Java 多线程知识小抄集 ( 一 )

本文主要整理博主遇到的Java多线程的相关知识点,适合速记,故命名为“小抄集”。本文没有特别重点,每一项针对一个多线程知识做一个概要性总结,也有一些会带一点例子,习题方便理解和记忆。

1. interrupted与isInterrupted的区别

interrupted():测试当前线程是否已经是中断状态,执行后具有状态标志清除为false的功能。
isInterrupted():测试线程Thread对象是否已经是中断状态,但不清除状态标志。
方法:

    public static boolean interrupted() {
        return currentThread().isInterrupted(true);
    }
    public boolean isInterrupted() {
        return isInterrupted(false);
    }
    private native boolean isInterrupted(boolean ClearInterrupted);

2. 终止正在运行的线程的三种方法:

  • 使用退出标志,是线程正常退出,也就是当run方法完成后线程终止;
  • 使用stop方法强行终止线程,但是不推荐使用这个方法,因为stop和suspend及resume一样都是作废过期的方法,使用它们可能产生不可预料的结果;
  • 使用interrupt方法中断线程;(推荐)

3. yield方法

yield()方法的作用是放弃当前的CPU资源,将它让给其他的任务去占用CPU执行时间。但放弃时间不确定,有可能刚刚放弃,马上又获得CPU时间片。这里需要注意的是yield()方法和sleep方法一样,线程并不会让出锁,和wait不同。

4. 线程的优先级

Java中线程的优先级分为1-10这10个等级,如果小于1或大于10则JDK抛出IllegalArgumentException()的异常,默认优先级是5。在Java中线程的优先级具有继承性,比如A线程启动B线程,则B线程的优先级与A是一样的。注意程序正确性不能依赖线程的优先级高低,因为操作系统可以完全不理会Java线程对于优先级的决定。

5. Java中线程的状态

New, Runnable, Blocked, Waiting, Time_waiting, Terminated.

6. 守护线程

Java中有两种线程,一种是用户线程,另一种是守护线程。当进程中不存在非守护线程了,则守护线程自动销毁。通过setDaemon(true)设置线程为后台线程。注意thread.setDaemon(true)必须在thread.start()之前设置,否则会报IllegalThreadStateException异常;在Daemon线程中产生的新线程也是Daemon的;在使用ExecutorSerice等多线程框架时,会把守护线程转换为用户线程,并且也会把优先级设置为Thread.NORM_PRIORITY。在构建Daemon线程时,不能依靠finally块中的内容来确保执行关闭或清理资源的逻辑。更多详细内容可参考《Java守护线程概述

7. synchronized的类锁与对象锁

类锁:在方法上加上static synchronized的锁,或者synchronized(xxx.class)的锁。如下代码中的method1和method2:
对象锁:参考method4, method5,method6.

public class LockStrategy
{
    public Object object1 = new Object();

    public static synchronized void method1(){}
    public void method2(){
        synchronized(LockStrategy.class){}
    }

    public synchronized void method4(){}
    public void method5()
    {
        synchronized(this){}
    }
    public void method6()
    {
        synchronized(object1){}
    }
}

注意方法method4和method5中的同步块也是互斥的。
下面做一道习题来加深一下对对象锁和类锁的理解:
有一个类这样定义

public class SynchronizedTest
{
    public synchronized void method1(){}
    public synchronized void method2(){}
    public static synchronized void method3(){}
    public static synchronized void method4(){}
}

那么,有SynchronizedTest的两个实例a和b,对于一下的几个选项有哪些能被一个以上的线程同时访问呢?

