Java笔记之多线程和并发

本笔记来自 计算机程序的思维逻辑 系列文章

线程

创建线程的方式

  • 继承Thread
  • 实现Runnable接口

属性和方法

  • long tid 线程ID，递增整数

  • String name 线程名，默认以 Thread- + 线程编号 构成

  • int priority 优先级，范围是 1 到 10 ，默认是 5

  • int threadStatus 状态，枚举类型：NEW RUNNABLE BLOCKED WAITING TIMED_WAITING TERMINATED

  • boolean daemon 是否守护线程

    当程序中只存在daemon线程时，程序就会退出

    程序运行时，除了创建main线程，至少还会创建一个负责垃圾回收的线程，它就是daemon线程，当main线程结束时，垃圾回收线程也会退出

  • boolean isAlive() 判断线程是否存活

  • void yield() 表示当前线程不着急使用CPU

  • void sleep(long millis) 让当前线程睡眠一段时间

  • void join(long millis) 等待当前线程，0 表示无限等待

特点

共享内存

每个线程表示一条单独的执行流，有自己的程序计数器，有自己的栈，但线程之间可以共享内存，它们可以访问和操作相同的对象

竞态条件

当多个线程访问和操作同一个对象时，最终结果与执行时序有关，可能正确也可能不正确

解决方法：使用synchronized关键字，使用显式锁，使用原子变量

内存可见性

多个线程可以共享访问和操作同一个变量，但一个线程对一个共享变量的修改，另一个线程不一定马上就能看到，可能永远看不到

在计算机系统中，除了内存，数据还会被缓存在CPU的寄存器以及各级缓存中，当访问一个变量时，可能直接从寄存器或CPU缓存中获取，而不一定到内存中取，当修改一个变量时，也可能是先写到缓存中，而稍后才会同步更新到内存中

优点

  • 充分利用多CPU的计算能力，单线程只能利用一个CPU
  • 充分利用硬件资源，多个独立的网络请求，完全可以使用多个线程同时请求
  • 在用户界面应用程序中，保持程序的响应性，界面和后台任务通常是不同的线程
  • 简化建模和IO处理

成本

  • 创建线程需要消耗操作系统的资源，操作系统会为每个线程创建必要的数据结构、栈、程序计数器等，创建需要时间
  • 当有大量可运行线程时，操作系统会忙于调度，为一个线程分配一段时间，执行完后，再让另一个线程执行。切换出去时，系统需要保存线程当前上下文状态到内存；切换回来时，需要恢复。这种切换会使CPU的缓存失效，而且耗时
  • 创建超过CPU数量的线程是不必要的

synchronized

可以用于修饰类的实例方法、静态方法和代码块

实例方法

  • 保护同一对象的方法调用，实际保护的是当前实例对象
  • 对象有一个锁和一个等待队列，锁只能被一个线程持有，当前线程不能获得锁时，会加入等待队列
  • 保护的是对象而不是代码，只要访问的是同一个对象的synchronized方法，即使是不同的方法，也会同步顺序访问

静态方法

  • 保护的是类对象
  • 不同的两个线程，可以同时一个执行synchronized静态方法，另一个执行synchronized实例方法

代码块

  • 在方法中使用synchronized，传入一个对象，即保护对象
  • 实例方法用this，静态方法则用Class

特点

可重入性
  • 通过记录锁的持有线程和持有数量来实现
  • 同个线程，在获得锁后，调用其它需要同样锁的代码时，可以直接调用；即一个线程调用的一个synchronized实例方法内可以直接调用其它synchronized实例方法
内存可见性
  • 在释放锁时，所有写入都会写回内存，获得锁时，都会从内存读取最新数据。成本有点高
  • 给变量加修饰符volatile，保证读写到内存最新值
死锁
  • a持有锁A，等待锁B，b持有锁B，等待锁A，陷入互相等待
  • 应该尽量避免在持有一个锁的同时去申请另一个锁，如果确实需要多个锁，所有代码都应该按照相同顺序去申请锁

