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07.并发

12a2024/10/3大约 11 分钟javajava基础

07.并发

7.1 综述

  • 你可能很熟悉多任务,这是操作系统的一种能力,看起来可以同时刻运行多个程序,例如:在下载邮件同时可以打印文件,如今人们往往有多cpu的计算机,但并发进程不受限于CPU的数目,多线程程序在更低一层扩展了多任务的概念:单个程序在同时完成多个任务,如果一个程序可以同时执行多个任务,则称这个程序是多线程的
  • 多进程和多线程的区别:多进程每个进程是独立的,有各自的变量,而多线程的数据是共享的,共享变量使得数据的通信更加方便,但会有风险,实际应用中,多线程很有用
  • 并发的原因:
    • 更好地利用单个CPU:能够更好地利用计算机中的资源
    • 更好地利用多个CPU或CPU内核:需要为应用程序使用多个线程,以便能够利用所有CPU或CPU核心
    • 在响应能力方面更好的用户体验:提出的请求可以由后台线程执行,GUI线程在此期间可以自由地响应其他用户请求
    • 在公平性方面更好的用户体验:在用户之间更公平地共享计算机资源,客户端的请求由各自的线程执行,没有任务可以独占时间

7.2 线程

  • 什么是线程:可以设计一个简单程序,完成银行账户的资金转账,可以使用多个线程,如果使用单独的线程完成任务,在单独的线程中,我们可以定义银行类存储账目信息,然后通过一个函数式接口,传入任务,比如说使用Runnable,从这个接口的对象完成操作,构造一个Thread对象var t = new Thread(r);然后t.start()启动线程,这个方法会立即返回,新的线程会并发执行,如果你写了两个r并让他们在上下两行分别执行,他们的输出是交错的,说明两个线程在并发执行

直接调用Thread或Runnable的run方法是不会产生一个线程的,它只会在本线程执行这些操作,应当调用start方法

  • 线程状态:线程一般处于六种不同的状态,调用getState方法能够获得线程的状态

    • New(新建)
    • Runnable(可运行)
    • Blocked(阻塞):
    • Waiting(等待)
    • Timed Waiting(计时等待)
    • Termainated(终止)

  • 新建线程:新建线程是使用new Thread(r)创建之后还没有开始运行,当处于这个状态时,可以进行线程的基础准备工作

  • 可运行线程:一旦调用了start(),线程就变成了可运行线程,但一个可运行的程序可能正在运行,也可能没有运行

    • java没有把运行中作为一个状态,一旦开始运行,它也不一定始终保持运行状态,具体线程调度细节依赖于操作系统提供的服务,抢占式调度系统会给每个可运行线程一个时间片执行任务,并且在线程数目多于处理器时再分配,并考虑优先级

  • 阻塞和等待线程:当线程处于阻塞或等待时,它暂时不工作,而且消耗最少的资源,要由线程调度器重新激活,具体细节取决于它是如何不工作的

    • 可能是试图获得一个内部的对象锁,而这个锁被其他线程占有,这个线程会被堵塞
    • 线程在等待其他线程的运行条件,这个时候就进入等待状态
    • 线程调用了有超时参数的方法,会使线程进入计时等待的状态,直到超时期满或接受到适当的通知

  • 终止线程:线程会由于两个情况终止

    • run方法正常退出
    • 因为没有捕获的异常终止了run方法,意外终止
    • 可以调用线程的stop方法杀死线程,它会抛出一个ThreadDeath异常,但现在已被废弃

7.3 线程属性

  • 中断线程状态:当程序出现异常或执行完毕返回时,线程将终止,除了已经弃用的stop方法没有方法能够使它强制终止,不过interrupt方法用来请求终止一个线程,当调用intertupt方法时,会设置线程的中断状态,这是每个线程都有的boolean标志,每个线程都应该不时检查这个变量,以判断是否中断

    • 要想检查是否设置了中断状态,可以调用Thread.currentThread()方法获得当前线程,然后调用.isInterrupt方法,这个方法需要线程没被阻塞,如果阻塞会抛出InterruptedException异常,如果在使用了sleep或wait调用阻塞的线程上使用了isInterrupt方法,这个线程将被中断
    • 没有任何要求如何处理被中断的方法,中断的状态只是要引起注意,中断的线程可以决定如何响应中断
    • 如果在迭代中重复执行sleep或其他中断方法,就不应该使用isInterrupt方法,sleep方法会清除中断状态,并抛出InterruptException异常,因此如果循环使用了这些方法,应该捕获抛出的异常,而不是检查状态
    • 捕获InterruptException异常,应该在捕获后使用interrupt方法设置中断状态,或者将其抛给调用线程的执行者

  • 守护线程:可以调用t.setDaemon(true)将一个线程转换成守护线程,守护线程的唯一用途是为其它线程提供服务,比如计时器线程就是个例子,如果只剩下守护线程,虚拟机会退出,这一方法必须在线程启动前调用