A. a.method1() vs. a.method2()
B. a.method1() vs. b.method1()
C. a.method3() vs. b.method4()
D. a.method3() vs. b.method3()
E. a.method1() vs. a.method3()

答案是什么呢?BE

有关Java中的锁的详细信息,可以参考《Java中的锁

8. 同步不具备继承性

当一个线程执行的代码出现异常时,其所持有的锁会自动释放。同步不具有继承性(声明为synchronized的父类方法A,在子类中重写之后并不具备synchronized的特性)。

9. wait, notify, notifyAll用法

只能在同步方法或者同步块中使用wait()方法。在执行wait()方法后,当前线程释放锁(这点与sleep和yield方法不同)。调用了wait函数的线程会一直等待,知道有其他线程调用了同一个对象的notify或者notifyAll方法才能被唤醒,需要注意的是:被唤醒并不代表立刻获得对象的锁,要等待执行notify()方法的线程执行完,即退出synchronized代码块后,当前线程才会释放锁,而呈wait状态的线程才可以获取该对象锁。

如果调用wait()方法时没有持有适当的锁,则抛出IllegalMonitorStateException,它是RuntimeException的一个子类,因此,不需要try-catch语句进行捕获异常。

notify方法只会(随机)唤醒一个正在等待的线程,而notifyAll方法会唤醒所有正在等待的线程。如果一个对象之前没有调用wait方法,那么调用notify方法是没有任何影响的。

详细可以参考《JAVA线程间协作:wait.notify.notifyAll

带参数的wait(long timeout)或者wait(long timeout, int nanos)方法的功能是等待某一时间内是否有线程对锁进行唤醒,如果超过这个时间则自动唤醒。

10. 管道

在Java中提供了各种各样的输入/输出流Stream,使我们能够很方便地对数据进行操作,其中管道流(pipeStream)是一种特殊的流,用于在不同线程间直接传送数据。一个线程发送数据到输出管道,另一个线程从输入管道中读数据,通过使用管道,实现不同线程间的通信,而无须借助类似临时文件之类的东西。在JDK中使用4个类来使线程间可以进行通信:PipedInputStream, PipedOutputStream, PipedReader, PipedWriter。使用代码类似inputStream.connect(outputStream)或outputStream.connect(inputStream)使两个Stream之间产生通信连接。

几种进程间的通信方式

- 管道( pipe ):管道是一种半双工的通信方式,数据只能单向流动,而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
- 有名管道 (named pipe) : 有名管道也是半双工的通信方式,但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
- 信号量( semophore ) : 信号量是一个计数器,可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制,防止某进程正在访问共享资源时,其他进程也访问该资源。因此,主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
- 消息队列( message queue ) : 消息队列是由消息的链表,存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
- 信号 ( sinal ) : 信号是一种比较复杂的通信方式,用于通知接收进程某个事件已经发生。
- 共享内存( shared memory ) :共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存,这段共享内存由一个进程创建,但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式,它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制,如信号两,配合使用,来实现进程间的同步和通信。
- 套接字( socket ) : 套解口也是一种进程间通信机制,与其他通信机制不同的是,它可用于不同及其间的进程通信。

11. join方法

如果一个线程A执行了thread.join()语句,其含义是:当前线程A等待thread线程终止之后才从thread.join()返回。join与synchronized的区别是:join在内部使用wait()方法进行等待,而synchronized关键字使用的是“对象监视器”做为同步。
join提供了另外两种实现方法:join(long millis)和join(long millis, int nanos),至多等待多长时间而退出等待(释放锁),退出等待之后还可以继续运行。内部是通过wait方法来实现的。

可以参考一下一个例子:

        System.out.println("method main begin-----");
        Thread t = new Thread(new Runnable(){
            int i = 0;
            @Override
            public void run()
            {
                while(true)
                {
                    System.out.println(i++);
                    try
                    {
                        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
                    }
                    catch (InterruptedException e)
                    {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        });
        t.start();
        t.join(2000);
        System.out.println("method main end-----");

运行结果:

method main begin-----
0
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method main end-----
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12.ThreadLocal