同步容器

通过给所有容器方法加上synchronized来实现安全。如：SynchronizedCollection

但以下情况不是安全的

  • 复合操作
  • 伪同步
  • 迭代

并发容器

同步容器性能比较低，Java有很多专门为并发设计的容器类。如：CopyOnWriteArrayList ConcurrentHashMap

线程的基本协作机制

wait 等待

把当前线程放到条件等待队列并阻塞，等待唤醒

过程
  • 把当前线程放入条件等待队列，释放对象锁，阻塞等待，线程状态变为 WAITING 或 TIMED_WAITING
  • 等待时间到或被其它线程调用notify/notifyAll从条件等待队列中移除，这时，要重新竞争对象锁
    • 如果能够获得锁，线程状态变为 RUNNABLE ，并从 wait 调用中返回
    • 否则，该线程加入对象锁等待队列，线程状态变为 BLOCKED ，只有在获得锁后才会从 wait 调用中返回

线程从wait调用中返回后，不代表其等待的条件就一定成立了，它需要重新检查其等待的条件。

一般调用模式
synchronized (obj) {
    while (条件不成立) {
        obj.wait();
    }
    // ... 执行条件满足后的操作
}

notify 唤醒

从条件等待队列中移除一个线程并将之唤醒

notifyAll 唤醒

移除条件等待队列中所有线程并全部唤醒

机制

  • 每个对象都有一把锁和用于锁的等待队列，还有一个条件等待队列，用于线程间的协作
  • 一个对象调用wait方法就会当前线程放到条件队列上并阻塞，表示当前线程执行不下去了，需要等待一个条件，这个条件它本身无法改变，需要其它线程改变
  • 当其它线程改变了条件后，调用该对象的notify或notifyAll方法，将其唤醒

注意

  • wait 和 notify 方法只能在synchronized代码块内被调用，如果调用时，当前线程没有持有对象锁，会抛异常IllegalMonitorStateException
  • 虽然是在synchronized方法内，但调用wait时，线程会释放锁
  • notify方法不会释放锁

协作的核心

共享的条件变量

场景

  • 同时开始 共享同一个条件变量
  • 等待结束 CountDownLatch
  • 异步结果 Executor Future
  • 集合点 CyclicBarrier

线程的中断

取消/关闭的机制

在Java中，停止一个线程的主要机制是中断，中断并不是强迫终止一个线程，它是一种协作机制，是给线程传递一个取消信号，但是由线程来决定如何及何时退出

每个线程都有一个标志位，表示该线程是否被中断了

  • void stop() 已过时
  • boolean isInterrupted() 返回对应线程的中断标志位
  • void interrupt() 中断对应的线程
  • static boolean interrupted() 返回当前线程的中断标志位；同时清空中断标志位

线程对中断的反应

interrupt 对线程的影响与线程的状态和在进行的IO操作有关

RUNNABLE

线程在运行或具备运行条件只是在等待操作系统调度

  • 如果线程在运行中，且没有执行IO操作，interrupt只是会设置线程的中断标志位，没有任何其它作用；线程应该在运行过程中合适的位置检查中断标志位
WAITING / TIMED_WAITING

线程在等待某个条件或超时

  • 线程执行 join() 或 wait() 会进入 WAITING 状态
  • 线程执行 wait(long timeout) sleep(long millis) 或 join(long millis) 会进入 TIMED_WAITING 状态
  • 在这些状态时，调用interrupt会使线程抛异常InterruptedException，抛异常后，中断标志位被清空
  • 捕获到InterruptedException，通常希望结束该线程，有两种处理方式
    • 向上传递该异常，使得该方法也变成了一个可中断的方法，需要调用者进行处理
    • 不能向上传递时，捕获异常，进行合适的清理操作，清理后，一般调用interrupt方法设置中断标志位，使其它代码知道它发生了中断
BLOCKED

