1???????? 同步

??????????????? 如何同步多個線程對共享資源的訪問是多線程編程中最基本的問題之一。當(dāng)多個線程并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)處于計算中間狀態(tài)或者不一致的問題，從而影響到程序的正確運行。我們通常把這種情況叫做競爭條件（race condition），把并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù)的代碼叫做關(guān)鍵區(qū)域（critical section）。同步就是使得多個線程順序進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)域從而避免競爭條件的發(fā)生。

1.1?????? Synchronized關(guān)鍵字

???????????????Synchronized是Java多線程編程中最常用的關(guān)鍵字。所有的Java 對象都有自己唯一的隱式同步鎖。該鎖只能同時被一個線程獲得，其他試圖獲得該鎖的線程都會被阻塞在對象的等待隊列中直到獲得該鎖的線程釋放鎖才能繼續(xù)工作。Synchronized關(guān)鍵字通常有兩種用法。當(dāng)Synchronized關(guān)鍵字用于類方法定義中時，表示所有調(diào)用該方法的線程都必須獲得當(dāng)前對象的鎖。這種方式比較簡單，但是同步的粒度比較大，當(dāng)一個線程要執(zhí)行某個對象的同步方法的時候，必須同時沒有任何其他線程在執(zhí)行該對象的任一同步方法。此外，同步方法中的所有代碼均在同步塊中，獲得鎖的線程必須在執(zhí)行完所有的代碼離開該方法后才會釋放鎖，這些代碼中可能只有一部分涉及到對共享資源（例如成員變量）的訪問需要同步，其余則不需要，那么這樣粗粒度的同步顯然增加了其他線程的等待時間。Synchronized的另一種 用法允許作用在某個對象上，并且只同步一段代碼而不是整個方法。

?

synchronized (object) ?{

?// 需要同步的代碼

}

?

這里synchronized所作用的對象可以是類的某個成員變量，也可以是這個類對象（用this表示）。這種用法使得程序員可以根據(jù)需要同步不同的成員變量，而不總是當(dāng)前類對象，提高了靈活性。

?值得一提的是，并不是只有對象才有鎖，類本身也有自己的鎖，這使得static方法同樣可以用synchronized來修飾。訪問同步static方法的線程需要獲得類的同步鎖才能繼續(xù)執(zhí)行。

1.2?????? Volatile關(guān)鍵字

??????????????? 在Java內(nèi)存模型中每個線程擁有自己的本地存儲(例如寄存器)，并且允許線程擁有變量值的拷貝。這使得本來不需要同步的一些原子操作，例如boolean成員變量存儲和讀取也變得不安全。設(shè)想我們有個叫做done的boolean成員變量和一個當(dāng)done為true時才會停止的循環(huán)，該循環(huán)由后臺線程執(zhí)行，另一個UI線程等待用戶輸入，用戶按下某個按鈕以后會把done設(shè)成true從而終止循環(huán)。由于UI線程自己本地?fù)碛衐one的拷貝，用戶在按下按鈕時只是把自己本地的done設(shè)成了true而沒有及時更新主內(nèi)存中的done，所以后臺線程由于看不到done的改變而不會終止。即使主內(nèi)存中的done變化了，后臺線程也會因為自己本地的變量值沒有及時更新而沒有察覺到done的變化。解決這一問題的方法之一是為done提供synchronized的setter和getter方法，這是因為獲得同步鎖會迫使所有變量的值從臨時存儲(寄存器)寫會主內(nèi)存。除此之外，Java提供了一個解決這個問題更為優(yōu)雅的方法：Volatile關(guān)鍵字。每次使用volatile變量，JVM都會保證從主內(nèi)存中讀取它的值；同樣每次修改volatile變量，JVM都會把值寫回到主內(nèi)存中。

??????????????? Volatile適用的場景比較嚴(yán)格，必須很清楚地看到volatile只是告訴JVM對于該變量的讀寫必須每次都在主內(nèi)存中進(jìn)行而禁止使用臨時的拷貝來優(yōu)化，它只是出于JVM特殊的內(nèi)存模型的需要，并沒有同步的功能。因此只有對volatile變量進(jìn)行的原子操作（讀取和賦值）才是線程安全的，像自增++自減--這樣包含多個命令的操作仍然需要其它的同步措施。