ThreadLocal可以实现每个线程绑定自己的值,即每个线程有各自独立的副本而互相不受影响。一共有四个方法:get, set, remove, initialValue。可以重写initialValue()方法来为ThreadLocal赋初值。如下:

    private static final ThreadLocal<Long> TIME_THREADLOCAL = new ThreadLocal<Long>(){
        @Override
        protected Long initialValue()
        {
            return System.currentTimeMillis();
        }
    };

ThreadLocal建议设置为static类型的。
使用类InheritableThreadLocal可以在子线程中取得父线程继承下来的值。可以采用重写childValue(Object parentValue)方法来更改继承的值。
查看案例:

public class InheriableThreadLocal
{
    public static final InheritableThreadLocal<?> itl = new InheritableThreadLocal<Object>(){
        @Override protected Object initialValue()
        {
            return new Date().getTime();
        }

        @Override protected Object childValue(Object parentValue)
        {
            return parentValue+" which plus in subThread.";
        }
    };

    public static void main(String[] args)
    {
        System.out.println("Main: get value = "+itl.get());
        Thread a = new Thread(new Runnable(){
            @Override public void run()
            {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+": get value = "+itl.get());
            }
        });
        a.start();
    }
}

运行结果:

Main: get value = 1461585405704
Thread-0: get value = 1461585405704 which plus in subThread.

如果去掉@Override protected Object childValue(Object parentValue)方法运行结果:

Main: get value = 1461585396073
Thread-0: get value = 1461585396073

注意:在线程池的情况下,在ThreadLocal业务周期处理完成时,最好显式的调用remove()方法,清空”线程局部变量”中的值。正常情况下使用ThreadLocal不会造成内存溢出,弱引用的只是threadLocal,保存的值依然是强引用的,如果threadLocal依然被其他对象强引用,”线程局部变量”是无法回收的。

13. ReentrantLock

ReentrantLock提供了tryLock方法,tryLock调用的时候,如果锁被其他线程持有,那么tryLock会立即返回,返回结果为false;如果锁没有被其他线程持有,那么当前调用线程会持有锁,并且tryLock返回的结果为true。

boolean tryLock()
boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)

可以在构造ReentranLock时使用公平锁,公平锁是指多个线程在等待同一个锁时,必须按照申请锁的先后顺序来一次获得锁。synchronized中的锁时非公平的,默认情况下ReentrantLock也是非公平的,但是可以在构造函数中指定使用公平锁。

ReentrantLock()
ReentrantLock(boolean fair)

对于ReentrantLock来说,还有一个十分实用的特性,它可以同时绑定多个Condition条件,以实现更精细化的同步控制。

ReentrantLock使用方式如下:

    Lock lock = new ReentrantLock();
    lock.lock();
    try{
    }finally{
        lock.unlock();
    }

14. ReentrantLock中的其余方法

  • int getHoldCount():查询当前线程保持此锁定的个数,也就是调用lock()方法的次数。
  • int getQueueLength():返回正等待获取此锁定的线程估计数。比如有5个线程,1个线程首先执行await()方法,那么在调用getQueueLength方法后返回值是4,说明有4个线程在等待lock的释放。
  • int getWaitQueueLength(Condition condition):返回等待此锁定相关的给定条件Condition的线程估计数。比如有5个线程,每个线程都执行了同一个condition对象的await方法,则调用getWaitQueueLength(Condition condition)方法时返回的int值是5。
  • boolean hasQueuedThread(Thread thread):查询指定线程是否正在等待获取此锁定。
  • boolean hasQueuedThreads():查询是否有线程正在等待获取此锁定。
  • boolean hasWaiters(Condition condition):查询是否有线程正在等待与此锁定有关的condition条件。
  • boolean isFair():判断是不是公平锁。
  • boolean isHeldByCurrentThread():查询当前线程是否保持此锁定。
  • boolean isLocked():查询此锁定是否由任意线程保持。
  • void lockInterruptibly():如果当前线程未被中断,则获取锁定,如果已经被中断则出现异常。