线程在等待锁，试图进入同步块

  • 如果线程在等待锁，调用interrupt只会设置线程的中断标志位，线程依然处于 BLOCKED 状态
NEW / TERMINATE

线程还没启动或已结束

  • 在这些状态时，调用interrupt对它没有任何效果，中断标志位也不会被设置
IO操作
  • 如果IO通道是可中断的，即实现了InterruptibleChannel接口，则IO操作关闭，线程的中断标志位会被设置，同时线程会收到异常ClosedByInterruptException
  • 如果线程阻塞于Selector调用，则线程的中断标志位会被设置，同时阻塞的调用会立即返回

正确取消/关闭线程

  • interrupt方法不会真正中断线程，只是一种协作机制
  • 以线程提供服务的程序模块，应该封装取消/关闭操作，提供单独的取消/关闭方法给调用者，而不是直接调用interrupt方法

原子变量和CAS

包含一些以原子方式实现组合操作的方法

基本原子变量类型

  • AtomicInteger
  • AtomicBoolean
  • AtomicLong
  • AtomicReference，AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference

数组类型

  • AtomicIntegerArray
  • AtomicLongArray
  • AtomicReferenceArray

更新类

  • AtomicIntegerFieldUpdater
  • AtomicLongFieldUpdater
  • AtomicReferenceFieldUpdater

内部实现

依赖compareAndSet方法，简称 CAS

CAS 是Java并发包的基础，基于它可以实现高效、乐观、非阻塞式的数据结构和算法，也是并发包中锁、同步工具和各种容器的基础

对比

  • synchronized是悲观的，它假定更新很可能冲突，所以先获得锁，得到锁后才更新；原子变量是乐观的，它假定冲突比较少，但使用CAS更新，也就是进行冲突检测，如果冲突，就继续尝试
  • synchronized是阻塞式算法，得不到锁时，进入锁等待队列，等待其它线程唤醒，有上下文切换开销；而原子变量是非阻塞式的，更新冲突时，就重试，不会阻塞，不会有上下文切换开销

显式锁

支持以非阻塞方式获取锁，可以响应中断，可以限时

接口 Lock

  • void lock() 获取锁，会阻塞直到成功
  • void unlock() 释放锁
  • void lockInterruptibly() 可以响应中断，被其它线程中断时，抛出InterruptedException异常
  • boolean tryLock() 只是尝试获取锁，立即返回，不阻塞；如果获取成功，返回 true ，否则返回 false
  • boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) 先尝试获取锁，如果成功则立即返回 true ，否则阻塞等待，等待最长时间为指定的参数，在等待的同时响应中断，如果发生中断，抛出InterruptedException异常，如果在等待时间内获得锁，返回 true ，否则返回 false
  • Condition newCondition() 新建一个条件，一个Lock可以关联多个条件

可重入锁 ReentrantLock

基本用法

该类的lock和unlock方法实现了与synchronized一样的语义

  • 可重入，即一个线程在持有一个锁的前提下，可以继续获得该锁
  • 可以解决竞态条件问题
  • 可以保证内存可见性

带参数boolean fair的构造方法

  • 参数 fair 表示是否保证公平，不指定的情况下，默认为 false ，表示不保证公平
  • 公平指等待最长时间的线程优先获得锁；保证公平会影响性能，一般不需要
  • synchronized锁也是不保证公平的

使用显式锁，一定要记得调用unlock，一般而言，应该将lock之后的代码包装到try语句内，在finally语句内释放锁

使用tryLock避免死锁

在持有一个锁，获取另一个锁，获取不到的时候，可以释放已持有的锁，给其它线程机会获取锁，然后再重试获取所有锁

获取锁信息

用于监控和调试

  • boolean isLocked() 是否被持有，不一定是当前线程持有
  • int getHoldCount() 锁被当前线程持有的数量；0 表示不被当前线程持有
  • boolean isHeldByCurrentThread() 是否被当前线程持有
  • boolean isFair() 锁等待策略是否公平
  • boolean hasQueuedThreads() 是否有线程在等待该锁
  • boolean hasQueuedThread(Thread thread) 指定的线程是否在等待该锁
  • int getQueueLength() 在等待该锁的线程个数
实现原理