??????????????? 另一個需要注意的的地方是當(dāng)用volatile修飾數(shù)組的時候，它只是說數(shù)組的引用是volatile的，而數(shù)組中的元素還是和普通變量一樣，可能被JVM優(yōu)化，我們無法為數(shù)組中的元素加上volatile修飾。解決上述問題的方法是使用Atomic變量。作為使用volatile修飾數(shù)組的一個例子，可以參考java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList。它的add操作是通過復(fù)制原來的數(shù)組并把新元素添加到新數(shù)組末尾然后再把內(nèi)部數(shù)組引用變量指向新數(shù)組來實現(xiàn)的，因此數(shù)組變量經(jīng)常會被修改，需要使用volatile。

1.3?????? 顯式鎖Lock

??????????????? 盡管synchronized關(guān)鍵字可以解決大多數(shù)同步問題，J2SE5.0還是引入了Lock接口。相比使用synchronized關(guān)鍵字獲取對象隱式的同步鎖，我們稱Lock為顯式鎖。使用顯式鎖的一個顯而易見的好處是它不再屬于某個對象，從而可以在多個對象之間共享它。Lock接口有l(wèi)ock()和unlock()兩個方法，使用它們和使用synchronized關(guān)鍵字類似，在進(jìn)入需要同步的代碼之前調(diào)用lock，在離開同步代碼塊時調(diào)用unlock。通常unlock會被放在finally中以保證即使同步代碼塊中有異常發(fā)生，鎖仍然可以被釋放。

??????????????? 和使用synchronized關(guān)鍵字和lock()方法總是把未能獲得鎖的線程阻塞不同，Lock接口還提供了非阻塞的tryLock()方法。調(diào)用tryLock方法的線程如果未能獲得鎖會立刻返回false，線程可以繼續(xù)執(zhí)行其他代碼而避免等待，這為程序員提供了更多自由。

??????????????? Lock接口還提供了一個newCondition () 方法，它返回一個Condition對象。Condition對象的作用和Object用于線程通知的wait-notify機制相同。

1.4?????? 信號量Semaphore

??????????????? 有時候我們有多個相同的共享資源可以同時被多個線程使用。我們希望在鎖的基礎(chǔ)上加上一個計數(shù)器，根據(jù)資源的個數(shù)來初始化這個計數(shù)器，每次成功的lock操作都會使計數(shù)器的值減去1，只要計數(shù)器的值不為零就表示還有資源可以使用，lock操作就能成功。每次unlock操作都會給這個計數(shù)器加1。只有當(dāng)計數(shù)器的值為0的時候lock操作才會阻塞當(dāng)前線程。這就是Java中的信號量Semaphore。

??????????????? Semaphore類提供的方法和Lock接口非常類似，當(dāng)把信號量的資源個數(shù)設(shè)置成1時，信號量就退化為普通的鎖。

1.5?????? 讀寫鎖ReadWriteLock

??????????????? 對共享資源的訪問通常可以分為讀取和寫入。在有些應(yīng)用場景中讀取可能需要花費較長時間，我們需要使用互斥鎖來阻止并發(fā)的寫入操作以保證數(shù)據(jù)的一致性。但是對于并發(fā)的讀取線程其實并不需要使用同步。事實上只有使數(shù)據(jù)發(fā)生變化的操作才需要同步，我們希望有一種方法可以把讀取和寫入?yún)^(qū)分開來，讀取和寫入的操作之間是互斥的，但是多個讀取操作可以同時進(jìn)行，這樣可以有效提高讀取密集型程序的性能。J2SE5.0提供了ReadWriteLock接口并提供了實現(xiàn)該接口的ReentrantReadWriteLock類：

[java]?view plaincopy

public?interface?ReadWriteLock?{??

????Lock?readLock();??

????Lock?writeLock();??

}??

從接口方法中不難看出讀寫鎖中包含讀鎖和寫鎖。實現(xiàn)類ReentrantReadWriteLock為我們提供了更多便捷的方法來使用讀寫鎖，例如isWriteLocked可以用來檢測是否被寫鎖定。

?

2???????? 線程通知

??????????????? 除了同步鎖，Java Object還有兩個可用于線程間通知的同步方法wait和notify。wait和notify必須和synchronized聯(lián)合使用，一個獲得對象鎖的線程通過調(diào)用對象的wait方法可以暫時放棄鎖，把自己阻塞在對象的等待隊列中，好讓其它等待同一把鎖的線程有機會執(zhí)行。當(dāng)另外那個獲得了鎖的線程完成工作后可以調(diào)用notify方法來喚醒它繼續(xù)執(zhí)行。每次notify調(diào)用只能喚醒一個在等待隊列中的線程，notifyAll方法可以喚醒所有在該對象等待隊列中的線程。

?

