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干货：Java多线程详解（内附源码）

2018-06-18 02:18:05来源：未知阅读 ()

线程是程序执行的最小单元，多线程是指程序同一时间可以有多个执行单元运行(这个与你的CPU核心有关)。

在java中开启一个新线程非常简单，创建一个Thread对象，然后调用它的start方法，一个新线程就开启了。

那么执行代码放在那里呢？有两种方式：1. 创建Thread对象时，复写它的run方法，把执行代码放在run方法里。2. 创建Thread对象时，给它传递一个Runnable对象，把执行代码放在Runnable对象的run方法里。

如果多线程操作的是不同资源，线程之间不会相互影响，不会产生任何问题。但是如果多线程操作相同资源(共享变量)，就会产生多线程冲突，要知道这些冲突产生的原因，就要先了解java内存模型(简称JMM)。

一. java内存模型(JMM)

1.1 java内存模型(JMM)介绍

java内存模型决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽样的角度来说：线程之间的共享变量存储在主内存(main memory)中，每个线程都有一个私有的本地内存(local memory)，本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。

存在两种内存：主内存和线程本地内存，线程开始时，会复制一份共享变量的副本放在本地内存中。

线程对共享变量操作其实都是操作线程本地内存中的副本变量，当副本变量发生改变时，线程会将它刷新到主内存中(并不一定立即刷新，何时刷新由线程自己控制)。

当主内存中变量发生改变，就会通知发出信号通知其他线程将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他线程从本地内存读取这个变量时，发现这个变量已经无效了，那么它就会从内存重新读取。

1.2 可见性

从上面的介绍中，我们看出多线程操作共享变量，会产生一个问题，那就是可见性问题：即一个线程对共享变量修改，对另一个线程来说并不是立即可见的。

classData{inta =0;intb =0;intx =0;inty =0;// a线程执行publicvoidthreadA(){ a =1; x = b; }// b线程执行publicvoidthreadB(){ b =2; y = a; }}

如果有两个线程同时分别执行了threadA和threadB方法。可能会出现x==y==0这个情况(当然这个情况比较少的出现)。

因为a和b被赋值后，还没有刷新到主内存中，就执行x = b和y = a的语句，这个时候线程并不知道a和b还已经被修改了，依然是原来的值0。

1.3 有序性

为了提高程序执行性能，Java内存模型允许编译器和处理器对指令进行重排序。重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

classReorder{intx =0;booleanflag =false;publicvoidwriter(){ x =1; flag =true; }publicvoidreader(){if(flag) {inta = x * x; ... } }}

例如上例中，我们使用flag变量，标志x变量已经被赋值了。但是这两个语句之间没有数据依赖，所以它们可能会被重排序，即flag = true语句会在x = 1语句之前，那么这么更改会不会产生问题呢？

在单线程模式下，不会有任何问题，因为writer方法是一个整体，只有等writer方法执行完毕，其他方法才能执行，所以flag = true语句和x = 1语句顺序改变没有任何影响。

在多线程模式下，就可能会产生问题，因为writer方法还没有执行完毕，reader方法就被另一线程调用了，这个时候如果flag = true语句和x = 1语句顺序改变，就有可能产生flag为true，但是x还没有赋值情况，与程序意图产生不一样，就会产生意想不到的问题。

1.4 原子性

在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。

x =1;// 原子性y = x;// 不是原子性x = x +1;// 不是原子性x++;// 不是原子性System.out.println(x);// 原子性

公式2：有两个原子性操作，读取x的值，赋值给y。公式3：也是三个原子性操作，读取x的值，加1，赋值给x。公式4：和公式3一样。

所以对于原子性操作就两种：1. 将基本数据类型常量赋值给变量。2. 读取基本数据类型的变量值。任何计算操作都不是原子的。

1.5 小结

多线程操作共享变量，会产生上面三个问题，可见性、有序性和原子性。

可见性: 一个线程改变共享变量，可能并没有立即刷新到主内存，这个时候另一个线程读取共享变量，就是改变之前的值。所以这个共享变量的改变对其他线程并不是可见的。

有序性: 编译器和处理器会对指令进行重排序，语句的顺序发生改变，这样在多线程的情况下，可能出现奇怪的异常。

原子性: 只有对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作。

要解决这三个问题有两种方式：

volatile关键字：它只能解决两个问题可见性和有序性问题，但是如果volatile修饰基本数据类型变量，而且这个变量只做读取和赋值操作，那么也没有原子性问题了。比如说用它来修饰boolean的变量。

