Java多线程超级详解(只看这篇就够了)

Bertha 。 2024-03-16 20:41 50阅读 0赞

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**

![8f36d7c4503111f693cc0b54e0a5bed0.png][]

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**

![6864cf6cdd2d2c35d4bbfbabdfb4cdc7.png][]

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**

![b002eac2e75e5445aabec83973046268.png][]

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 ###

![c5bcd571445253d0619e63d5e838668a.png][]

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 ###

![e79d425831b7bb0e52d1af23adc12769.png][]

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 ####

![44b793583adb82481938faedf099ef3d.gif][]

package com.mikechen.java.multithread;
    
    
    
    /**
    * 多线程创建：继承Thread
    *
    * @author mikechen
    */
    class MyThread extends Thread {
    
        private int i = 0;
    
    
        @Override
        public void run() {
            for (i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
            }
        }
    
    
        public static void main(String[] args) {
            MyThread myThread=new MyThread();
            myThread.start();
        }
    
    
    }

![849a529fa7c62d9b7f43c66d19ae8617.gif][]

#### 2.实现Runnable接口 ####

![f86fff18d0980f2decd1dd4942256ffa.gif][]

package com.mikechen.java.multithread;
    
    
    /**
    * 多线程创建：实现Runnable接口
    *
    * @author mikechen
    */
    public class MyRunnable implements Runnable {
        private int i = 0;
    
        @Override
        public void run() {
            for (i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
            }
        }
    
    
        public static void main(String[] args) {
            Runnable myRunnable = new MyRunnable(); // 创建一个Runnable实现类的对象
            Thread thread = new Thread(myRunnable); // 将myRunnable作为Thread target创建新的线程
            thread.start();
        }
    }

![32f2867dd9964e9f54a34ff61a110190.gif][]

#### 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。

![1abe44926388fe2e836290121785d511.gif][]

package com.mikechen.java.multithread;
    
    
    import java.util.concurrent.Executor;
    import java.util.concurrent.Executors;
    
    
    
    /**
    * 多线程创建：线程池
    *
    * @author mikechen
    */
    public class MyThreadPool {
    
    
            public static void main(String[] args) {
                //创建带有5个线程的线程池
                //返回的实际上是ExecutorService,而ExecutorService是Executor的子接口
                Executor threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
                for(int i = 0 ;i < 10 ; i++) {
                    threadPool.execute(new Runnable() {
                        public void run() {
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is running");
                        }
                    });
                }
    
    
    
            }
    
    
    
    
    }

![70c4c0377159f18ac5abac27a85cb500.gif][]

**核心参数**

![70c4c0377159f18ac5abac27a85cb500.gif][]

public ThreadPoolExecutor(
        int corePoolSize,
        int maximumPoolSize,
        long keepAliveTime,
        TimeUnit unit,
        BlockingQueue<Runnable> workQueue,
        ThreadFactory threadFactory,
        RejectedExecutionHandler handler
    )
    {
        ....
    }

![5095cccd1cea52f5a53b76bec23c7b05.gif][]

![b2e72ab14ff23af714f6a26fdf99a8b7.png][]

**线程池任务执行流程**

![56a7faddd048bdee7ab7d37148e84b53.png][]

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

![b3753fa56bb55f79bf2be3a2a1b3410f.gif][]

package com.mikechen.java.multithread;
    
    
    
    /**
    * 多线程创建：匿名内部类
    *
    * @author mikechen
    */
    public class MyThreadAnonymous {
    
    
    
    
            public static void main(String[] args) {
                //方式1：相当于继承了Thread类，作为子类重写run()实现
                new Thread() {
                    public void run() {
                        System.out.println("匿名内部类创建线程方式1...");
                    };
                }.start();
    
    
    
                //方式2:实现Runnable,Runnable作为匿名内部类
                new Thread(new Runnable() {
                    public void run() {
                        System.out.println("匿名内部类创建线程方式2...");
                    }
                } ).start();
            }
    
    
    
    }

![3c1bc11a57a4bebfb07125e62f517400.gif][]

#### 5.Lambda表达式创建 ####

![52b1e517e6b3414f9373be91060a1d6c.gif][]

package com.mikechen.java.multithread;
    
    
    
    /**
    * 多线程创建：lambda表达式
    *
    * @author mikechen
    */
    public class MyThreadLambda {
        public static void main(String[] args) {
            //匿名内部类创建多线程
            new Thread(){
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"mikchen的互联网架构创建新线程1");
                }
            }.start();
    
    
    
