深入理解与应用多线程技术

原创 于 2024-11-28 16:00:27 发布 · 982 阅读 · 23 ·
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#java #jvm #开发语言

为什么要使用多线程

  1. 提高响应速度：对于耗时操作，使用线程可以避免阻塞主线程，提高应用程序的响应速度。

  2. 实现并行操作：在多CPU系统中，使用线程可以并行处理任务，提高CPU利用率。

  3. 改善程序结构：将一个既长又复杂的进程分为多个线程，可以使其成为几个独立或半独立的运行部分，这样有利于程序的修改和理解。

  4. 方便的通信机制：线程间可以通过共享内存等方式进行通信，比进程间通信更方便、高效。

创建线程有几种方式？

创建线程有四种方式：

  1. 通过继承Thread类来创建线程。

  2. 通过实现Runnable接口来创建线程。

  3. 通过实现Callable接口来创建线程。

  4. 使用Executor框架来创建线程池。

简单实现

public class ThreadTest {

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new MyThread();
        thread.start();
    }
}

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("");
    }
}

public class ThreadTest {

    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(myRunnable);
        thread.start();
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println();
    }
}

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        MyThreadCallable mc = new MyThreadCallable();
        FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(mc);
        Thread thread = new Thread(ft);
        thread.start();
        System.out.println(ft.get());
    }
}

class MyThreadCallable implements Callable {
    @Override
    public String call()throws Exception {
        return "";
    }
}

public class ThreadTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ThreadPoolExecutor executorOne = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 1,
                TimeUnit.MINUTES, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(20), new CustomizableThreadFactory("Yian-Thread-pool"));
        executorOne.execute(() -> {
            System.out.println("");
        });

        //关闭线程池
        executorOne.shutdown();
    }
}

线程和进程的区别

线程和进程是操作系统中重要的概念，都是操作系统资源分配的基本单位，但它们有一些关键的区别。

  1. 地址空间和资源拥有：进程是执行中的一个程序，具有自己的地址空间和文件描述符等资源。线程是在进程中执行的一个单独的执行路径，共享进程的地址空间和资源。

  2. 开销：创建和销毁一个进程需要保存寄存器、栈信息以及进行资源分配和回收等操作，开销较大。而线程的创建和销毁只需保存寄存器和栈信息，开销较小。

  3. 通信切换：进程之间必须通过IPC（进程间通信）进行通信，切换开销相对较大。线程之间可以直接共享进程的地址空间和资源，切换开销相对较小。

  4. 并发性：进程是独立的执行单元，具有自己的调度算法，在并发条件下更加稳定可靠。而线程共享进程的资源，线程之间的调度和同步比较复杂，对并发条件的处理需要更多的注意。

  5. 一对多的关系：一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以拥有多个线程。

Runnable和 Callable有什么区别

  • Runnable接口只有一个需要实现的方法，即run()。当你启动一个线程时，这个run()方法就会被执行。Runnable的主要问题是它不支持返回结果

  • Callable可以返回结果，也可以抛出异常。它有一个call()方法，当调用这个方法时，这个方法就会被执行。

volatile作用，原理

主要用于声明变量，以指示该变量可能会被多个线程同时访问，从而防止编译器进行一些优化，确保线程之间能够正确地读写共享变量。volatile 提供了一种轻量级的同步机制，但它并不能替代 synchronized，因为它无法解决复合操作的原子性问题。

作用：

  • 可见性： 当一个线程修改了一个被 volatile 修饰的变量的值，其他线程能够立即看到这个修改，即保证了变量的可见性。

  • 禁止指令重排序： volatile 修饰的变量的读写操作会禁止指令重排序，确保变量的写操作不会被重排序到其它操作之前。

原理：

volatile 的实现原理涉及到 CPU 的缓存一致性和内存屏障（Memory Barrier）的概念。

  • 内存可见性： 当一个线程写入一个 volatile 变量时，会强制将该线程对应的本地内存中的值刷新到主内存中，从而保证了其他线程能够看到最新的值。同样，当一个线程读取一个 volatile 变量时，会强制从主内存中读取最新的值到本地内存中。

