引

如果對什么是線程、什么是進程仍存有疑惑，請先Google之，因為這兩個概念不在本文的范圍之內(nèi)。

用多線程只有一個目的，那就是更好的利用cpu的資源，因為所有的多線程代碼都可以用單線程來實現(xiàn)。說這個話其實只有一半對，因為反應(yīng)“多角色”的程序代碼，最起碼每個角色要給他一個線程吧，否則連實際場景都無法模擬，當(dāng)然也沒法說能用單線程來實現(xiàn)：比如最常見的“生產(chǎn)者，消費者模型”。

很多人都對其中的一些概念不夠明確，如同步、并發(fā)等等，讓我們先建立一個數(shù)據(jù)字典，以免產(chǎn)生誤會。

• 多線程：指的是這個程序（一個進程）運行時產(chǎn)生了不止一個線程
• 并行與并發(fā)：
  • 并行：多個cpu實例或者多臺機器同時執(zhí)行一段處理邏輯，是真正的同時。
  • 并發(fā)：通過cpu調(diào)度算法，讓用戶看上去同時執(zhí)行，實際上從cpu操作層面不是真正的同時。并發(fā)往往在場景中有公用的資源，那么針對這個公用的資源往往產(chǎn)生瓶頸，我們會用TPS或者QPS來反應(yīng)這個系統(tǒng)的處理能力。

并發(fā)與并行

• 線程安全：經(jīng)常用來描繪一段代碼。指在并發(fā)的情況之下，該代碼經(jīng)過多線程使用，線程的調(diào)度順序不影響任何結(jié)果。這個時候使用多線程，我們只需要關(guān)注系統(tǒng)的內(nèi)存，cpu是不是夠用即可。反過來，線程不安全就意味著線程的調(diào)度順序會影響最終結(jié)果，如不加事務(wù)的轉(zhuǎn)賬代碼：

  void transferMoney(User from, User to, float amount){
    to.setMoney(to.getBalance() + amount);
    from.setMoney(from.getBalance() - amount);
  }

• 同步：Java中的同步指的是通過人為的控制和調(diào)度，保證共享資源的多線程訪問成為線程安全，來保證結(jié)果的準確。如上面的代碼簡單加入@synchronized關(guān)鍵字。在保證結(jié)果準確的同時，提高性能，才是優(yōu)秀的程序。線程安全的優(yōu)先級高于性能。

好了，讓我們開始吧。我準備分成幾部分來總結(jié)涉及到多線程的內(nèi)容：

1. 扎好馬步：線程的狀態(tài)
2. 內(nèi)功心法：每個對象都有的方法（機制）
3. 太祖長拳：基本線程類
4. 九陰真經(jīng)：高級多線程控制類

扎好馬步：線程的狀態(tài)

先來兩張圖：

線程狀態(tài)

線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換

各種狀態(tài)一目了然，值得一提的是"blocked"這個狀態(tài)：
線程在Running的過程中可能會遇到阻塞(Blocked)情況

1. 調(diào)用join()和sleep()方法，sleep()時間結(jié)束或被打斷，join()中斷,IO完成都會回到Runnable狀態(tài)，等待JVM的調(diào)度。
2. 調(diào)用wait()，使該線程處于等待池(wait blocked pool),直到notify()/notifyAll()，線程被喚醒被放到鎖定池(lock blocked pool )，釋放同步鎖使線程回到可運行狀態(tài)（Runnable）
3. 對Running狀態(tài)的線程加同步鎖(Synchronized)使其進入(lock blocked pool ),同步鎖被釋放進入可運行狀態(tài)(Runnable)。

此外，在runnable狀態(tài)的線程是處于被調(diào)度的線程，此時的調(diào)度順序是不一定的。Thread類中的yield方法可以讓一個running狀態(tài)的線程轉(zhuǎn)入runnable。

內(nèi)功心法：每個對象都有的方法（機制）

synchronized, wait, notify 是任何對象都具有的同步工具。讓我們先來了解他們

monitor

他們是應(yīng)用于同步問題的人工線程調(diào)度工具。講其本質(zhì)，首先就要明確monitor的概念，Java中的每個對象都有一個監(jiān)視器，來監(jiān)測并發(fā)代碼的重入。在非多線程編碼時該監(jiān)視器不發(fā)揮作用，反之如果在synchronized 范圍內(nèi)，監(jiān)視器發(fā)揮作用。

wait/notify必須存在于synchronized塊中。并且，這三個關(guān)鍵字針對的是同一個監(jiān)視器（某對象的監(jiān)視器）。這意味著wait之后，其他線程可以進入同步塊執(zhí)行。