15. Condition

一个Condition和一个Lock关联在一起,就想一个条件队列和一个内置锁相关联一样。要创建一个Condition,可以在相关联的Lock上调用Lock.newCondition方法。正如Lock比内置加锁提供了更为丰富的功能,Condition同样比内置条件队列提供了更丰富的功能:在每个锁上可存在多个等待、条件等待可以是可中断的或者不可中断的、基于时限的等待,以及公平的或非公平的队列操作。与内置条件队列不同的是,对于每个Lock,可以有任意数量的Condition对象。Condition对象继承了相关的Lock对象的公平性,对于公平的锁,线程会依照FIFO顺序从Condition.await中释放。

注意:在Condition对象中,与wait,notify和notifyAll方法对于的分别是await,signal,signalAll。但是,Condition对Object进行了扩展,因而它也包含wait和notify方法。一定要确保使用的版本——await和signal.

详细可参考《JAVA线程间协作:Condition

16. 读写锁ReentrantReadWriteLock

读写锁表示也有两个锁,一个是读操作相关的锁,也称为共享锁;另一个是写操作相关的锁,也叫排它锁。也就是多个读锁之间不互斥,读锁与写锁互斥,写锁与写锁互斥。在没有Thread进行写操作时,进行读取操作的多个Thread都可以获取读锁,而进行写入操作的Thread只有在获取写锁后才能进行写入操作。即多个Thread可以同时进行读取操作,但是同一时刻只允许一个Thread进行写入操作。(lock.readlock.lock(), lock.readlock.unlock, lock.writelock.lock, lock.writelock.unlock)

17. Timer的使用

JDK中的Timer类主要负责计划任务的功能,也就是在指定时间开始执行某一任务。Timer类的主要作用就是设置计划任务,但封装任务的类却是TimerTask类(public abstract class TimerTask extends Object implements Runnable)。可以通过new Timer(true)设置为后台线程。

有以下几个方法:

  • void schedule(TimerTask task, Date time):在指定的日期执行某一次任务。如果执行任务的时间早于当前时间则立刻执行。
  • void schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period):在指定的日期之后,按指定的间隔周期性地无限循环地执行某一任务。如果执行任务的时间早于当前时间则立刻执行。
  • void schedule(TimerTask task, long delay):以当前时间为参考时间,在此基础上延迟指定的毫秒数后执行一次TimerTask任务。
  • void schedule(TimerTask task, long delay, long period):以当前时间为参考时间,在此基础上延迟指定的毫秒数,再以某一间隔无限次数地执行某一任务。
  • void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, Date firstTime, long period):下次执行任务时间参考上次任务的结束时间,且具有“追赶性”。

TimerTask是以队列的方式一个一个被顺序执行的,所以执行的时间有可能和预期的时间不一致,因为前面的任务有可能消耗的时间较长,则后面的任务运行时间也会被延迟。
TimerTask类中的cancel方法的作用是将自身从任务队列中清除。
Timer类中的cancel方法的作用是将任务队列中的全部任务清空,并且进程被销毁。

Timer的缺陷:Timer支持基于绝对时间而不是相对时间的调度机制,因此任务的执行对系统时钟变化很敏感,而ScheduledThreadPoolExecutor只支持相对时间的调度。Timer在执行所有定时任务时只会创建一个线程。如果某个任务的执行时间过长,那么将破坏其他TimerTask的定时精确性。Timer的另一个问题是,如果TimerTask抛出了一个未检查的异常,那么Timer将表现出糟糕的行为。Timer线程并不波或异常,因此当TimerTask抛出为检测的异常时将终止定时线程。

JDK5或者更高的JDK中已经很少使用Timer.