依赖 CAS 和 LockSupport 类

LockSupport

  • void park() 使当前线程放弃CPU，进入等待状态，操作系统不再对它进行调度，直到有其它线程对它调用了unpark
  • void parkNanos(long nanos) 指定等待的最长时间，相对时间
  • void parkUntil(long deadline) 指定最长等到什么时候，绝对时间
  • void unpark(Thread thread) 使线程恢复可运行状态

显式条件

显式条件与wait/notify相对应

wait/notify与synchronized配合使用；显式条件与显式锁配合使用

Condition

通过显式锁创建 Condition newCondition()

  • void await() 对应于 wait()

  • void signal() 对应于 notify()

  • void signalAll() 对应于 notifyAll()

  • boolean await(long time, TimeUnit unit) 指定等待的时间，相对时间

    如果等待超时，返回 false ，否则为 true

  • long awaitNanos(long nanosTimeout) 指定等待的时间，相对时间

    返回值是 nanosTimeout 减去实际等待的时间

  • boolean awaitUntil(Date deadline) 指定最长等到什么时候，绝对时间

    如果等待超时，返回 false ，否则返回 true

  • void awaitUninterruptibly() 不响应中断的等待

    如果等待过程发生了中断，中断标志位会被设置

机制

  • 和wait方法一样，调用await方法前需要先获取锁，如果没有锁，会抛IllegalMonitorStateException异常
  • await在进入等待队列后，会释放锁，释放CPU
  • 当其它线程将它唤醒后，或等待超时后，或发生中断异常后，它都需要重新获取锁，获取锁后，才会从await方法中退出
  • await返回后，不代表其等待的条件就一定满足了，通常要将await的调用放到一个循环内，只有条件满足后才退出

并发容器

CopyOnWriteArrayList

区别
  • 线程安全，可以被多个线程并发访问
  • 它的迭代器不支持修改操作，但也不会抛出ConcurrentModificationException异常
  • 它以原子方式支持一些复合操作
原理

写时拷贝

  • 内部是一个数组，但这个数组是以原子方式被整体更新的
  • 每次修改操作，都会新建一个数组，复制原数组的内容到新数组，在新数组上进行需要的修改，然后以原子方式设置内部数据的引用
保证线程安全的思路
  • 使用锁
  • 循环CAS
  • 写时拷贝

CopyOnWriteArraySet

基于 CopyOnWriteArrayList 实现

ConcurrentHashMap

区别
  • 并发安全
  • 直接支持一些原子复合操作
  • 支持高并发、读操作完全并行、写操作支持一定程度的并行
  • 迭代不用加锁，不会抛出ConcurrentModificationException异常
  • 弱一致性
原子复合操作

实现了ConcurrentMap接口

  • V putIfAbsent(K key, V value) 条件更新

    如果 key 不存在，则设置 key 为 value ，返回之前的值

    如果 key 存在，返回对应的值

  • boolean remove(Object key, Object value) 条件删除

    如果 key 存在且对应值为 value ，则删除并返回 true ，否则返回 false

  • boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) 条件替换

    如果 key 存在且对应值为 oldValue ，则替换为 newValue 并返回 true ，否则返回 false

  • V replace(K key, V value) 条件替换

    如果 key 存在，则替换值为 value 并返回之前的值，否则返回 null

原理
  • 分段锁 将数据分为多个段，而每个段有一个独立的锁；每个段相当于一个独立的哈希表，分段的依据也是哈希值，无论是保存键值对还是根据键查找，都先根据键的哈希值映射到段，再在段对应的哈希表上进行操作
  • 读不需要锁
弱一致性