當(dāng)某代碼并不持有監(jiān)視器的使用權(quán)時（如圖中5的狀態(tài)，即脫離同步塊）去wait或notify，會拋出java.lang.IllegalMonitorStateException。也包括在synchronized塊中去調(diào)用另一個對象的wait/notify，因為不同對象的監(jiān)視器不同，同樣會拋出此異常。

再講用法：

• synchronized單獨使用：
  • 代碼塊：如下，在多線程環(huán)境下，synchronized塊中的方法獲取了lock實例的monitor，如果實例相同，那么只有一個線程能執(zhí)行該塊內(nèi)容

    public class Thread1 implements Runnable {
       Object lock;
       public void run() {  
           synchronized(lock){
             ..do something
           }
       }
    }

  • 直接用于方法： 相當(dāng)于上面代碼中用lock來鎖定的效果，實際獲取的是Thread1類的monitor。更進一步，如果修飾的是static方法，則鎖定該類所有實例。

    public class Thread1 implements Runnable {
       public synchronized void run() {  
            ..do something
       }
    }

• synchronized, wait, notify結(jié)合:典型場景生產(chǎn)者消費者問題

  /**
     * 生產(chǎn)者生產(chǎn)出來的產(chǎn)品交給店員
     */
    public synchronized void produce()
    {
        if(this.product >= MAX_PRODUCT)
        {
            try
            {
                wait();  
                System.out.println("產(chǎn)品已滿,請稍候再生產(chǎn)");
            }
            catch(InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
            return;
        }
  
        this.product++;
        System.out.println("生產(chǎn)者生產(chǎn)第" + this.product + "個產(chǎn)品.");
        notifyAll();   //通知等待區(qū)的消費者可以取出產(chǎn)品了
    }
  
    /**
     * 消費者從店員取產(chǎn)品
     */
    public synchronized void consume()
    {
        if(this.product <= MIN_PRODUCT)
        {
            try 
            {
                wait(); 
                System.out.println("缺貨,稍候再取");
            } 
            catch (InterruptedException e) 
            {
                e.printStackTrace();
            }
            return;
        }
  
        System.out.println("消費者取走了第" + this.product + "個產(chǎn)品.");
        this.product--;
        notifyAll();   //通知等待去的生產(chǎn)者可以生產(chǎn)產(chǎn)品了
    }

  volatile

  多線程的內(nèi)存模型：main memory（主存）、working memory（線程棧），在處理數(shù)據(jù)時，線程會把值從主存load到本地棧，完成操作后再save回去(volatile關(guān)鍵詞的作用：每次針對該變量的操作都激發(fā)一次load and save)。

volatile

針對多線程使用的變量如果不是volatile或者final修飾的，很有可能產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果（另一個線程修改了這個值，但是之后在某線程看到的是修改之前的值）。其實道理上講同一實例的同一屬性本身只有一個副本。但是多線程是會緩存值的，本質(zhì)上，volatile就是不去緩存，直接取值。在線程安全的情況下加volatile會犧牲性能。

太祖長拳：基本線程類

基本線程類指的是Thread類，Runnable接口，Callable接口
Thread 類實現(xiàn)了Runnable接口，啟動一個線程的方法：

　　MyThread my = new MyThread();
　　my.start();

Thread類相關(guān)方法：

//當(dāng)前線程可轉(zhuǎn)讓cpu控制權(quán)，讓別的就緒狀態(tài)線程運行（切換）
public static Thread.yield() 
//暫停一段時間
public static Thread.sleep()  
//在一個線程中調(diào)用other.join(),將等待other執(zhí)行完后才繼續(xù)本線程?！　　　?public join()
//后兩個函數(shù)皆可以被打斷
public interrupte()

關(guān)于中斷：它并不像stop方法那樣會中斷一個正在運行的線程。線程會不時地檢測中斷標識位，以判斷線程是否應(yīng)該被中斷（中斷標識值是否為true）。終端只會影響到wait狀態(tài)、sleep狀態(tài)和join狀態(tài)。被打斷的線程會拋出InterruptedException。
Thread.interrupted()檢查當(dāng)前線程是否發(fā)生中斷，返回boolean
synchronized在獲鎖的過程中是不能被中斷的。