加锁：可以保证同一时间只有同一线程操作共享变量，当前线程操作共享变量时，共享变量不会被别的线程修改，所以可见性、有序性和原子性问题都得到解决。分为synchronized同步锁和JUC框架下的Lock锁。

二. volatile关键字

volatile关键字作用

1.可见性: 对一个volatile变量的读取，总是能看到(任意线程)对这个volatile变量最后的写入。

有序性: 禁止指令重排序,即在程序中在volatile变量进行操作时，在其之前的操作肯定已经全部执行了，而且结果已经对后面的操作可见，在其之后的操作肯定还没有执行。

这个的具体解释，大家请看《深入理解Java内存模型》里面关于happens-before规则的讲解。

classVolatileFeaturesExample{//使用volatile声明一个基本数据类型变量vlvolatilelongvl =0L;//对于单个volatile基本数据类型变量赋值publicvoidset(longl){ vl = l; }//对于单个volatile基本数据类型变量的复合操作publicvoidgetAndIncrement(){ vl++; }//对于单个volatile基本数据类型变量读取publiclongget(){returnvl; }}classVolatileFeaturesExample{//声明一个基本数据类型变量vllongvl =0L;// 相当于加了同步锁publicsynchronizedvoidset(longl){ vl = l; }// 普通方法publicvoidgetAndIncrement(){longtemp = get(); temp +=1L; set(temp); }// 相当于加了同步锁publicsynchronizedlongget(){returnvl; }}

如果volatile修饰基本数据类型变量，而且只对这个变量做读取和赋值操作，那么就相当于加了同步锁。

三. synchronized同步锁

synchronized同步锁作用是访问被锁住的资源时，只要获取锁的线程才能操作被锁住的资源，其他线程必须阻塞等待。

所以一个线程来说，可以阻塞等待，可以运行，那么线程到底有哪些状态呢？

3.1 线程状态

状态转换图

线程分为5种状态：

新建状态(New)：创建一个Thread对象，那么该thread对象就是新建状态。

可运行状态(Runnable)：表示该thread线程随时都可以运行，只要获取CPU的执行权。

注: 该状态可以由新建状态转换而来(通过调用thread的start方法)，也可以由阻塞状态转换而来

运行状态(Running)：表示该线程正在运行，注意运行状态只能从可运行状态到达。

阻塞状态(Blocked)：表示该线程当前停止运行，主要分为三种情况：

1). 同步阻塞状态：线程获取同步锁失败，就会进入同步阻塞状态。

2). 等待阻塞状态：线程调用wait方法，进入该状态。注：join方法本质也是通过wait方法实现的。

3). 其他阻塞状态：通过Thread.sleep方法让线程睡眠，开启IO流让线程等待阻塞。

死亡状态(Dead)：当thread的run方法运行完毕，那么线程就进入死亡状态。该状态不能再转换成其他状态。

3.2 synchronized同步方法或者同步块

synchronized同步方法或者同步块具体是怎样操作的呢？

相当于有一个大房间，房间门上有一把锁lock，房间里面存放的是所有与这把锁lock关联的同步方法或者同步块。

当某一个线程要执行这把锁lock的一个同步方法或者同步块时，它就来到房间门前，如果发现锁lock还在，那么它就拿着锁进入房间，并将房间锁上，它可以执行房间中任何一个同步方法或者同步块。

这时又有另一个线程要执行这把锁lock的一个同步方法或者同步块时，它就来到房间门前，发现锁lock没有了，就只能在门外等待，此时该线程就在synchronized同步阻塞线程池中。