迭代器创建后，按照哈希表结构遍历每个元素，但在遍历过程中，内部元素可能会发生变化，如果变化发生在已遍历过的部分，迭代器就不会反应出来，如果变化发生在未遍历的部分，迭代器就会发现并反映出来

ConcurrentSkipListMap

基于 SkipList 跳跃表 实现

特点
  • 没有使用锁，所有操作都是无阻塞的，所有操作都可以并行，多个线程可以同时写
  • 弱一致性，有些操作不是原子的
  • 实现了ConcurrentMap接口，直接支持一些原子复合操作
  • 实现了SortedMap和NavigableMap接口，可排序，默认按键有序，可传递比较器自定义排序
跳表

基于 链表 ，在链表的基础上加了多层索引结构

高层的索引节点一定同时是低层的索引节点；高层的索引节点少，低层的多

每个索引节点，有两个指针，一个向右，指向下一个同层的索引节点，另一个向下，指向下一层的索引节点或基本链表节点

ConcurrentSkipListSet

基于 ConcurrentSkipListMap 实现

各种队列

无锁非阻塞并发队列

都是基于链表实现，没有限制大小，无界；适用于多个线程并发使用一个队列的场合

  • ConcurrentLinkedQueue
  • ConcurrentLinkedDeque
普通阻塞队列

都实现了BlockingQueue接口，内部使用显式锁ReentrantLock和显式条件Condition

  • ArrayBlockingQueue 基于循环数组实现，有界，创建时指定大小，运行过程中不会改变
  • LinkedBlockingQueue LinkedBlockingDeque 基于链表实现，默认无界
优先级阻塞队列

PriorityBlockingQueue 按优先级出队，优先级高的先出，无界

延时阻塞队列

DelayQueue

  • 特殊的优先级队列，无界
  • 要求每个元素都实现Delayed接口
  • 按元素的延时时间出队，只有当元素的延时过期之后才能从队列中被拿走
其它阻塞队列
  • SynchronousQueue 入队操作要等待另一个线程的出队操作，反之亦然
  • LinkedTransferQueue 入队操作可以等待出队操作后再返回

异步任务执行服务

执行服务

线程Thread既表示要执行的任务，又表示执行的机制

执行服务 将 任务的提交 和 任务的执行 相分离，封装了任务执行的细节；对任务的提交者而言，它可以关注于任务本身，如提交任务、获取结果、取消任务；而不需要关注任务执行的细节，如线程创建、任务调度、线程关闭