中斷是一個狀態(tài)！interrupt()方法只是將這個狀態(tài)置為true而已。所以說正常運行的程序不去檢測狀態(tài)，就不會終止，而wait等阻塞方法會去檢查并拋出異常。如果在正常運行的程序中添加while(!Thread.interrupted()) ，則同樣可以在中斷后離開代碼體

Thread類最佳實踐：
寫的時候最好要設(shè)置線程名稱 Thread.name，并設(shè)置線程組 ThreadGroup，目的是方便管理。在出現(xiàn)問題的時候，打印線程棧 (jstack -pid) 一眼就可以看出是哪個線程出的問題，這個線程是干什么的。

如何獲取線程中的異常

不能用try,catch來獲取線程中的異常

Runnable

與Thread類似

Callable

future模式：并發(fā)模式的一種，可以有兩種形式，即無阻塞和阻塞，分別是isDone和get。其中Future對象用來存放該線程的返回值以及狀態(tài)

ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);
 //submit方法有多重參數(shù)版本，及支持callable也能夠支持runnable接口類型.
Future future = e.submit(new myCallable());
future.isDone() //return true,false 無阻塞
future.get() // return 返回值，阻塞直到該線程運行結(jié)束

九陰真經(jīng)：高級多線程控制類

以上都屬于內(nèi)功心法，接下來是實際項目中常用到的工具了，Java1.5提供了一個非常高效實用的多線程包:java.util.concurrent, 提供了大量高級工具,可以幫助開發(fā)者編寫高效、易維護、結(jié)構(gòu)清晰的Java多線程程序。

1.ThreadLocal類

用處：保存線程的獨立變量。對一個線程類（繼承自Thread)
當(dāng)使用ThreadLocal維護變量時，ThreadLocal為每個使用該變量的線程提供獨立的變量副本，所以每一個線程都可以獨立地改變自己的副本，而不會影響其它線程所對應(yīng)的副本。常用于用戶登錄控制，如記錄session信息。

實現(xiàn)：每個Thread都持有一個TreadLocalMap類型的變量（該類是一個輕量級的Map，功能與map一樣，區(qū)別是桶里放的是entry而不是entry的鏈表。功能還是一個map。）以本身為key，以目標為value。
主要方法是get()和set(T a)，set之后在map里維護一個threadLocal -> a，get時將a返回。ThreadLocal是一個特殊的容器。

2.原子類（AtomicInteger、AtomicBoolean……）

如果使用atomic wrapper class如atomicInteger，或者使用自己保證原子的操作，則等同于synchronized

//返回值為boolean
AtomicInteger.compareAndSet(int expect,int update)

該方法可用于實現(xiàn)樂觀鎖，考慮文中最初提到的如下場景：a給b付款10元，a扣了10元，b要加10元。此時c給b2元，但是b的加十元代碼約為：

if(b.value.compareAndSet(old, value)){
   return ;
}else{
   //try again
   // if that fails, rollback and log
}

AtomicReference
對于AtomicReference 來講，也許對象會出現(xiàn)，屬性丟失的情況，即oldObject == current，但是oldObject.getPropertyA != current.getPropertyA。
這時候，AtomicStampedReference就派上用場了。這也是一個很常用的思路，即加上版本號

3.Lock類　

lock: 在java.util.concurrent包內(nèi)。共有三個實現(xiàn)：

• ReentrantLock
• ReentrantReadWriteLock.ReadLock
• ReentrantReadWriteLock.WriteLock

主要目的是和synchronized一樣， 兩者都是為了解決同步問題，處理資源爭端而產(chǎn)生的技術(shù)。功能類似但有一些區(qū)別。

區(qū)別如下：

1. lock更靈活，可以自由定義多把鎖的枷鎖解鎖順序（synchronized要按照先加的后解順序）
2. 提供多種加鎖方案，lock 阻塞式, trylock 無阻塞式, lockInterruptily 可打斷式， 還有trylock的帶超時時間版本。
3. 本質(zhì)上和監(jiān)視器鎖（即synchronized是一樣的）
4. 能力越大，責(zé)任越大，必須控制好加鎖和解鎖，否則會導(dǎo)致災(zāi)難。
5. 和Condition類的結(jié)合。
6. 性能更高，對比如下圖：

synchronized和Lock性能對比

ReentrantLock　　　　
可重入的意義在于持有鎖的線程可以繼續(xù)持有，并且要釋放對等的次數(shù)后才真正釋放該鎖。
使用方法是：

1.先new一個實例

static ReentrantLock r=new ReentrantLock();

2.加鎖　　　　　　

r.lock()或r.lockInterruptibly();