  • 线程名:在默认情况下,线程有容易记得名字,例如:Thread-2,可以使用setName方法设置线程名,在转储时,可能有用

  • 未捕获异常的处理器:线程的run方法不能抛出任何检查型异常,但是,未捕获的非检查型异常会使线程终止,对于可以传播的异常并没有任何的catch子句,这些异常在线程死亡前,这些异常会被传递到用于处理未捕获异常的处理器,这个处理器必须属于一个实现了Thread.UncaughtExceptionHandler接口的类,这个接口只有一个方法uncaughtException,可以用setUncaughtExceptionHandler方法为任何线程安装处理器,如果没有设置默认处理器,默认处理器为null,如果没有为单个线程安装处理器,那么处理器应该是该线程的ThreadGroup对象(可以一起管理的线程的集合)

    • ThreadGroup类实现了多线程的异常处理器接口,它的uncaughtException方法会执行操作:
      • 如果该线程有父线程组,使用父线程组的uncaughtException方法
      • 否则,如果Thread.getDefaultExceptionHandler方法不为空,则调用它
      • 否则,如果Throwable是一个ThreadDeath实例什么都不做
      • 否则,将线程名和Throwable的栈轨迹输出到System.err流

  • 线程的优先级:在JAVA程序设计语言中,每个线程都有一个优先级,默认情况下,一个线程会继承构造它的那个线程的优先级,用setPriority方法可以提高或降低任何一个线程的优先级(在Thread中有对应的优先级int常量(从1到10))

7.4 同步

  • 竞态条件:在大多数情况下,两个或两个以上的线程要同时对同一个数据进行存取,这种情况可能会相互覆盖,可能会导致对象被破坏,这种情况就称为竞态条件
  • 同步存取:为了避免多线程破坏数据,必须学习如何同步存取,比如银行系统,会出现几个线程同时更新银行账户余额,一段时间后不知不觉就会出现错误
  • 竞态条件详解:假如在银行中更新账户学习时出现这个问题,两个线程在同时执行accounts[to] += amount,这不是原子操作,这个指令可能做以下处理,1️⃣先将accounts[to]加载到寄存器,2️⃣增加amount,3️⃣返回accounts[to],假如第一个线程执行了1和2操作,然后运行权被抢占,而第二个线程开始执行并执行完成,第一个线程恢复后,进行第3步,会覆盖第2个线程的更新
  • java的测试程序能够检查到上方的破坏,当然也有可能出现假警报,使用javap -c -v查看类的虚拟机字节码,可以看到每一条语句的执行都是由1或者多条指令组成的,在这些指令任何一条上,都有可能中断,在一个有多核的现代处理器上,出问题的风险相当高
  • 锁对象:java提供了synchronized关键字来达到防止其他并发访问代码块,而java5之后又提供了ReetrantLock类处理这种情况,先说ReetrantLock类
  • ReetrantLock类是通过以下形式保护代码块
myLock.lock(); //a ReetrantLock Object
try{
  ...
}finally{
  myLock.unLock(); //确保即使出现异常也能够解锁
}
//使用锁时,不能使用try-with-resource
//因为解锁语句不是close,而且一般希望多个线程共享一个变量

  • 这个结构能确保即使有大量线程进入临界区,一旦一个线程锁定了锁对象,其他线程无法通过lock语句,直到第一个线程释放了这个锁对象,你可以把锁对象设置为类变量,在需要的函数里使用(但需要所有线程的所有操作都是对同一个类的实例使用,否则锁是不同的,不会堵塞)

  • 重入锁:ReentrantLock是独占锁且可重入的,通过lock()方法先获取锁三次,然后通过unlock()方法释放锁3次,程序可以正常退出

    • 锁对象存在一个计数来跟踪对lock的嵌套调用,每使用一次lock应该对应一个unlock释放,这样可以使被保护的代码块调用使用相同锁的方法
    • 注意不要在临界区域出现异常而跳出,此时,锁将被释放,对象可能被破坏
    • 公平锁:可以使用new ReentrantLock(boolean)构造一个公平锁,在锁释放后倾向于等待时间最长的线程,但速度很慢,而且对于已经被线程调度器忽略的线程不会得到公平的处理

  • 条件对象:对于需要满足某些条件才能执行,可以先等待其他线程完成后再执行的线程而言,可以使用条件对象解锁,并等待其他线程执行,条件对象可以通过ReentrantLock对象的newCondition()方法生成,有await()方法,可以使线程进入这个条件的等待集,它将暂停并放弃锁,直到其他线程完成前置操作并调用条件对象的signalAll()方法,会重新激活等待集中的所有线程,当这些线程被移除等待集时,他们将成为可运行线程,调度器会把他们激活,signalAll方法只是通知这些线程可以再次检查条件,因此一般使用while(condition){ condition.await(); },当一个线程使用await暂停时,没有办法自己激活,需要其他线程重新调用,如果没有,它永远不会运行,产生死锁现象,如果所有可能解锁的线程都使用await方法,那么程序会永远挂起,条件对象还有随机激活一个线程的signal方法,如果这个被激活的线程条件仍未满足,那仍然不能运行,并且可能出现死锁

  • 锁对象和条件对象小结:

    • 锁可以用来保护代码片段,一次只能有一个线程执行被保护的代码
    • 锁可以管理试图进入被保护代码的线程
    • 锁可以有多个相关联的条件对象
    • 每个条件对象管理已经进入保护代码但是不能运行的线程
  • synchronized:Lock和Condition接口允许程序员充分控制锁定
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