等到拿到锁lock的线程，同步方法或者同步块代码执行完毕，它就会从房间中退出来，将锁放到门上。

这时在门外等待的线程就争夺这把锁lock，拿到锁的线程就可以进入房间，其他线程则又要继续等待。

注：synchronized 锁是锁住所有与这个锁关联的同步方法或者同步块。

synchronized的同步锁到底是什么呢？

其实就是java对象，在Java中，每一个对象都拥有一个锁标记（monitor），也称为监视器，多线程同时访问某个对象时，线程只有获取了该对象的锁才能访问。

3.3 wait与notify、notifyAll

这三个方法主要用于实现线程之间相互等待的问题。

调用对象lock的wait方法，会让当前线程进行等待，即将当前线程放入对象lock的线程等待池中。调用对象lock的notify方法会从线程等待池中随机唤醒一个线程，notifyAll方法会唤醒所有线程。

注：对象lock的wait与notify、notifyAll方法调用必须放在以对象lock为锁的同步方法或者同步块中，否则会抛出IllegalMonitorStateException异常。

wait与notify、notifyAll具体是怎么操作的呢？

前面过程与synchronized中介绍的一样，当调用锁lock的wait方法时，该线程(即当前线程)退出房间，归还锁lock，但并不是进入synchronized同步阻塞线程池中，而是进入锁lock的线程等待池中。

这时另一个线程拿到锁lock进行房间，如果它执行了锁lock的notify方法，那么就会从锁lock的线程等待池中随机唤醒一个线程，将它放入synchronized同步阻塞线程池中(记住只有拿到锁lock的线程才能进行房间)。调用锁lock的notifyAll方法，即唤醒线程等待池所有线程。

注：当被wait阻塞的线程再次进入synchronized同步代码块时，会从wait方法调用之后的地方继续执行。

在锁lock的线程等待池中的线程，只有四种方式唤醒：

通过notify()唤醒

通过notifyAll()唤醒

通过interrupt()中断唤醒

如果是通过调用wait(long timeout)进入等待状态的线程，当时间超时的时候，也会被唤醒。

注意wait、notify和notifyAll方法必须先获取锁才能调用，否则抛出IllegalMonitorStateException异常。而只有synchronized模块才能让当前线程获取锁，所以wait方法只能在synchronized模块中执行。

四. 其他重要方法

4.1 join方法

让当前线程等待另一个线程执行完成后，才继续执行。

publicfinalvoidjoin()throwsInterruptedException {join(0); }publicfinalsynchronizedvoidjoin(longmillis)throwsInterruptedException {// 获取当前系统毫秒数longbase = System.currentTimeMillis();longnow =0;// millis小于0，抛出异常if(millis <0) {thrownewIllegalArgumentException("timeout value is negative"); }if(millis ==0) {// 通过isAlive判断当前线程是否存活while(isAlive()) {// wait(0)表示当前线程无限等待wait(0); } }else{// 通过isAlive判断当前线程是否存活while(isAlive()) {longdelay = millis - now;if(delay <=0) {break; }// 当前线程等待delay毫秒，超过时间，当前线程就被唤醒wait(delay); now = System.currentTimeMillis() - base; } } }

join方法是Thread中的方法，synchronized方法同步的锁对象就是Thread对象，通过调用Thread对象的wait方法，让当前线程等待

注意：这里是让当前线程等待，即当前调用join方法的线程，而不是Thread对象的线程。那么当前线程什么时候会被唤醒呢？

当Thread对象线程执行完毕，进入死亡状态时，会调用Thread对象的notifyAll方法，来唤醒Thread对象的线程等待池中所有线程。

示例：

publicstaticvoidjoinTest(){ Thread thread =newThread(newRunnable() { @Overridepublicvoidrun(){for(inti =0; i <10; i++) {try{ Thread.sleep(100); }catch(InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName()+": i==="+i); } } },"t1"); thread.start();try{ thread.join(); }catch(InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName()+": end"); }