　　　　
此處也是個不同，后者可被打斷。當(dāng)a線程lock后，b線程阻塞，此時如果是lockInterruptibly，那么在調(diào)用b.interrupt()之后，b線程退出阻塞，并放棄對資源的爭搶，進入catch塊。（如果使用后者，必須throw interruptable exception 或catch）　　　　

3.釋放鎖　　　

r.unlock()

必須做！何為必須做呢，要放在finally里面。以防止異常跳出了正常流程，導(dǎo)致災(zāi)難。這里補充一個小知識點，finally是可以信任的：經(jīng)過測試，哪怕是發(fā)生了OutofMemoryError，finally塊中的語句執(zhí)行也能夠得到保證。

ReentrantReadWriteLock

可重入讀寫鎖（讀寫鎖的一個實現(xiàn)）

　　ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock()
　　ReadLock r = lock.readLock();
　　WriteLock w = lock.writeLock();

兩者都有l(wèi)ock,unlock方法。寫寫，寫讀互斥；讀讀不互斥。可以實現(xiàn)并發(fā)讀的高效線程安全代碼

4.容器類

這里就討論比較常用的兩個：

• BlockingQueue
• ConcurrentHashMap

BlockingQueue
阻塞隊列。該類是java.util.concurrent包下的重要類，通過對Queue的學(xué)習(xí)可以得知，這個queue是單向隊列，可以在隊列頭添加元素和在隊尾刪除或取出元素。類似于一個管　　道，特別適用于先進先出策略的一些應(yīng)用場景。普通的queue接口主要實現(xiàn)有PriorityQueue（優(yōu)先隊列），有興趣可以研究

BlockingQueue在隊列的基礎(chǔ)上添加了多線程協(xié)作的功能：

BlockingQueue

除了傳統(tǒng)的queue功能（表格左邊的兩列）之外，還提供了阻塞接口put和take，帶超時功能的阻塞接口offer和poll。put會在隊列滿的時候阻塞，直到有空間時被喚醒；take在隊　列空的時候阻塞，直到有東西拿的時候才被喚醒。用于生產(chǎn)者-消費者模型尤其好用，堪稱神器。

常見的阻塞隊列有：

• ArrayListBlockingQueue
• LinkedListBlockingQueue
• DelayQueue
• SynchronousQueue

ConcurrentHashMap
高效的線程安全哈希map。請對比hashTable , concurrentHashMap, HashMap

5.管理類

管理類的概念比較泛，用于管理線程，本身不是多線程的，但提供了一些機制來利用上述的工具做一些封裝。
了解到的值得一提的管理類：ThreadPoolExecutor和 JMX框架下的系統(tǒng)級管理類 ThreadMXBean
ThreadPoolExecutor
如果不了解這個類，應(yīng)該了解前面提到的ExecutorService，開一個自己的線程池非常方便：

ExecutorService e = Executors.newCachedThreadPool();
    ExecutorService e = Executors.newSingleThreadExecutor();
    ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);
    // 第一種是可變大小線程池，按照任務(wù)數(shù)來分配線程，
    // 第二種是單線程池，相當(dāng)于FixedThreadPool(1)
    // 第三種是固定大小線程池。
    // 然后運行
    e.execute(new MyRunnableImpl());

該類內(nèi)部是通過ThreadPoolExecutor實現(xiàn)的，掌握該類有助于理解線程池的管理，本質(zhì)上，他們都是ThreadPoolExecutor類的各種實現(xiàn)版本。請參見javadoc：

ThreadPoolExecutor參數(shù)解釋

翻譯一下：
corePoolSize:池內(nèi)線程初始值與最小值，就算是空閑狀態(tài)，也會保持該數(shù)量線程。
maximumPoolSize:線程最大值，線程的增長始終不會超過該值。
keepAliveTime：當(dāng)池內(nèi)線程數(shù)高于corePoolSize時，經(jīng)過多少時間多余的空閑線程才會被回收?；厥涨疤幱趙ait狀態(tài)
unit：
時間單位，可以使用TimeUnit的實例，如TimeUnit.MILLISECONDS　
workQueue:待入任務(wù)（Runnable）的等待場所，該參數(shù)主要影響調(diào)度策略，如公平與否，是否產(chǎn)生餓死(starving)
threadFactory:線程工廠類，有默認實現(xiàn)，如果有自定義的需要則需要自己實現(xiàn)ThreadFactory接口并作為參數(shù)傳入。

請注意：該類十分常用，作者80%的多線程問題靠他。