3???????? 最小化同步

??????????????? 線程同步通過讓線程順序進(jìn)入同步代碼塊解決了多個線程競爭同一資源而引起的不確定性，但是犧牲了效率，因此為了取得更好地性能，我們需要盡可能少地使用同步。事實上并不是所有的競爭條件都是需要避免的，只有當(dāng)競爭條件出現(xiàn)在非線程安全的代碼段時才會引起問題。

3.1?????? Atomic 變量

?????????? 如果一個操作是原子操作，例如給一個boolean 變量賦值，我們就不需要同步。Java提供了一些Atomic類，使得一些本來不是原子操作(例如自增操作 ++，它包含了取值、加1、賦值三個原子操作)也能夠原子執(zhí)行，從而不需要使用同步。

??????????????? Java提供了4個基本的原子類，AtomicInteger, AtomicLong, AtomicBoolean和AtomicReference分別提供針對int，long，boolean，object的原子操作。有意思的是如果你打開JDK的源代碼想看看這些原子操作是如何實現(xiàn)的，你會失望地發(fā)現(xiàn)代碼里面沒有使用任何同步或其它技術(shù)。如果你在自己的程序中寫下同樣地代碼，那么它們并不是原子的。

3.2?????? Thread Local 變量

??????????????? 如果每個線程都有自己私有的成員變量，那么我們也不需要同步。ThreadLocal就是線程的私有變量，每個使用ThreadLocal變量的線程都會有自己獨立的ThreadLocal對象，因此就不存在多個線程訪問同一個變量的問題。當(dāng)然由于ThreadLocal變量為線程私有，它也就不可以用于在多個線程間共享狀態(tài)。

??????????????? ThreadLocal類并不神秘，它的實現(xiàn)原理比較簡單：每個Thread對象有自己用來存儲私有ThreadLocal對象的容器ThreadLocalMap，當(dāng)某個線程調(diào)用ThreadLocal對象的get()方法來 取值的時候，get方法首先會取得當(dāng)前線程對象，然后取出該線程的ThreadLocalMap，然后檢查自己是否已經(jīng)在map中，如果自己已經(jīng)存在，直接返回map中的value。如果不存在，把自己作key并初始化一個value加入到當(dāng)前線程的map中。

[java]?view plaincopy

public?T?get()?{??

????????Thread?t?=?Thread.currentThread();??

????????ThreadLocalMap?map?=?getMap(t);??

????????if?(map?!=?null)?{??

????????????ThreadLocalMap.Entry?e?=?map.getEntry(this);??

????????????if?(e?!=?null)??

????????????????return?(T)e.value;??

????????}??

????????return?setInitialValue();??

}??

4???????? 線程池Thread Pool

??????????????? 線程雖然不像進(jìn)程需要那么多資源，但是它的創(chuàng)建也是有一定開銷的，頻繁地創(chuàng)建和銷毀線程會降低程序的性能；此外應(yīng)用程序可以創(chuàng)建線程的數(shù)量是受機器物理條件制約的，過多的線程會耗盡機器的資源，因此我們在設(shè)計程序的時候需要限制并發(fā)線程的數(shù)量。解決這兩個問題的通常做法是使用線程池。線程池在啟動的時候一次性初始化若干個線程（也可以根據(jù)負(fù)載按需啟動，也有閑置一定時間的線程會被銷毀的策略），然后程序把任務(wù)交給線程池去執(zhí)行而不是直接交給某個線程執(zhí)行，由線程池給這些任務(wù)分配線程。當(dāng)某個線程執(zhí)行完一個任務(wù)后，線程池會把它設(shè)成空閑狀態(tài)以備下一個任務(wù)重用而不是銷毀它。線程池在初始化的時候需要指定線程數(shù)量上限，當(dāng)并發(fā)任務(wù)數(shù)量超過線程數(shù)量的時候，線程池不會再創(chuàng)建新的線程而是讓新任務(wù)等待，這樣我們就不在需要擔(dān)心線程數(shù)量過多耗盡系統(tǒng)資源了。JDK1.5開始為我們提供了標(biāo)準(zhǔn)的線程池。

4.1?????? 執(zhí)行器Executor

??????????????? Java的線程池實現(xiàn)了以下Executor接口：? ? ? ? ?

[java]?view plaincopy

public?interface?Executor?{??

????void?execute(Runnable?command);??