基本接口

Runnable

表示要执行的异步任务，没有返回结果，不会抛异常

Callable

同样指要执行的异步任务，有返回结果，会抛异常

Executor

表示执行服务，执行一个Runnable，没有返回结果

ExecutorService

扩展了Executor，定义了更多服务

  • submit方法都表示提交任务，返回后，只是表示任务已提交，不代表已执行

  • void shutdown() 关闭

    不再接收新任务，但已提交的任务会继续执行，即使任务还未开始执行

  • List<Runnable> shutdownNow() 关闭

    不再接收新任务，已提交但尚未执行的任务会被终止，并尝试中断正在执行的任务

    返回已提交但尚未执行的任务列表

  • boolean isShutdown() 是否调用了shutdown或shutdownNow

  • boolean isTerminated() 是否所有任务都已结束

    只有调用过shutdown或shutdownNow并且所有任务都已结束才返回 true ，否则返回 false

  • boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) 限定等待时间，等待所有任务结束

    当所有任务都结束，返回 true

    等待超时，返回 false

    等待过程发生中断，会抛InterruptedException异常

  • invokeAll 等待所有任务完成

    可以指定等待时间，如果超时后有任务还没完成，就会被取消

  • invokeAny 只要有一个任务完成，则返回该任务的结果，其它任务会被取消

    可以指定等待时间，如果超时没有任务完成，会抛TimeoutException异常

    如果所有任务都发生异常，则抛ExecutionException异常

Future

表示异步任务的执行结果

  • boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) 取消异步任务

    如果任务已完成、或已经取消、或由于某种原因不能取消，返回 false ，否则返回 true

    如果任务还未开始，则不再运行

    参数mayInterruptIfRunning表示任务正在执行，是否调用interrupt方法中断线程

  • boolean isCancelled() 任务是否被取消

    只要cancel方法返回 true ，随后此方法都会返回 true

  • boolean isDone() 任务是否结束

    任务正常结束、任务抛异常、任务被取消，都视为结束

  • V get() 返回异步任务最终的结果

    如果任务还未执行完成，会阻塞等待

  • V get(long timeout, TimeUnit unit) 同上，限定了阻塞等待的时间，如果超时任务还未结束，会抛TimeoutException异常

任务结果
  • 正常完成
  • 异常 将原异常包装为ExecutionException重新抛出
  • 取消 抛出CancellationException异常

线程池

概念

主要由 任务队列 和 工作者线程 组成

工作者线程主体是一个循环，循环从队列中接受任务并执行，任务队列保存待执行的任务

优点

  • 可以重用线程，避免线程创建的开销
  • 在任务过多时，通过排队避免创建过多线程，减少系统资源消耗和竞争，确保任务有序完成

构造方法参数

corePoolSize

核心线程个数

有新任务时，如果当前线程数小于核心线程个数，就会创建一个新线程来执行该任务，即使其它线程是空闲的，也会创建新线程

如果线程个数大于等于核心线程个数，就不会立即创建新线程，会先尝试排队，如果队列满了或其它原因不能立即入队，就检查线程个数是否达到最大线程个数，如果没有，就继续创建线程，直到线程数达到最大线程个数

maximumPoolSize

最大线程个数

不管创建多少任务，都不会创建比这个值大的线程个数

keepAliveTime unit

空闲线程存活时间

目的是为了释放多余的线程资源

表示当线程池中的线程个数大于核心线程个数时，额外空闲线程的存活时间

workQueue

队列，要求是阻塞队列BlockingQueue

如果是无界队列，线程个数最多达到核心线程个数，到达后，新任务总会排队

handler

任务拒绝策略

如果队列有界，且最大线程个数有限，当队列满，线程个数也达到最大线程个数时，触发线程池的任务拒绝策略

四种处理方式

  • AbortPolicy 默认处理，抛出RejectedExecutionException异常
  • DiscardPolicy 静默处理，忽略新任务，不抛异常，也不执行
  • DiscardOldestPolicy 将等待时间最长的任务扔掉，自己排队
  • CallerRunsPolicy 在任务提交者线程中执行任务，而不是交给线程池中的线程执行
threadFactory

线程工厂

根据Runnable创建一个Thread

Executors

工厂类，方便创建一些预配置的线程池

newSingleThreadExecutor

只使用一个线程，使用无界队列，线程创建后不会超时终止，该线程顺序执行所有任务

适用于需要确保所有任务被顺序执行的场合

newFixedThreadPool

使用固定个数的线程，使用无界队列，线程创建后不会超时终止

如果排队任务过多，可能会消耗非常大的内存

newCachedThreadPool

当有新任务时，如果正好有空闲线程，则接受任务，否则总是创建一个新线程，总线程个数不受限制

对任一空闲线程，如果60秒内没有新任务，就终止

线程池的死锁

任务之间有依赖，可能会出现死锁

任务A在执行过程中，提交了任务B，需等待任务B结束，如果任务A提交给一个单线程线程池，或者任务B由于线程占满需要排队等待，那么就会出现死锁，A在等待B的结果，而B在队列中等待调度

CompletionService

场景

主线程提交多个异步任务，有任务完成就处理结果，并且按任务完成顺序逐个处理

方法

  • Future<V> take() 获取下一个完成任务的结果，阻塞等待
  • Future<V> poll() 获取下一个完成任务的结果，立即返回；如果没有已经完成的任务，返回 null
  • Future<V> poll(long timeout, TimeUnit unit) 获取下一个完成任务的结果，限定等待时间