4.2 sleep方法

只是让当前线程等待一定的时间，才继续执行。

4.3 yield方法

将当前线程状态从运行状态转成可运行状态，如果再获取CPU执行权，就继续执行。

4.4 interrupt方法

中断线程，它会中断处于阻塞状态下的线程，但是对于运行状态下的线程不起任何作用。

示例：

publicstaticvoidinterruptTest(){// 处于阻塞状态下的线程Thread thread =newThread(newRunnable() { @Overridepublicvoidrun(){try{ System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 开始"); Thread.sleep(1000); System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 结束"); }catch(InterruptedException e) { System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 产生异常"); } } },"t1"); thread.start();// 处于运行状态下的线程Thread thread1 =newThread(newRunnable() { @Overridepublicvoidrun(){ System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 开始");inti =0;while(i < Integer.MAX_VALUE -10) { i = i +1;for(intj =0; j < i; j++); } System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" i=="+i); System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 结束"); } },"t2"); thread1.start();try{ Thread.sleep(10); }catch(InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 进行中断"); thread.interrupt(); thread1.interrupt(); }

4.5 isInterrupted方法

返回这个线程是否被中断。注意当调用线程的interrupt方法后，该线程的isInterrupted的方法就会返回true。如果异常被处理了，又会将该标志位置位false，即isInterrupted的方法返回false。

4.6 线程优先级以及守护线程

在java中线程优先级范围是1～10，默认的优先级是5。

在java中线程分为用户线程和守护线程，isDaemon返回是true，表示它是守护线程。当所有的用户线程执行完毕后，java虚拟机就会退出，不管是否还有守护线程未执行完毕。

当创建一个新线程时，这个新线程的优先级等于创建它线程的优先级，且只有当创建它线程是守护线程时，新线程才是守护线程。

当然也可以通过setPriority方法修改线程的优先级，已经setDaemon方法设置线程是否为守护线程。

五. 实例讲解

5.1 不加任何同步锁

importjava.util.Collections;importjava.util.List;importjava.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;importjava.util.concurrent.CountDownLatch;classData {intnum;publicData(intnum){this.num = num; }publicintgetAndDecrement(){returnnum--; }}classMyRun implements Runnable {privateData data;// 用来记录所有卖出票的编号privateListlist;privateCountDownLatch latch;publicMyRun(Data data, Listlist, CountDownLatch latch){this.data = data;this.list=list;this.latch = latch; } @Overridepublicvoidrun(){try{ action(); } finally {// 释放latch共享锁latch.countDown(); } }// 进行买票操作，注意这里没有使用data.num>0作为判断条件，直到卖完线程退出。// 那么做会导致这两处使用了共享变量data.num，那么做多线程同步时，就要考虑更多条件。// 这里只for循环了5次，表示每个线程只卖5张票，并将所有卖出去编号存入list集合中。publicvoidaction(){for(inti =0; i <5; i++) {try{ Thread.sleep(10); }catch(InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }intnewNum = data.getAndDecrement(); System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+" num=="+newNum);list.add(newNum); } }}publicclassThreadTest {publicstaticvoidstartThread(Data data, String name, Listlist,CountDownLatch latch){ Thread t =newThread(newMyRun(data,list, latch), name); t.start(); }publicstaticvoidmain(String[] args){// 使用CountDownLatch来让主线程等待子线程都执行完毕时，才结束CountDownLatch latch =newCountDownLatch(6);longstart = System.currentTimeMillis();// 这里用并发list集合Listlist=newCopyOnWriteArrayList(); Data data =newData(30); startThread(data,"t1",list, latch); startThread(data,"t2",list, latch); startThread(data,"t3",list, latch); startThread(data,"t4",list, latch); startThread(data,"t5",list, latch); startThread(data,"t6",list, latch);try{ latch.await(); }catch(InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }// 处理一下list集合，进行排序和翻转Collections.sort(list); Collections.reverse(list); System.out.println(list);longtime = System.currentTimeMillis() - start;// 输出一共花费的时间System.out.println("\n主线程结束 time=="+time); }}