    
            //使用Lambda表达式，实现多线程
            new Thread(()->{
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"mikchen的互联网架构创建新线程2");
            }).start();
    
    
    
            //优化Lambda
            new Thread(()-> System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"mikchen的互联网架构创建新线程3")).start();
    
    
    
        }
    }

![9524939fd9098ba5a81fd5b717ebe462.gif][]

### 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。

![f96e960c6237724d547f217702ad173f.gif][]

/**
    * 用在普通方法
    */
    private synchronized void synchronizedMethod() {
    System.out.println("--synchronizedMethod start--");
    try {
    Thread.sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("--synchronizedMethod end--");
    }

![be364880f51106e82bdd58040cb9b294.gif][]

#### 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。

![3c1bc11a57a4bebfb07125e62f517400.gif][]

/**
    * 用在静态方法
    */
    private synchronized static void synchronizedStaticMethod() {
    System.out.println("synchronizedStaticMethod start");
    try {
    Thread.sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("synchronizedStaticMethod end");
    }

![f96e960c6237724d547f217702ad173f.gif][]

#### 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。

![6752e8fb4cc50f23e874f411f59b22eb.gif][]

/**
    * 用在类
    */
    private void synchronizedClass() {
    synchronized (SynchronizedTest.class) {
    System.out.println("synchronizedClass start");
    try {
    Thread.sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("synchronizedClass end");
    }
    }

![9a8a94f9f6abf3b27bae03e5e8533f8e.gif][]

#### 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：**

![14713775fb9d23ef024a3727b8a655ce.png][]

**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。**

![842da87b9ac8504737e6ea8e6932f190.png][]

**使用[syncrhoized][synchronized]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][Link 1]中很多的操作都不是原子操作，比如：

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

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。

![8ffd6c732345ead3d84e67892a852888.png][]

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：

![af6abc3f4f8dbb45f0be4319fde7939b.png][]

举一个例子：

![6c4e0951436afb5d378a3bb62a68c26d.gif][]

public void add(int m) {
        synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁
            this.value += m;
            synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁
                this.another += m;
            } // 释放lockB的锁
        } // 释放lockA的锁
    }
    
    public void dec(int m) {
        synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁
            this.another -= m;
            synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁
                this.value -= m;
            } // 释放lockA的锁
        } // 释放lockB的锁
    }

![9f0bebcd73e239a7eb06eccb7bfee351.gif][]

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。

![fa134323440f34c799f73bb9844f60b5.png][]

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][Link 1]，[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。

[mikechen]: https://mikechen.cc/
[8f36d7c4503111f693cc0b54e0a5bed0.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/e72b05f0c77a4c6885a68f66b18f7e7f.png
[synchronized]: https://mikechen.cc/618.html
[6864cf6cdd2d2c35d4bbfbabdfb4cdc7.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/446e35cc4cb54e678da11a5abda1bd28.png
[b002eac2e75e5445aabec83973046268.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/bae24561e2a549c8a587a08f05314350.png
[c5bcd571445253d0619e63d5e838668a.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/07e4a0c736d34e7ea5419d6c0a2a0e28.png
[e79d425831b7bb0e52d1af23adc12769.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/335482d8d62849f3af2b832938485ee1.png
[44b793583adb82481938faedf099ef3d.gif]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/8a966be3a6884754a6e16760b76a09f3.png
[849a529fa7c62d9b7f43c66d19ae8617.gif]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/5cae992a13714399802dd122f490d3ac.png
[f86fff18d0980f2decd1dd4942256ffa.gif]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/e17387032d4c4ffeaac6050b1edd7ff4.png
[32f2867dd9964e9f54a34ff61a110190.gif]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/1c88bffeb346494a823569f3f5c13965.png
[1abe44926388fe2e836290121785d511.gif]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/bc3873e2a2db46a19656c4e778764561.png
[70c4c0377159f18ac5abac27a85cb500.gif]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/08d425a8695844ceb280706d178c3732.png
[5095cccd1cea52f5a53b76bec23c7b05.gif]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/922199f69d8742cdacf65c2ac1c30dfd.png
[b2e72ab14ff23af714f6a26fdf99a8b7.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/8da3c749da2f4661b6930979ddd5e7da.png
[56a7faddd048bdee7ab7d37148e84b53.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/28602858dcc648c9a3e32e4f497faf08.png
[b3753fa56bb55f79bf2be3a2a1b3410f.gif]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/cab8e8e233484c098c1f6551d91c769a.png
[3c1bc11a57a4bebfb07125e62f517400.gif]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/8ec167b4a7644d8e955ce5f5af95b959.png
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