  • 禁止指令重排序： volatile 修饰的变量的读写操作会在其前后插入内存屏障，防止在其前后的指令被重排序。

synchronized 的实现原理以及锁优化

如果synchronized作用于代码块，反编译可以看到两个指令：monitorenter、monitorexit，JVM使用monitorenter和monitorexit两个指令实现同步；如果作用synchronized作用于方法,反编译可以看到ACCSYNCHRONIZED标记，JVM通过在方法访问标识符(flags)中加入ACCSYNCHRONIZED来实现同步功能。

  • 同步代码块，当线程执行到monitorenter的时候要先获得monitor锁，才能执行后面的方法。当线程执行到monitorexit的时候则要释放锁。

  • 同步方法，当线程执行有ACCSYNCHRONI标志的方法，需要获得monitor锁。每个对象都与一个monitor相关联，线程可以占有或者释放monitor。

monitor监视器

操作系统的管程（monitors）是概念原理，ObjectMonitor是它的原理实现。

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在Java虚拟机（HotSpot）中，Monitor（管程）是由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下：

 ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // 记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL;  // 处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ;  // 处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

Java Monitor 的工作机理

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  • 要获取monitor的线程,首先会进入EntryList队列。

  • 当某个线程获取到对象的monitor后,进入Owner区域，设置为当前线程,同时计数器count加1。

  • 如果线程调用了wait()方法，则会进入WaitSet队列阻塞等待。它会释放monitor锁，即将owner赋值为null,count自减1。

  • 如果其他线程调用 notify()/notifyAll() ，会唤醒WaitSet中的某个或全部线程，该线程再次尝试获取monitor锁，成功即进入Owner区域。

  • 同步方法执行完毕了，线程退出临界区，会将monitor的owner设为null，并释放监视锁

对象与monitor关联

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  • 在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header），实例数据（Instance Data）和对象填充（Padding）。

  • 对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Class Pointer（类型指针）。

Mark Word 是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等。

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重量级锁，指向互斥量的指针。其实synchronized是重量级锁，也就是说Synchronized的对象锁，Mark Word锁标识位为10，其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。

在JDK1.6之前，synchronized的实现直接调用ObjectMonitor的enter和exit，这种锁被称之为重量级锁。从JDK6开始，HotSpot虚拟机开发团队对Java中的锁进行优化，如增加了适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁等优化策略，提升了synchronized的性能。

  • 偏向锁：在无竞争的情况下，只是在Mark Word里存储当前线程指针，CAS操作都不做。

  • 轻量级锁：在没有多线程竞争时，相对重量级锁，减少操作系统互斥量带来的性能消耗。但是，如果存在锁竞争，除了互斥量本身开销，还额外有CAS操作的开销。

  • 自旋锁：减少不必要的CPU上下文切换。在轻量级锁升级为重量级锁时，就使用了自旋加锁的方式

  • 锁粗化：将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。

  • 锁消除：虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。

线程有哪些状态

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  • New：线程对象创建之后、但还没有调用start()方法，就是这个状态。

  • Runnable：它包括就绪（ready）和运行中（running）两种状态。如果调用start方法，线程就会进入Runnable状态。它表示我这个线程可以被执行啦（此时相当于ready状态），如果这个线程被调度器分配了CPU时间，那么就可以被执行（此时处于running状态）。

  • Blocked：阻塞的（被同步锁或者IO锁阻塞）。表示线程阻塞于锁，线程阻塞在进入synchronized关键字修饰的方法或代码块(等待获取锁)时的状态。比如前面有一个临界区的代码需要执行，那么线程就需要等待，它就会进入这个状态。它一般是从RUNNABLE状态转化过来的。如果线程获取到锁，它将变成RUNNABLE状态。

  • WAITING : 永久等待状态，进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（比如通知）。处于该状态的线程不会被分配CPU执行时间，它们要等待被显式地唤醒，否则会处于无限期等待的状态。一般Object.wait。

