并发编程-线程的启动、死锁、线程安全、ThreadLocal
1 线程的启动方式
线程的启动方式只有两种。
方式1：继承Thread，然后调用start()启动。
private static class PrimeThread extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("thread extend Thread---name:" + Thread.currentThread().getName());
}
}
PrimeThread thread = new PrimeThread();
thread.start();
方式2：实现Runnable，然后交给Thread去启动。
private static class PrimeRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("thread implements Runnable---name:" + Thread.currentThread().getName());
}
}
PrimeRunnable runnable = new PrimeRunnable();
new Thread(runnable).start();
其他的比如线程池、FutureTask等都属于这两种的包装或封装。
并且Thread源码的注释中也清楚的写了有两种方式创建线程：
* <p>
* There are two ways to create a new thread of execution. One is to
* declare a class to be a subclass of <code>Thread</code>. This
* subclass should override the <code>run</code> method of class
* <code>Thread</code>. An instance of the subclass can then be
* allocated and started. For example, a thread that computes primes
* larger than a stated value could be written as follows:
* <hr><blockquote><pre>
* class PrimeThread extends Thread {
* long minPrime;
* PrimeThread(long minPrime) {
* this.minPrime = minPrime;
* }
*
* public void run() {
* // compute primes larger than minPrime
* . . .
* }
* }
* </pre></blockquote><hr>
* <p>
* The following code would then create a thread and start it running:
* <blockquote><pre>
* PrimeThread p = new PrimeThread(143);
* p.start();
* </pre></blockquote>
* <p>
* The other way to create a thread is to declare a class that
* implements the <code>Runnable</code> interface. That class then
* implements the <code>run</code> method. An instance of the class can
* then be allocated, passed as an argument when creating
* <code>Thread</code>, and started. The same example in this other
* style looks like the following:
* <hr><blockquote><pre>
* class PrimeRun implements Runnable {
* long minPrime;
* PrimeRun(long minPrime) {
* this.minPrime = minPrime;
* }
*
* public void run() {
* // compute primes larger than minPrime
* . . .
* }
* }
* </pre></blockquote><hr>
* <p>
2 线程的状态
Java中线程的状态分为6种：
1、初始(NEW)：新创建了一个线程，但是还没有调用start()方法。
2、运行(RUNNABLE)：Java线程中将就绪(READY)和运行中(RUNNING)两种装填笼统的称为“运行”。
线程对象创建后，其他线程(比如main线程)调用了该对象的start()方法，该状态的线程位于可运行线程池中，获取CPU的使用权，此时处于就绪状态(READY)，就绪状态的线程在获得CPU时间片后变为运行中状态(RUNNING)。
3、阻塞(BLOCKED)：表示线程阻塞于锁。
4、等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作(通知或中断)。
5、超时等待(TIMED_WAITING)：该状态不同于WATING，它可以在指定的时间后自行返回。
6、终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。
线程生命周期如下：
3 死锁
3.1 概念
死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。
死锁是必然发生在多操作者（M>=2个）情况下，争夺多个资源（N>=2个，且N<=M）才会发生这种情况。很明显，单线程自然不会有死锁。
死锁还有几个要求：
- 争夺资源的顺序不对，如果争夺资源的顺序是一样的，也不会产生死锁。
- 争夺者拿到资源不放手。
3.1.1 学术定义
死锁的发生必须具备以下四个必要条件。
- 互斥条件： 指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。
- 请求和保持条件： 指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。
- 不剥夺条件： 指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
- 环路等待条件： 指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源，……，Pn正在等待已被P0占用的资源。
理解了死锁的原因，尤其是产生死锁的四个必要条件，就可以最大可能地避免、预防和解除死锁。只要打破四个必要条件之一就能有效预防死锁的发生。
- 打破互斥条件：改造独占性资源为虚拟资源，大部分资源已无法改造。
- 打破不可抢占条件：当一进程占有一独占性资源后又申请一独占性资源而无法满足，则退出原占有的资源。
- 打破占有且申请条件：采用资源预先分配策略，即进程运行前申请全部资源，满足则运行，不然就等待，这样就不会占有且申请。
- 打破循环等待条件：实现资源有序分配策略，对所有设备实现分类编号，所有进程只能采用按序号递增的形式申请资源。
避免死锁常见的算法有有序资源分配法、银行家算法。
示例代码：
/**
* @Description: 死锁的产生
* @CreateDate: 2022/3/15 2:31 下午
*/
public class NormalDeadLock {
/**
* 第1个锁
*/
private static final Object LOCK_1 = new Object();
/**
* 第2个锁
*/
private static final Object LOCK_2 = new Object();
/**
* 第1个拿锁的方法 先去拿锁1，再去拿锁2
*
* @throws InterruptedException 中断异常
*/
private static void method1() throws InterruptedException {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
synchronized (LOCK_1) {
System.out.println(threadName + " get LOCK_1");
Thread.sleep(100);
synchronized (LOCK_2) {
System.out.println(threadName + " get LOCK_2");
}
}
}
/**
* 第2个拿锁的方法 先去拿锁2，再去拿锁1，这就导致方法1和方法2各拿一个锁，然后互不相让，都不释放自己的锁，造成了互斥，就产生了死锁
*
* @throws InterruptedException 中断异常
*/
private static void method2() throws InterruptedException {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
synchronized (LOCK_2) {
