Java多线程超级详解(只看这篇就够了)

多线程能够提升程序性能，也属于高薪必能核心技术栈，本篇会全面详解Java多线程。@mikechen
主要包含如下几点：

基本概念

很多人都对其中的一些概念不够明确，如同步、并发等等，让我们先建立一个数据字典，以免产生误会。
进程
在操作系统中运行的程序就是进程，比如你的QQ、播放器、游戏、IDE等等
线程

一个进程可以有多个线程，如视频中同时听声音，看图像，看弹幕，等等。
多线程
多线程：多个线程并发执行。
同步
Java中的同步指的是通过人为的控制和调度，保证共享资源的多线程访问成为线程安全，来保证结果的准确。
比如：synchronized关键字,在保证结果准确的同时，提高性能，线程安全的优先级高于性能。
并行

多个cpu实例或者多台机器同时执行一段处理逻辑，是真正的同时。
并发

通过cpu调度算法，让用户看上去同时执行，实际上从cpu操作层面不是真正的同时。
并发往往在场景中有公用的资源，那么针对这个公用的资源往往产生瓶颈，我们会用TPS或者QPS来反应这个系统的处理能力。
 
线程的生命周期


在线程的生命周期中，它要经过新建(New)、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞(Blocked)和死亡(Dead)5种状态

• 新建状态：当程序使用new关键字创建了一个线程之后，该线程就处于新建状态，此时仅由JVM为其分配内存，并初始化其成员变量的值
  
• 就绪状态：当线程对象调用了start()方法之后，该线程处于就绪状态。Java虚拟机会为其创建方法调用栈和程序计数器，等待调度运行
  
• 运行状态：如果处于就绪状态的线程获得了CPU，开始执行run()方法的线程执行体，则该线程处于运行状态
  
• 阻塞状态：当处于运行状态的线程失去所占用资源之后，便进入阻塞状态
  
• 死亡状态：线程在run()方法执行结束后进入死亡状态。此外，如果线程执行了interrupt()或stop()方法，那么它也会以异常退出的方式进入死亡状态。
  

 
线程状态的控制


可以对照上面的线程状态流转图来看具体的方法，这样更清楚具体作用：
1.start()
启动当前线程, 调用当前线程的run()方法
2.run()
通常需要重写Thread类中的此方法, 将创建的线程要执行的操作声明在此方法中
3.yield()
释放当前CPU的执行权
4.join()
在线程a中调用线程b的join(), 此时线程a进入阻塞状态, 知道线程b完全执行完以后, 线程a才结束阻塞状态
5.sleep(long militime)
让线程睡眠指定的毫秒数，在指定时间内，线程是阻塞状态
6.wait()
一旦执行此方法，当前线程就会进入阻塞，一旦执行wait()会释放同步监视器。
7.sleep()和wait()的异同
相同点：两个方法一旦执行，都可以让线程进入阻塞状态。
不同点：
1) 两个方法声明的位置不同：Thread类中声明sleep(),Object类中声明wait()
2) 调用要求不同：sleep()可以在任何需要的场景下调用。wait()必须在同步代码块中调用。
2) 关于是否释放同步监视器：如果两个方法都使用在同步代码块呵呵同步方法中，sleep不会释放锁，wait会释放锁。
8.notify()
一旦执行此方法，将会唤醒被wait的一个线程。如果有多个线程被wait，就唤醒优先度最高的。
9.notifyAll()
一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程 。
10.LockSupport
LockSupport.park()和LockSupport.unpark()实现线程的阻塞和唤醒的。
 
多线程的5种创建方式

1.继承Thread类

1. package com.mikechen.java.multithread;
5. /**
6. * 多线程创建：继承Thread
7. *
8. * @author mikechen
9. */
10. class MyThread extends Thread {
12.     private int i = 0;
15.     @Override
16.     public void run() {
17.         for (i = 0; i < 10; i++) {
18.             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
19.         }
20.     }
23.     public static void main(String[] args) {
24.         MyThread myThread=new MyThread();
25.         myThread.start();
26.     }
29. }

复制代码

 
2.实现Runnable接口

1. package com.mikechen.java.multithread;
4. /**
5. * 多线程创建：实现Runnable接口
6. *
7. * @author mikechen
8. */
9. public class MyRunnable implements Runnable {
10.     private int i = 0;
12.     @Override
13.     public void run() {
14.         for (i = 0; i < 10; i++) {
15.             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
16.         }
17.     }
20.     public static void main(String[] args) {
21.         Runnable myRunnable = new MyRunnable(); // 创建一个Runnable实现类的对象
22.         Thread thread = new Thread(myRunnable); // 将myRunnable作为Thread target创建新的线程
23.         thread.start();
24.     }
25. }

