Java 併發學習筆記

最近從新複習了一邊併發的知識，發現本身以前對於併發的瞭解只是皮毛。這裏總結如下Java併發須要掌握的點。

使用併發的一個重要緣由是提升執行效率。因爲I/O等狀況阻塞，單個任務並不能充分利用CPU時間。因此在單處理器的機器上也應該使用併發。
爲了實現併發，操做系統層面提供了多進程。可是進程的數量和開銷都有限制，而且多個進程之間的數據共享比較麻煩。另外一種比較輕量的併發實現是使用線程，一個進程能夠包含多個線程。線程在進程中沒有數量限制, 數據共享相對簡單。線程的支持跟語言是有關係的。Java 語言中支持多線程。

Java 中的多線程是搶佔式的。這意味着一個任務隨時可能中斷並切換到其它任務。因此咱們須要在代碼中足夠的謹慎，防範好這種切換帶來的反作用。

基礎
Runnable 它能夠理解成一個任務。它的run()方法就是任務的邏輯，執行順序。

Thread 它是一個任務的載體，虛擬機經過它來分配任務執行的時間片。
Thread中的start方法能夠做爲一個併發任務的入口。不經過start方法來執行任務，那麼run方法就只是一個普通的方法

線程的狀態有四種：

NEW 線程建立的時候短暫的處於這種狀態。這種狀態下已經能夠得到CPU時間了，隨後可能進入RUNNABLE，BLOCKED狀態。
RUNNABLE 此狀態下只要CPU將時間分配給線程，線程中的任務就能夠執行。隨後可能進入BLOCKED，DEAD狀態。
BLOCKED 線程能夠運行，可是有某個條件阻止着它。當線程處於阻塞狀態時，CPU不會分配時間片給它，直到它從新進入RUNNABLE狀態。
DEAD 此狀態的線程將永遠不會得到CPU時間片。一般是由於run()方法返回纔會到達此狀態。此時任務仍是能夠被中斷的。
Callable 它是一個帶返回的異步任務，返回的結果放到一個Future對象中。

Future 它能夠接受Callable任務的返回結果。在任務沒有返回的時候調用get方法會阻塞當前線程。cancel方法會嘗試取消未完成的任務（未執行->直接不執行，已經完成->返回false,正在執行->嘗試中斷）。

FutureTask 同時繼承了Runnable, Callable 接口。

Java 1.5以後，再也不推薦直接使用Thread對象做爲任務的入口。推薦使用Executor管理Thread對象。Executor是線程與任務之間的的一箇中間層，它屏蔽了線程的生命週期，再也不須要顯式的管理線程。而且ThreadPoolExecutor 實現了此接口，咱們能夠經過它來利用線程池的優勢。

線程池涉及到的類有：Executor, ExecutorService, ThreadExecutorPool, Executors, FixedThreadPool, CachedThreadPool, SingleThreadPool。

Executor 只有一個方法，execute來提交一個任務

ExecutorService 提供了管理異步任務的方法，也能夠產生一個Future對象來跟蹤一個異步任務。

主要的方法以下:

submit 能夠提交一個任務
shutdown 能夠拒絕接受新任務
shutdownNow 能夠拒絕新任務並向正在執行的任務發出中斷信號
invokeXXX 批量執行任務
ThreadPoolExecutor 線程池的具體實現類。線程池的好處在於提升效率，能避免頻繁申請/回收線程帶來的開銷。

它的使用方法複雜一些，構造線程池的可選參數有:

corePoolSize : int 工做的Worker的數量。
maximumPoolSize : int 線程池中持有的Worker的最大數量
keepAliveTime : long 當超過Workder的數量corePoolSize的時候，若是沒有新的任務提交，超過corePoolSize的Worker的最長等待時間。超過這個時間以後，一部分Worker將被回收。
unit : TimeUnit keepAliveTime的單位
workQueue : BlockingQueue 緩存任務的隊列, 這個隊列只緩存提交的Runnable任務。
threadFactory : ThreadFactory 產生線程的「工廠」
handler : RejectedExecutionHandler 當一個任務被提交的時候，若是全部Worker都在工做而且超過了緩存隊列的容量的時候。會交給這個Handler處理。Java 中提供了幾種默認的實現，AbortPolicy, CallerRunsPolicy, DiscardOldestPolicy, DiscardPolicy。
這裏的Worker能夠理解爲一個線程。