实现原理

  • 依赖Executor完成实际的任务提交，自己负责结果的排队和处理
  • 内部维护一个队列，用来保存任务结果

实现类

ExecutorCompletionService

定时任务

Timer 和 TimerTask

TimerTask

表示定时任务，实现Runnable接口

Timer

负责定时任务的调度和执行

  • void schedule(TimerTask task, long delay) 当前时间延时 delay 毫秒后执行任务

  • void schedule(TimerTask task, Date time) 再指定绝对时间 time 执行任务

  • void schedule(TimerTask task, long delay, long period) 固定延时重复执行

    第一次执行时间为当前时间加上 delay ，后一次的计划执行时间为前一次 实际 执行时间加上 period

  • void schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period) 固定延时重复执行

    第一次执行时间为 firstTime ，后一次的计划执行时间为前一次 实际 执行时间加上 period

    如果 firstTime 是一个过去的时间，任务会立即执行

  • void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, long delay, long period) 固定频率执行

    第一次执行时间为当前时间加上 delay ，后一次的计划执行时间为前一次 计划 执行时间加上 period

  • void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, Date firstTime, long period) 固定频率执行

    第一次执行时间为 firstTime ，后一次的计划执行时间为前一次 计划 执行时间加上 period

    如果 firstTime 是一个过去的时间，任务会立即执行

    如果 firstTime 加上 period 还是一个过去时间，会连续运行多次，直到时间超过当前时间

基本原理

Timer内部主要由 TaskQueue 和 TimerThread 两部分组成

TaskQueue 是一个基于堆实现的优先级队列，按照下次执行的时间排优先级

TimerThread 负责执行所有的定时任务，一个Timer对象只有一个TimerThread

TimerThread 主体是一个循环，从队列中拿任务，如果队列中有任务且计划执行时间小于等于当前时间，就执行它；如果队列中没有任务或第一个任务延时还没到，就睡眠；如果睡眠过程中添加了新任务且新任务是第一个任务，该线程会被唤醒，重新进行检查

执行任务之前，该线程判断任务是否为周期任务，如果是，就设置下次执行的时间并添加到优先级队列中；对于固定延时的任务，下次执行时间为当前时间加上 period ；对于固定频率的任务，下次执行时间为上次计划执行时间加上 period

注意的是，下次任务的计划是在执行当前任务之前就做出的。

对于固定延时任务，延时相对的是任务执行前的当前时间，而不是任务执行后的

注意

  • 死循环

    一个Timer对象只有一个线程，意味着，定时任务不能耗时太长，更不能是无限循环

  • 异常处理

    在执行任何一个任务的run方法时，一旦抛出异常，TimerThread就会退出，从而所有定时任务都会被取消

    为了各任务互不干扰，在run方法内捕获所有异常

ScheduledExecutorService

特点
  • 基于线程池实现，可以有多个线程
  • 对于周期任务，在任务执行后再设置下次执行的时间
  • 任务执行线程会捕获任务执行过程中的所有异常，一个定时任务的异常不会影响其它定时任务，发生异常的任务会被取消
方法

  • ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)

    延时 delay 后单次执行

  • <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit)

    延时 delay 后单次执行

  • ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)

    固定频率，重复执行

    第一次执行时间为 initialDelay 后，第二次为 initialDelay + period ，依此类推

  • ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit)