复制代码

 
3.线程池创建

线程池：其实就是一个可以容纳多个线程的容器，其中的线程可以反复的使用，省去了频繁的创建线程对象的操作，无需反复创建线程而消耗过多的系统资源。

1. package com.mikechen.java.multithread;
4. import java.util.concurrent.Executor;
5. import java.util.concurrent.Executors;
9. /**
10. * 多线程创建：线程池
11. *
12. * @author mikechen
13. */
14. public class MyThreadPool {
17.         public static void main(String[] args) {
18.             //创建带有5个线程的线程池
19.             //返回的实际上是ExecutorService,而ExecutorService是Executor的子接口
20.             Executor threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
21.             for(int i = 0 ;i < 10 ; i++) {
22.                 threadPool.execute(new Runnable() {
23.                     public void run() {
24.                         System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is running");
25.                     }
26.                 });
27.             }
31.         }
36. }

复制代码

 
核心参数

1. public ThreadPoolExecutor(
2.     int corePoolSize,
3.     int maximumPoolSize,
4.     long keepAliveTime,
5.     TimeUnit unit,
6.     BlockingQueue<Runnable> workQueue,
7.     ThreadFactory threadFactory,
8.     RejectedExecutionHandler handler
9. )
10. {
11.     ....
12. }

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线程池任务执行流程

从上图可以看出，提交任务之后，首先会尝试着交给核心线程池中的线程来执行，但是必定核心线程池中的线程数有限，所以必须要由任务队列来做一个缓存，先将任务放队列中缓存，然后等待线程去执行。
最后，由于任务太多，队列也满了，这个时候线程池中剩下的线程就会启动来帮助核心线程池执行任务。
如果还是没有办法正常处理新到的任务，则线程池只能将新提交的任务交给饱和策略来处理了。
4.匿名内部类

适用于创建启动线程次数较少的环境，书写更加简便

1. package com.mikechen.java.multithread;
5. /**
6. * 多线程创建：匿名内部类
7. *
8. * @author mikechen
9. */
10. public class MyThreadAnonymous {
15.         public static void main(String[] args) {
16.             //方式1：相当于继承了Thread类，作为子类重写run()实现
17.             new Thread() {
18.                 public void run() {
19.                     System.out.println("匿名内部类创建线程方式1...");
20.                 };
21.             }.start();
25.             //方式2:实现Runnable,Runnable作为匿名内部类
26.             new Thread(new Runnable() {
27.                 public void run() {
28.                     System.out.println("匿名内部类创建线程方式2...");
29.                 }
30.             } ).start();
31.         }
35. }

复制代码

 
 
5.Lambda表达式创建

1. package com.mikechen.java.multithread;
5. /**
6. * 多线程创建：lambda表达式
7. *
8. * @author mikechen
9. */
10. public class MyThreadLambda {
11.     public static void main(String[] args) {
12.         //匿名内部类创建多线程
13.         new Thread(){
14.             @Override
15.             public void run() {
16.                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"mikchen的互联网架构创建新线程1");
17.             }
18.         }.start();
23.         //使用Lambda表达式，实现多线程
24.         new Thread(()->{
25.             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"mikchen的互联网架构创建新线程2");
26.         }).start();
30.         //优化Lambda
31.         new Thread(()-> System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"mikchen的互联网架构创建新线程3")).start();
35.     }
36. }

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线程的同步

线程的同步是为了防止多个线程访问一个数据对象时，对数据造成的破坏，线程的同步是保证多线程安全访问竞争资源的一种手段。
1.普通同步方法

锁是当前实例对象 ，进入同步代码前要获得当前实例的锁。

1. /**
2. * 用在普通方法
3. */
4. private synchronized void synchronizedMethod() {
5. System.out.println("--synchronizedMethod start--");
6. try {
7. Thread.sleep(2000);
8. } catch (InterruptedException e) {
9. e.printStackTrace();
10. }
11. System.out.println("--synchronizedMethod end--");
12. }

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2.静态同步方法

锁是当前类的class对象 ，进入同步代码前要获得当前类对象的锁。

1. /**
2. * 用在静态方法
3. */
4. private synchronized static void synchronizedStaticMethod() {
5. System.out.println("synchronizedStaticMethod start");
6. try {
7. Thread.sleep(2000);
8. } catch (InterruptedException e) {
9. e.printStackTrace();
10. }
11. System.out.println("synchronizedStaticMethod end");
12. }