這裏以前想不通，以爲線程不可能從新利用綁定新任務。看了下源碼發現原來確實不是從新綁定任務。每個Worker的核心部分只是一個循環，不斷從緩存隊列中取任務執行。這樣達到了重用的效果。

final void runWorker(Worker w) {
Runnable task = w.firstTask;
// ...
try {
while(task != null || (task=getTask())!=null) {
try{www.81rz.com/xyzx/
task.run();
} catch(Exception e){
}
// ...
}
} finally {
// ...
}
// ...
}
Executors類提供了幾種默認線程池的實現方式。

CachedThreadExecutor 工做線程的數量沒有上限(Integer的最大值), 有須要就建立新線程。
FixedThreadExecutor 預先一次分配固定數量的線程，以後再也不須要建立新線程。
SingleThreadExecutor 只有一個線程的線程池。若是提交了多個任務，那麼這些人物將排隊，每一個任務都在上一我的物執行完以後執行。全部任務都是按照它們的提交順序執行的。
sleep(long) 當前線程 停止 一段時間。它不會釋放鎖。Java1.5以後提供了更加靈活的版本。

TimeUnit 能夠指定睡眠的時間單位。

優先級 絕大多數狀況下咱們都應該使用默認的優先級。不一樣的虛擬機中對應的優先級級別的總數，通常用三個就能夠了 MAX_PRIORITY, NORM_PRIORITY, MIN_PRIORITY。

讓步 Thread.yield()建議相同優先級的其它線程先運行，可是不保證必定運行其它線程。

後臺線程 一個進程中的全部非後臺線程都終止的時候整個進程也就終止，同時殺死全部後臺線程。與優先級沒有什麼關係。

join() 線程 A 持有線程T，當在線程T調用T.join()以後，A會阻塞，直到T的任務結束。能夠加一個超時參數，這樣在超時以後線程A能夠放棄等待繼續執行任務。

捕獲異常 不能跨線程捕獲異常。好比說不能在main線程中添加try-catch塊來捕獲其它線程中拋出的異常。每個Thread對象均可以設置一個UncaughtExceptionHandler對象來處理本線程中拋出的異常。線程池中能夠經過參數ThreadFactory來爲每個線程設置一個UncaughtExceptionHandler對象。

訪問共享資源
在處理併發的時候，將變量設置爲private很是的重要，這能夠防止其它線程直接訪問變量。

synchronized 修飾方法在不加參數狀況下，使用對象自己做爲鎖。靜態方法使用Class對象做爲鎖。同一個任務能夠屢次得到對象鎖。

顯式鎖 Lock，相比synchronized更加靈活。可是須要的代碼更多，編寫出錯的可能性也更高。只有在解決特殊問題或者提升效率的時候才用它。

原子性 原子操做就是永遠不會被線程切換中斷的操做。不少看似原子的操做都是非原子的，好比說long,double是由兩個byte表示的，它們的全部操做都是非原子的。因此，涉及到併發異常的地方都加上同步吧。除非你對虛擬機十分的瞭解。

volatile 這個關鍵字的做用在於防止多線程環境下讀取變量的髒數據。這個關鍵字在c語言中也有，做用是相同的。

原子類 AtomicXXX類，它們可以保證對數據的操做是知足原子性的。這些類能夠用來優化多線程的執行效率，減小鎖的使用。然而，使用難度仍是比較高的。

臨界區 synchronized關鍵字的用法。不是修飾整個方法，而是修飾一個代碼塊。它的做用在於儘可能利用併發的效率，減小同步控制的區域。

ThreadLocal 這個概念與同步的概念不一樣。它是給每個線程都建立一個變量的副本，並保持副本之間相互獨立，互不干擾。因此各個線程操做本身的副本，不會產生衝突。

終結任務
這裏我講一下本身當前的理解。

一個線程不是能夠隨便中斷的。即便咱們給線程設置了中斷狀態，它也仍是能夠得到CPU時間片的。只有由於sleep()方法而阻塞的線程能夠當即收到InterruptedException異常，因此在sleep中斷任務的狀況下能夠直接使用try-catch跳出任務。其它狀況下，均須要經過判斷線程狀態來判斷是否須要跳出任務(Thread.interrupted()方法)。

synchronized方法修飾的代碼不會在收到中斷信號後當即中斷。ReentrantLock鎖控制的同步代碼能夠經過InterruptException中斷。

Thread.interrupted方法調用一次以後會當即清空中斷狀態。能夠本身用變量保存狀態。

線程協做
wait/notifyAll wait/notifyAll是Object類中的方法。調用wait/notifyAll方法的對象是互斥對象。由於Java中全部的Object均可以作互斥量(synchronized關鍵字的參數),因此wait/notify方法是在Object類中的。

wait與sleep 不一樣在於sleep方法是Thread類中的方法，調用它的時候不會釋放鎖；wait方法是Object類中的方法，調用它的時候會釋放鎖。

調用wait方法以前，當前線程必須持有這段邏輯的鎖。不然會拋出異常，不能繼續執行。

wait方法能夠將當前線程放入等待集合中，並釋放當前線程持有的鎖。此後，該線程不會接收到CPU的調度，並進入休眠狀態。有四種狀況肯能打破這種狀態：

有其它線程在此互斥對象上調用了notify方法，而且恰好選中了這個線程被喚醒；
有其它線程在此互斥對象上調用了notifyAll方法；
其它線程向此線程發出了中斷信號；
等待時間超過了參數設置的時間。
線程一旦被喚醒以後，它會像正常線程同樣等待以前持有的全部鎖。直到恢復到wait方法調用以前的狀態。