System.out.println(threadName + " get LOCK_2");
Thread.sleep(100);
synchronized (LOCK_1) {
System.out.println(threadName + " get LOCK_1");
}
}
}
/**
* 子线程PrimeThread1
*/
private static class PrimeThread1 extends Thread {
private final String name;
public PrimeThread1(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public void run() {
Thread.currentThread().setName(name);
try {
method1();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
/**
* 子线程PrimeThread2
*/
private static class PrimeThread2 extends Thread {
private final String name;
public PrimeThread2(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public void run() {
Thread.currentThread().setName(name);
try {
method2();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
PrimeThread1 thread1 = new PrimeThread1("PrimeThread1");
PrimeThread2 thread2 = new PrimeThread2("PrimeThread2");
thread1.start();
thread2.start();
}
}
执行后，可以看到控制台没有结束运行，看不到Process finished with exit code 0，但是又一直处于静止状态。
PrimeThread1 get LOCK_1
PrimeThread2 get LOCK_2
3.2 危害
- 线程不工作了，但是整个程序还是活着的。
- 没有任何的异常信息可以供我们检查。
- 一旦程序发生了发生了死锁，是没有任何的办法恢复的，只能重启程序，对正式已发布程序来说，这是个很严重的问题。
3.3 解决方案
关键是保证拿锁的顺序一致。
两种解决方式：
1、内部通过顺序比较，确定拿锁的顺序。
比如上述示例代码中，可以让方法1和方法2同时都先拿锁1，然后再去拿锁2，就能解决死锁问题。
private static void method1() throws InterruptedException {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
synchronized (LOCK_1) {
System.out.println(threadName + " get LOCK_1");
Thread.sleep(100);
synchronized (LOCK_2) {
System.out.println(threadName + " get LOCK_2");
}
}
}
private static void method2() throws InterruptedException {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
synchronized (LOCK_1) {
System.out.println(threadName + " get LOCK_1");
Thread.sleep(100);
synchronized (LOCK_2) {
System.out.println(threadName + " get LOCK_2");
}
}
}
修改后后，可以看到程序能正常执行。
PrimeThread1 get LOCK_1
PrimeThread1 get LOCK_2
PrimeThread2 get LOCK_1
PrimeThread2 get LOCK_2
Process finished with exit code 0
2、采用尝试拿锁的机制。
示例代码：
/**
* @Description: 尝试拿锁，解决死锁问题
* @CreateDate: 2022/3/15 2:57 下午
*/
public class TryGetLock {
/**
* 第1个锁
*/
private static final Lock LOCK_1 = new ReentrantLock();
/**
* 第2个锁
*/
private static final Lock LOCK_2 = new ReentrantLock();
/**
* 方法1 先尝试拿锁1，再尝试拿锁2，拿不到锁2的话连同锁1一起释放
*
* @throws InterruptedException 中断异常
*/
private static void method1() throws InterruptedException {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
Random r = new Random();
while (true) {
if (LOCK_1.tryLock()) {
System.out.println(threadName + " get LOCK_1");
try {
if (LOCK_2.tryLock()) {
try {
System.out.println(threadName + " get LOCK_2");
System.out.println("method1 do working...");
break;
} finally {
LOCK_2.unlock();
}
}
} finally {
LOCK_1.unlock();
}
}
//注意：这里需要给个很短的间隔时间去让其他线程拿锁，不然可能会造成活锁
Thread.sleep(r.nextInt(3));
}
}
/**
* 方法2 先尝试拿锁2，再尝试拿锁1，拿不到锁1的话连同锁2一起释放
*
* @throws InterruptedException 中断异常
*/
private static void method2() throws InterruptedException {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
Random r = new Random();
while (true) {
if (LOCK_2.tryLock()) {
System.out.println(threadName + " get LOCK_2");
try {
if (LOCK_1.tryLock()) {
try {
System.out.println(threadName + " get LOCK_1");
System.out.println("method2 do working...");
break;
} finally {
LOCK_1.unlock();
}
}
} finally {
LOCK_2.unlock();
}
}
Thread.sleep(r.nextInt(3));
}
}
private static class PrimeThread1 extends Thread {
private final String name;
public PrimeThread1(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public void run() {
Thread.currentThread().setName(name);
try {
method1();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
private static class PrimeThread2 extends Thread {
private final String name;
public PrimeThread2(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public void run() {
Thread.currentThread().setName(name);
try {
method2();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
PrimeThread1 thread1 = new PrimeThread1("PrimeThread1");
PrimeThread2 thread2 = new PrimeThread2("PrimeThread2");
thread1.start();
thread2.start();
}
}
执行结果：
PrimeThread2 get LOCK_2
PrimeThread1 get LOCK_1
PrimeThread2 get LOCK_2
PrimeThread2 get LOCK_1
method2 do working...