18. 线程安全的单例模式

建议不要采用DCL的写法,建议使用下面这种写法:

public class LazyInitHolderSingleton {  
        private LazyInitHolderSingleton() {  
        }  

        private static class SingletonHolder {  
                private static final LazyInitHolderSingleton INSTANCE = new LazyInitHolderSingleton();  
        }  

        public static LazyInitHolderSingleton getInstance() {  
                return SingletonHolder.INSTANCE;  
        }  
}

或者这种:

public enum SingletonClass
{
    INSTANCE;
}

19. 线程组ThreadGroup

为了有效地对一些线程进行组织管理,通常的情况下事创建一个线程组,然后再将部分线程归属到该组中,这样可以对零散的线程对象进行有效的组织和规划。参考以下案例:

        ThreadGroup tgroup = new ThreadGroup("mavelous zzh");
        new Thread(tgroup, new Runnable(){
            @Override
            public void run()
            {
                System.out.println("A: Begin: "+Thread.currentThread().getName());
                while(!Thread.currentThread().isInterrupted())
                {

                }
                System.out.println("A: DEAD: "+Thread.currentThread().getName());
            }}).start();;
        new Thread(tgroup, new Runnable(){
            @Override
            public void run()
            {
                System.out.println("B: Begin: "+Thread.currentThread().getName());
                while(!Thread.currentThread().isInterrupted())
                {

                }
                System.out.println("B: DEAD: "+Thread.currentThread().getName());
            }}).start();;
        System.out.println(tgroup.activeCount());
        System.out.println(tgroup.getName());
        System.out.println(tgroup.getMaxPriority());
        System.out.println(tgroup.getParent());
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        tgroup.interrupt();

输出:

A: Begin: Thread-0
2
mavelous zzh
10
B: Begin: Thread-1
java.lang.ThreadGroup[name=main,maxpri=10]
B: DEAD: Thread-1
A: DEAD: Thread-0

20. 多线程的异常捕获UncaughtExceptionHandler

setUncaughtExceptionHandler()的作用是对指定线程对象设置默认的异常处理器。

        Thread thread = new Thread(new Runnable(){
            @Override
            public void run()
            {
                int a=1/0;
            }
        });
        thread.setUncaughtExceptionHandler(new UncaughtExceptionHandler(){
            @Override
            public void uncaughtException(Thread t, Throwable e)
            {
                System.out.println("线程:"+t.getName()+" 出现了异常:"+e.getMessage());
            }
        });
        thread.start();

输出:线程:Thread-0 出现了异常:/ by zero
setDefaultUncaughtExceptionHandler()方法对所有线程对象设置异常处理器。

        Thread thread = new Thread(new Runnable(){
            @Override
            public void run()
            {
                int a=1/0;
            }
        });
        Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler(new UncaughtExceptionHandler(){
            @Override
            public void uncaughtException(Thread t, Throwable e)
            {
                System.out.println("线程:"+t.getName()+" 出现了异常:"+e.getMessage());
            }
        });
        thread.start();

输出同上,注意两者之间的区别。如果既包含setUncaughtExceptionHandler又包含setDefaultUncaughtExceptionHandler那么会被setUncaughtExceptionHandler处理,setDefaultUncaughtExceptionHandler则忽略。更多详细信息参考《JAVA多线程之UncaughtExceptionHandler——处理非正常的线程中止

21.ReentrantLock与synchonized区别

  • ReentrantLock可以中断地获取锁(void lockInterruptibly() throws InterruptedException)
  • ReentrantLock可以尝试非阻塞地获取锁(boolean tryLock())
  • ReentrantLock可以超时获取锁。通过tryLock(timeout, unit),可以尝试获得锁,并且指定等待的时间。
  • ReentrantLock可以实现公平锁。通过new ReentrantLock(true)实现。
  • ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象,而在synchronized中,锁对象的的wait(), notify(), notifyAll()方法可以实现一个隐含条件,如果要和多于一个的条件关联的对象,就不得不额外地添加一个锁,而ReentrantLock则无需这样做,只需要多次调用newCondition()方法即可。