    固定延时，重复执行

对于固定延时任务，延时相对的是任务执行后的当前时间

并发同步协作工具

ReentrantReadWriteLock

可重入读写锁

特点

一个读锁，一个写锁；读操作使用读锁，写操作使用写锁

只有 读 - 读 操作可以并行，读 - 写 和 写 - 写 都不可以并行

只有一个线程可以进行 写 操作，在获取写锁时，只有没有任何线程持有任何锁才可以获取到；在持有写锁时，其它任何线程都获取不到任何锁

在没有其它线程持有写锁的情况下，多个线程可以获取和持有读锁

Semaphore

信号量

特点

限制对资源的并发访问数

一般锁只能由持有锁的线程释放，而Semaphore表示的只是一个许可数，任意线程都可以调用其 release 方法

方法

  • void acquire() 获取许可，阻塞等待

  • void acquireUninterruptibly() 获取许可，阻塞等待，不响应中断

  • void acquire(int permits) 批量获取多个许可

  • void acquireUninterruptibly(int permits) 批量获取多个许可

  • boolean tryAcquire() 尝试获取许可，立即返回

    当前有可用许可，返回 true ，否则返回 false

  • boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) 尝试获取许可，限定等待时间

  • void release() 释放许可

CountDownLatch

倒计时门栓

特点

一开始门栓关闭，所有线程都需要等待，然后开始倒计时，倒计时为 0 后，门栓打开，等待的所有线程都可以通过

一次性，打开后就不能再关上了

参与线程有不同角色，有的负责倒计时，有的在等待倒计时；负责倒计时和等待倒计时的线程都可以有多个，用于不同角色线程之间的同步

场景
  • 同时开始
  • 主从协作

CyclicBarrier

循环栅栏

特点

适用于并行迭代计算，每个线程负责一部分计算，然后在栅栏处等待其它线程完成，所有线程到齐后，交换数据和计算结果，再进行下一次迭代

可以重复利用

参与线程角色是一样的，用于同一角色线程间的协调一致

小结

  • 在读多写少的场景中使用ReentrantReadWriteLock替代ReentrantLock，以提高性能
  • 使用Semaphore限制对资源的并发访问数
  • 使用CountDownLatch实现不同角色线程间的同步
  • 使用CyclicBarrier实现同一角色线程间的协调一致

ThreadLocal

每个线程都有同一个变量的独有拷贝

不同线程访问的虽然是同一个变量，但每个线程都有自己的独立的值

方法

  • T get() 获取值

  • void set(T value) 设置值

  • T initialValue() 提供初始值，默认实现是返回 null

  • T setInitialValue() 设置初始值，返回之前的初始值

  • void remove() 删除当前线程对应的值

    删除后，当再次调用get方法时，返回初始值

实现原理

每个线程都有一个 Map ，对于每个ThreadLocal对象，调用其get set方法，实际上就是以ThreadLocal对象为键读写当前线程的 Map

小结

ThreadLocal常用于存储上下文信息，避免在不同代码间来回传递，简化代码

ThreadLocal是实现线程安全、减少竞争的一种方案

在线程池中使用ThreadLocal，需要确保初始值是符合期望的

并发总结

线程安全的机制

线程表示一条单独的执行流，每个线程都有自己的执行计数器，有自己的栈，但可以共享内存

共享内存是实现线程协作的基础

共享内存

两个问题

  • 竞态条件
  • 内存可见性

解决方法

  • 使用synchronized
  • 使用显式锁
  • 使用volatile
  • 使用原子变量和CAS
  • 写时拷贝
  • 使用ThreadLocal

线程的协作机制

协作场景
  • 生产者/消费者协作模式
  • 主从协作模式
  • 同时开始
  • 集合点
机制
  • wait / notify
  • 显式条件
  • 线程的中断
  • 协作工具类
  • 阻塞队列
  • Future / FutureTask

容器类

同步容器

基于普通容器返回线程安全的同步容器，如SynchronizedList

并发容器
  • 写时拷贝的CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet
  • ConcurrentHashMap
  • 基于SkipList的ConcurrentSkipListMap和ConcurrentSkipListSet
  • 各种队列，如ConcurrentLinkedQueue，BlockingQueue

任务执行服务

任务的提交 和 任务的执行 相分离

实现机制：线程池

CompletionService

定时任务

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