還有一種不常見的狀況，spurious wakeup(虛假喚醒)。就是在沒有notify，notifyAll，interrupt的時候線程自動醒來。查了一些資料並無弄清楚是爲何。不過爲了防止這種現象，咱們要在wait的條件上加一層循環。

當一個線程調用wait方法以後，其它線程調用該線程的interrupt方法。該線程會喚醒，並嘗試恢復以前的狀態。當狀態恢復以後，該線程會拋出一個異常。

notify 喚醒一個等待此對象的線程。
notifyAll 喚醒全部等待此對象的線程。

錯失的信號
當兩個線程使用notify/wait或者notifyAll/wait進行協做的時候，不恰當的使用它們可能會致使一些信號丟失。例子：

T1:
synchronized(shareMonitor){
// set up condition for T2
shareMonitor.notify();
}

T2:
while(someCondition){
// Point 1
synchronized(shareMonitor){
shareMonitor.wait();
}
}
信號丟失是這樣發生的：

當T2執行到Point1的時候，線程調度器將工做線程從T2切換到T1。T1完成T2條件的設置工做以後，線程調度器將工做線程從T1切換回T2。雖然T2線程等待的條件已經知足，但仍是會被掛起。

解決的方法比較簡單：

T2:
synchronized(sharedMonitor) {
while(someCondition) {
sharedMonitor.wait();
}
}
將競爭條件放到while循環的外面便可。在進入while循環以後，在沒有調用wait方法釋放鎖以前，將不會進入到T1線程形成信號丟失。

notify & notifyAll 前面已經提過這兩個方法的區別。notify是隨機喚醒一個等待此鎖的線程，notifyAll是喚醒全部等待此鎖的線程。

Condition 他是concurrent類庫中顯式的掛起/喚醒任務的工具。它是真正的鎖(Lock)對象產生的一個對象。其實用法跟wait/notify是一致的。await掛起任務，signalAll()喚醒任務。

生產者消費者隊列 Java中提供了一種很是簡便的容器，BlockingQueue。已經幫你寫好了阻塞式的隊列。

除了BlockingQueue，使用PipedWriter/PipedReader也能夠方便的在線程之間傳遞數據。

死鎖
死鎖有四個必要條件，打破一個便可去除死鎖。

四個必要條件：

互斥條件。 互斥條件：一個資源每次只能被一個進程使用。
請求與保持條件：一個線程因請求資源而阻塞時，對已得到的資源保持不放。
不剝奪條件:線程已得到的資源，在末使用完以前，不能強行剝奪。
循環等待條件:若干線程之間造成一種頭尾相接的循環等待資源關係。
原本本身翻譯，但發現百度上描述的更好一些，直接copy到這裏來，並把進程換成了線程。

其它工具
CountDownLatch 同步多個任務，強制等待其它任務完成。它有兩個重要方法countDown,await以及構造時傳入的參數SIZE。當一個線程調用await方法的時候會掛起，直到該對象收到SIZE次countDown。一個對象只能使用一次。

CyclicBarrier 也是有一個SIZE參數。當有SIZE個線程調用await的時候，所有線程都會被喚醒。能夠理解爲全部運動員就位後才能起跑，早就位的運動員只能掛起等待。它能夠重複利用。

DelayQueue 一個×××的BlockingQueue，用來放置實現了Delay接口的對象，在隊列中的對象只有在到期以後才能被取走。若是沒有任何對象到期，就沒有頭元素。

PriorityBlockingQueue 一種自帶優先級的阻塞式隊列。

ScheduledExecutor 能夠把它想象成一種線程池式的Timer, TimerTask。

Semaphore 互斥鎖只容許一個線程訪問資源，可是Semaphore容許SIZE個線程同時訪問資源。

Exchanger 生產者消費者問題的特殊版。兩個線程能夠在都‘準備好了’以後交換一個對象的控制權。

ReadWriteLock 讀寫鎖。 讀-讀不互斥，讀-寫互斥，寫-寫互斥。