22. 使用多线程的优势

更多的处理器核心;更快的响应时间;更好的编程模型。

23. 构造线程

一个新构造的线程对象是由其parent线程来进行空间分配的,而child线程继承了parent线程的:是否为Daemon、优先级、加载资源的contextClassLoader以及InheritableThreadLocal(参考第12条),同时还会分配一个唯一的ID来标志这个child线程。

24. 使用多线程的方式

extends Thread 或者implements Runnable

25. 读写锁

读写锁在同一时刻可以允许多个读线程访问,但是在写线程访问时,所有的读线程和其他写线程均被阻塞。读写锁维护了一对锁,一个读锁和一个写锁,通过分离读锁和写锁,使得并发性相比一般的排它锁有了很大的提升。Java中使用ReentrantReadWriteLock实现读写锁,读写锁的一般写法如下(修改自JDK7中的示例):

    class RWDictionary {
    private final Map<String, Object> m = new TreeMap<String, Object>();
    private final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    private final Lock r = rwl.readLock();
    private final Lock w = rwl.writeLock();

    public Object get(String key)
    {
        r.lock();
        try
        {
            return m.get(key);
        }
        finally
        {
            r.unlock();
        }
    }

    public String[] allKeys()
    {
        r.lock();
        try
        {
            return (String[]) m.keySet().toArray();
        }
        finally
        {
            r.unlock();
        }
    }

    public Object put(String key, Object value)
    {
        w.lock();
        try
        {
            return m.put(key, value);
        }
        finally
        {
            w.unlock();
        }
    }

    public void clear()
    {
        w.lock();
        try
        {
            m.clear();
        }
        finally
        {
            w.unlock();
        }
    }
 }

26.锁降级

锁降级是指写锁降级成读锁。如果当前线程拥有写锁,然后将其释放,最后获取读锁,这种分段完成的过程不能称之为锁降级。锁降级是指把持住(当前拥有的)写锁,再获取到读锁,最后释放(先前拥有的)写锁的过程。参考下面的示例:

    private final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    private final Lock r = rwl.readLock();
    private final Lock w = rwl.writeLock();
    private volatile static boolean update = false;

    public void processData()
    {
        r.lock();
        if(!update)
        {
            //必须先释放读锁
            r.unlock();
            //锁降级从写锁获取到开始
            w.lock();
            try
            {
                if(!update)
                {
                    //准备数据的流程(略)
                    update = true;
                }
                r.lock();
            }
            finally
            {
                w.unlock();
            }
            //锁降级完成,写锁降级为读锁
        }

        try
        {
            //使用数据的流程(略)
        }
        finally
        {
            r.unlock();
        }
    }

锁降级中的读锁是否有必要呢?答案是必要。主要是为了保证数据的可见性,如果当前线程不获取读锁而是直接释放写锁,假设此刻另一个线程(T)获取了写锁并修改了数据,那么当前线程无法感知线程T的数据更新。如果当前线程获取读锁,即遵循锁降级的步骤,则线程T将会被阻塞,直到当前线程使用数据并释放读锁之后,线程T才能获取写锁进行数据更新。

持续更新中~
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Java多线程知识小抄集(二)
Java多线程知识小抄集(三)

参考资料

1. 《Java多线程编程核心技术》高洪岩著。
2. 《Java并发编程的艺术》方腾飞 等著。
3. 《Java并发编程实战》Brian Goetz等著。
4. 深入JDK源码之ThreadLocal类
5. JAVA多线程之扩展ThreadPoolExecutor
6. Comparable与Comparator浅析
7. JAVA多线程之UncaughtExceptionHandler——处理非正常的线程中止
8. JAVA线程间协作:Condition
9. JAVA线程间协作:wait.notify.notifyAll
10. Java中的锁
11. Java守护线程概述
12. Java SimpleDateFormat的线程安全性问题



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