输出的结果是

线程t2num==29线程t6num==27线程t5num==28线程t4num==28线程t1num==30线程t3num==30线程t2num==26线程t4num==24线程t6num==25线程t5num==23线程t1num==22线程t3num==21线程t4num==20线程t6num==19线程t5num==18线程t2num==17线程t1num==16线程t3num==15线程t4num==14线程t5num==12线程t6num==13线程t1num==9线程t3num==10线程t2num==11线程t1num==8线程t6num==5线程t2num==7线程t5num==3线程t3num==4线程t4num==6[30,30,29,28,28,27,26,25,24,23,22,21,20,19,18,17,16,15,14,13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3]主线程结束 time==62

从结果中发现问题，出现了重复票，所以30张票没有被卖完。最主要的原因就是Data类的getAndDecrement方法操作不是多线程安全的。

首先它不能保证原子性，分为三个操作，先读取num的值，然后num自减，在返回自减前的值。

因为num不是volatile关键字修饰的，它也不能保证可见性和有序性。

所以只要保证getAndDecrement方法多线程安全，那么就可以解决上面出现的问题。那么保证getAndDecrement方法多线程安全呢？最简单的方式就是在getAndDecrement方法前加synchronized关键字。

这是synchronized关键锁就是这个data对象实例，所以保证了多线程调用getAndDecrement方法时，只有一个线程能调用，等待调用完成，其他线程才能调用getAndDecrement方法。

因为同一时间只有一个线程调用getAndDecrement方法，所以它在做num--操作时，不用担心num变量会发生改变。所以原子性、可见性和有序性都可以得到保证。

5.2 使用最小同步锁

classData{intnum; public Data(intnum) {this.num=num; }// 将getAndDecrement方法加了同步锁public synchronizedintgetAndDecrement() {returnnum--; }}

输出结果

线程t1num==30线程t2num==29线程t6num==28线程t4num==26线程t3num==27线程t5num==25线程t6num==22线程t2num==21线程t3num==23线程t1num==24线程t4num==20线程t5num==19线程t2num==18线程t3num==17线程t5num==13线程t4num==14线程t6num==16线程t1num==15线程t2num==12线程t4num==9线程t1num==7线程t5num==10线程t3num==11线程t6num==8线程t4num==6线程t2num==3线程t1num==2线程t3num==4线程t5num==5线程t6num==1[30,29,28,27,26,25,24,23,22,21,20,19,18,17,16,15,14,13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1]主线程结束 time==61

我们只是将Data的getAndDecrement方法加了同步锁，发现解决了多线程并发问题。主要是因为我们只在一处使用了共享变量num，所以只需要将这处加同步就行了。而且你会发现最后花费的总时间与没加同步锁时几乎一样，那么因为我们同步代码足够小。

相反地，我们加地同步锁不合理，可能也能实现多线程安全，但是耗时就会大大增加。

5.3 不合理地使用同步锁

@Overridepublicvoidrun(){try{synchronized(data){ action(); } }finally{// 释放latch共享锁latch.countDown(); } }

输入结果：

线程t1num==30线程t1num==29线程t1num==28线程t1num==27线程t1num==26线程t6num==25线程t6num==24线程t6num==23线程t6num==22线程t6num==21线程t5num==20线程t5num==19线程t5num==18线程t5num==17线程t5num==16线程t4num==15线程t4num==14线程t4num==13线程t4num==12线程t4num==11线程t3num==10线程t3num==9线程t3num==8线程t3num==7线程t3num==6线程t2num==5线程t2num==4线程t2num==3线程t2num==2线程t2num==1[30,29,28,27,26,25,24,23,22,21,20,19,18,17,16,15,14,13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1]主线程结束 time==342

在这里我们将整个action方法，放入同步代码块中，也可以解决多线程冲突问题，但是所耗费的时间是在getAndDecrement方法上加同步锁时间的几倍。

所以我们在加同步锁的时候，那些需要同步，就是看那些地方使用了共享变量。比如这里只在getAndDecrement方法中使用了同步变量，所以只要给它加锁就行了。

但是如果在action方法中，使用data.num>0来作为循环条件，那么在加同步锁时，就必须将整个action方法放在同步模块中，因为我们必须保证，在data.num>0判断到getAndDecrement方法调用这些代码都是在同步模块中，不然就会产生多线程冲突问题。

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