}??

??????????????? 在多線程編程中，執(zhí)行器是一種常用的設(shè)計模式，它的好處在于提供了一種簡單有效的編程模型，我們只需把需要并發(fā)處理的工作拆分成獨立的任務(wù)，然后交給執(zhí)行器去執(zhí)行即可而不必關(guān)心線程的創(chuàng)建，分配和調(diào)度。J2SE5.0主要提供了兩種功能的執(zhí)行器：ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor。ThreadPoolExecutor是基本的線程池實現(xiàn)，ScheduledThreadPoolExecutor在前者基礎(chǔ)上增加了任務(wù)調(diào)度的功能，在把任務(wù)交給它時我們可以指定任務(wù)的執(zhí)行時間，而不是立刻執(zhí)行。

??????????????? java.util.concurrent.Executors是用來創(chuàng)建線程池的工廠類，通過它提供的工廠方法，我們可以方便地創(chuàng)建不同特性的線程池。

4.2?????? Future接口

??????????????? Executor接口并沒有看起來那么理想，有時候我們執(zhí)行一個任務(wù)是要得到計算的結(jié)果，有時候我們需要對任務(wù)有更多控制，例如知道它是否完成，或者中途終止它。返回void的execute方法并不能滿足我們這些需求。當(dāng)然我們可以在傳入的Runnable類上下功夫來提供類似的功能，但是這樣做繁瑣且容易出錯。既然J2SE為我們提供了線程池的標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)把我們從多線程編程中解放出來，這些常見的需求當(dāng)然也會很好地滿足。事實上線程池實現(xiàn)了一個更為豐富的ExecutorService接口，它定義了執(zhí)行任務(wù)并返回代表該任務(wù)的Future對象的submit方法。

?????????? 通過Future接口，我們可以查看已經(jīng)被提交給線程池執(zhí)行的任務(wù)是否完成，獲取執(zhí)行的結(jié)果或者終止任務(wù)。

4.3?????? Runnable 和Callable 接口

??????????????? 實現(xiàn)了Runnable或Callable接口的類都可以作為任務(wù)提交給線程池執(zhí)行，這兩個接口的主要區(qū)別在于Callable的call方法有結(jié)果返回并且可以拋出異常而Runnable的run方法返回void且不允許有可檢查的異常拋出（只能拋runtime exception）。因此如果我們的任務(wù)執(zhí)行后有結(jié)果返回，應(yīng)該使用Callable接口。

?

5???????? 線程和集合類

5.1?????? 線程安全的集合類

• java.util.Vector
• java.util.Stack
• java.util.HashTable
• java.util.concurrent.ConcurrentHashMap
• java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList
• java.util.concurrent.CopyOnWriteArraySet
• java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue

5.2?????? 非線程安全集合類

• java.util.BitSet
• java.util.HashSet (LinkedHashSet)
• java.util.TreeSet
• java.util.HashMap (WeekHashMap, TreeMap, LinkedHashMap, IdentityHashMap)
• java.util.ArrayList (LinkedList)
• java.util.PriorityQueue

??????????????? 這些非線程安全的集合可以通過java.util.Collections.SynchronizedList、SynchronizedMap、SynchronizedSet等方法包裝成線程安全的集合。包裝器類簡單地給被包裝集合的各項操作加上了synchronized保護(hù)。值得注意的是在使用游標(biāo)遍歷這些包裝器集合的時候必須加上額外的synchronized保護(hù)，否則會出現(xiàn)問題。

[java]?view plaincopy

List?list?=?Collections.synchronizedList(new?ArrayList());??

????...??

synchronized(list)?{??

????Iterator?i?=?list.iterator();?//?Must?be?in?synchronized?block??

????while?(i.hasNext())??

????????foo(i.next());??

}??

5.3?????? 線程通知集合類

• java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue
• java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue
• java.util.concurrent.SynchronousQueue
• java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue
• java.util.concurrent.DelayQueue

??????????????? 這些集合類都實現(xiàn)了BlockingQueue接口。阻塞隊列的特點是當(dāng)從隊列中取出元素時如果隊列為空，線程會被阻塞直到隊列中有元素被插入。當(dāng)從隊列中插入元素時如果隊列已滿，線程會被阻塞直到隊列中有元素被取出出現(xiàn)空閑空間。阻塞隊列可以用來實現(xiàn)生產(chǎn)者消費者模式(Producer/Consumer Pattern) 。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Java Threads 多线程10分钟参考手册的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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