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3.同步方法块

锁是括号里面的对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

1. /**
2. * 用在类
3. */
4. private void synchronizedClass() {
5. synchronized (SynchronizedTest.class) {
6. System.out.println("synchronizedClass start");
7. try {
8. Thread.sleep(2000);
9. } catch (InterruptedException e) {
10. e.printStackTrace();
11. }
12. System.out.println("synchronizedClass end");
13. }
14. }

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4.synchronized底层实现

synchronized的底层实现是完全依赖JVM虚拟机的,所以谈synchronized的底层实现，就不得不谈数据在JVM内存的存储：Java对象头，以及Monitor对象监视器。
1.Java对象头
在JVM虚拟机中，对象在内存中的存储布局，可以分为三个区域:

• 对象头(Header)
  
• 实例数据(Instance Data)
  
• 对齐填充(Padding)
  

Java对象头主要包括两部分数据：

1)类型指针（Klass Pointer）
是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例;
2)标记字段(Mark Word)
用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等等,它是实现轻量级锁和偏向锁的关键.
所以，很明显synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的标记字段里。
2.Monitor
monitor描述为对象监视器,可以类比为一个特殊的房间，这个房间中有一些被保护的数据，monitor保证每次只能有一个线程能进入这个房间进行访问被保护的数据，进入房间即为持有monitor，退出房间即为释放monitor。
下图是synchronized同步代码块反编译后的截图，可以很清楚的看见monitor的调用。

使用syncrhoized加锁的同步代码块在字节码引擎中执行时，主要就是通过锁对象的monitor的取用(monitorenter)与释放(monitorexit)来实现的。
 
多线程引入问题

多线程的优点很明显，但是多线程的缺点也同样明显，线程的使用（滥用）会给系统带来上下文切换的额外负担,并且线程间的共享变量可能造成死锁的出现。
1.线程安全问题

1)原子性
在并发编程中很多的操作都不是原子操作，比如：

1. i++;   // 操作2
2. i = j; // 操作3
3. i = i + 1; // 操作4

复制代码

在单线程环境中这3个操作都不会出现问题，但是在多线程环境中，如果不通过加锁操作，往往很可能会出现意料之外的值。
在java中可以通过synchronized或者ReentrantLock来保证原子性。
 
2)可见性
可见性：指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即得到这个修改的值。

如上图所示，每个线程都有自己的工作内存，工作内存和主存间要通过store和load进行交互。
为了解决多线程的可见性问题，java提供了volatile关键字，当一个共享变量被volatile修饰时，他会保证修改的值会立即更新到主存，当有其他线程需要读取时，他会去主存中读取新值，而普通共享变量不能保证其可见性，因为变量被修改后刷回到主存的时间是不确定的。
2.线程死锁

线程死锁是指由于两个或者多个线程互相持有对方所需要的资源，导致这些线程处于等待状态，无法前往执行。
当线程互相持有对方所需要的资源时，会互相等待对方释放资源，如果线程都不主动释放所占有的资源，将产生死锁，如图所示：

举一个例子：

1. public void add(int m) {
2.     synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁
3.         this.value += m;
4.         synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁
5.             this.another += m;
6.         } // 释放lockB的锁
7.     } // 释放lockA的锁
8. }
10. public void dec(int m) {
11.     synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁
12.         this.another -= m;
13.         synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁
14.             this.value -= m;
15.         } // 释放lockA的锁
16.     } // 释放lockB的锁
17. }

复制代码

 
两个线程各自持有不同的锁，然后各自试图获取对方手里的锁，造成了双方无限等待下去，这就是死锁。
3.上下文切换

多线程并发一定会快吗？其实不一定，因为多线程有线程创建和线程上下文切换的开销。

CPU是很宝贵的资源，速度也非常快，为了保证均衡，通常会给不同的线程分配时间片，当CPU从一个线程切换到另外一个线程的时候，CPU需要保存当前线程的本地数据，程序指针等状态，并加载下一个要执行的线程的本地数据，程序指针等，这个切换称之为上下文切换。
一般减少上下文切换的方法有：无锁并发编程，CAS算法，使用协程等方式。
多线程用好了可以成倍的增加效率，用不好可能比单线程还慢。
以上
作者简介

陈睿|mikechen,10年+大厂架构经验,《BAT架构技术500期》系列文章作者，分享十余年BAT架构经验以及面试心得!
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