PrimeThread1 get LOCK_1
PrimeThread1 get LOCK_2
method1 do working...
Process finished with exit code 0
4 其他线程安全问题
4.1 活锁
两个线程在尝试拿锁的机制中，发生多个线程之间互相谦让，不断发生同一个线程总是拿到同一把锁，在尝试拿另一把锁时因为拿不到，而将本来已经持有的锁释放的过程。
解决办法：每个线程休眠随机数，错开拿锁的时间。
如上边的尝试拿锁示例代码中，如果不加随机sleep，就会造成活锁。
4.2 线程饥饿
低优先级的线程，总是拿不到执行时间。
5 ThreadLocal
5.1 与Synchonized的比较
ThreadLocal和synchonized都用于解决多线程并发訪问。但是ThreadLocal与synchronized有本质的差别。synchronized是利用锁的机制，使变量或代码块在某一时该仅仅能被一个线程访问。而ThreadLocal为每个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某一时间访问到的并非同一个对象，这样就隔离了多个线程对数据的数据共享。
5.2 ThreadLocal的使用
ThreadLocal类接口很简单，只有4个方法：
protected T initialValue()返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。public void set(T value)设置当前线程的线程局部变量。public T get()返回当前线程所对应的线程局部变量。public void remove()将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。
public final static ThreadLocal<String> THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<String>();
THREAD_LOCAL代表一个能够存放String类型的ThreadLocal对象。此时不论什么一个线程能够并发访问这个变量，对它进行写入、读取操作，都是线程安全的。
示例代码：
/**
* @Description: 使用ThreadLocal
* @CreateDate: 2022/3/15 3:37 下午
*/
public class UseThreadLocal {
private static final ThreadLocal<String> THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>();
private void startThreadArray() {
Thread[] threads = new Thread[3];
for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
threads[i] = new Thread(new PrimeRunnable(i));
}
for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
threads[i].start();
}
}
private static class PrimeRunnable implements Runnable {
private final int id;
public PrimeRunnable(int id) {
this.id = id;
}
@Override
public void run() {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
THREAD_LOCAL.set("线程" + id);
System.out.println(threadName + ":" + THREAD_LOCAL.get());
}
}
public static void main(String[] args) {
UseThreadLocal useThreadLocal = new UseThreadLocal();
useThreadLocal.startThreadArray();
}
}
5.3 ThreadLocal的内部实现
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
return setInitialValue();
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
上面先取到当前线程，然后调用getMap方法获取对应的ThreadLocalMap，ThreadLocalMap是ThreadLocal的静态内部类，然后Thread类中有一个这样类型成员，所以getMap是直接返回Thread的成员。
看下ThreadLocal的内部类ThreadLocalMap源码：
static class ThreadLocalMap {
/**
* The entries in this hash map extend WeakReference, using
* its main ref field as the key (which is always a
* ThreadLocal object). Note that null keys (i.e. entry.get()
* == null) mean that the key is no longer referenced, so the
* entry can be expunged from table. Such entries are referred to
* as "stale entries" in the code that follows.
*/
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
//类似于map的key、value结构，key就是ThreadLocal，value就是要隔离访问的变量
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
/**
* The initial capacity -- MUST be a power of two.
*/
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
/**
* The table, resized as necessary.
* table.length MUST always be a power of two.
* 用数组保存了Entry，因为可能有多个变量需要线程隔离访问
*/
private Entry[] table;
可以看到有个Entry内部静态类，它继承了WeakReference，总之它记录了两个信息，一个是ThreadLocal<?>类型，一个是Object类型的值。getEntry方法则是获取某个ThreadLocal对应的值，set方法就是更新或赋值相应的ThreadLocal对应的值。
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
Entry e = table[i];
// Android-changed: Use refersTo()
if (e != null && e.refersTo(key))
return e;
else
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
// We don't use a fast path as with get() because it is at
// least as common to use set() to create new entries as
// it is to replace existing ones, in which case, a fast
// path would fail more often than not.
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
if (k == null) {
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
rehash();
}
回顾get方法，其实就是拿到每个线程独有的ThreadLocalMap，然后再用ThreadLocal的当前实例，拿到Map中的相应的Entry，然后就可以拿到相应的值返回出去。当然，如果Map为空，还会先进行Map的创建，初始化等工作。
作者：木水Code
链接：https://juejin.cn/post/7102969152477855780
来源：稀土掘金
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