将数据从文件系统移动到网络接口，而不需要将其从内核空间复制到用户空间。,传统I/O操作过程：,传统 I/O 的工作方式是，数据读取和写入是从用户空间到内核空间来回复制，而内核空间的数据是通过操作系统层面的 I/O 接口从磁盘读取或写入。代码通常如下，一般会需要两个系统调用：,代码很简单，虽然就两行代码，但是这里面发生了不少的事情：,,从流程图可以看出，传统IO的读写流程，包括了4次上下文切换（4次用户态和内核态的切换），4次数据拷贝（两次CPU拷贝以及两次的DMA拷贝),这种简单又传统的文件传输方式，存在冗余的上文切换和数据拷贝，在高并发系统里是非常糟糕的，多了很多不必要的开销，会严重影响系统性能。,所以，要想提高文件传输的性能，就需要减少「用户态与内核态的上下文切换」和「内存拷贝」的次数。,零拷贝主要是用来解决操作系统在处理 I/O 操作时，频繁复制数据的问题。关于零拷贝主要技术有MMap+Write、SendFile等几种方式。,Mmap+Wirte实现零拷贝：,,可以发现，mmap+write实现的零拷贝，I/O发生了4次用户空间与内核空间的上下文切换，以及3次数据拷贝。其中3次数据拷贝中，包括了2次DMA拷贝和1次CPU拷贝。,SendFile实现零拷贝：,,可以发现，sendfile实现的零拷贝，I/O发生了2次用户空间与内核空间的上下文切换，以及3次数据拷贝。其中3次数据拷贝中，包括了2次DMA拷贝和1次CPU拷贝。,