  • TIMED_WATING: 等待指定的时间重新被唤醒的状态。有一个计时器在里面计算的，最常见就是使用Thread.sleep方法触发，触发后，线程就进入了Timed_waiting状态，随后会由计时器触发，再进入Runnable状态。

  • 终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完成。

CountDownLatch与CyclicBarrier 区别

CountDownLatch和CyclicBarrier都用于让线程等待，达到一定条件时再运行。主要区别是：

  • CountDownLatch：一个或者多个线程，等待其他多个线程完成某件事情之后才能执行;

  • CyclicBarrier：多个线程互相等待，直到到达同一个同步点，再继续一起执行。

    图片

多线程环境下的伪共享

CPU的缓存是以缓存行(cache line)为单位进行缓存的，当多个线程修改相互独立的变量，而这些变量又处于同一个缓存行时就会影响彼此的性能。这就是伪共享

现代计算机计算模型:

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  • CPU执行速度比内存速度快好几个数量级，为了提高执行效率，现代计算机模型演变出CPU、缓存（L1，L2，L3），内存的模型。

  • CPU执行运算时，如先从L1缓存查询数据，找不到再去L2缓存找，依次类推，直到在内存获取到数据。

  • 为了避免频繁从内存获取数据，聪明的科学家设计出缓存行，缓存行大小为64字节。

也正是因为缓存行的存在，就导致了伪共享问题，如图所示：

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假设数据a、b被加载到同一个缓存行。

  • 当线程1修改了a的值，这时候CPU1就会通知其他CPU核，当前缓存行（Cache line）已经失效。

  • 这时候，如果线程2发起修改b，因为缓存行已经失效了，所以「core2 这时会重新从主内存中读取该 Cache line 数据」。读完后，因为它要修改b的值，那么CPU2就通知其他CPU核，当前缓存行（Cache line）又已经失效。

  • 所以，如果同一个Cache line的内容被多个线程读写，就很容易产生相互竞争，频繁回写主内存，会大大降低性能。

解决伪共享问题的一种方法是通过填充（Padding）来确保共享的变量独立存储于不同的缓存行中。填充的思想是在变量之间插入一些无关的数据，使它们分布到不同的缓存行，从而避免多个变量共享同一个缓存行。

在Java中，可以使用@Contended注解来避免伪共享。这个注解可以在字段上使用，它会在字段的前后插入填充，使得字段单独占据一个缓存行。

Fork/Join框架

Fork/Join框架是Java7提供的一个用于并行执行任务的框架，是一个把大任务分割成若干个小任务，最终汇总每个小任务结果后得到大任务结果的框架。

Fork/Join框架需要理解两个点，「分而治之」和「工作窃取」。

分而治之

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工作窃取

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一般就是指做得快的线程（盗窃线程）抢慢的线程的任务来做，同时为了减少锁竞争，通常使用双端队列，即快线程和慢线程各在一端。

ThreadLocal原理

ThreadLocal的内存结构图:

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  • Thread线程类有一个类型为ThreadLocal.ThreadLocalMap的实例变量threadLocals，即每个线程都有一个属于自己的ThreadLocalMap。

  • ThreadLocalMap内部维护着Entry数组，每个Entry代表一个完整的对象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。

  • 并发多线程场景下，每个线程Thread，在往ThreadLocal里设置值的时候，都是往自己的ThreadLocalMap里存，读也是以某个ThreadLocal作为引用，在自己的map里找对应的key，从而可以实现了线程隔离。

内存泄露问题：指程序中动态分配的堆内存由于某种原因没有被释放或者无法释放，造成系统内存的浪费，导致程序运行速度减慢或者系统奔溃等严重后果。内存泄露堆积将会导致内存溢出。

ThreadLocal的内存泄露问题一般考虑和Entry对象有关，ThreadLocal::Entry被弱引用所修饰。JVM会将弱引用修饰的对象在下次垃圾回收中清除掉。这样就可以实现ThreadLocal的生命周期和线程的生命周期解绑。但实际上并不是使用了弱引用就会发生内存泄露问题，考虑下面几个过程：

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当ThreadLocal Ref被回收了，由于在Entry使用的是强引用，在Current Thread还存在的情况下就存在着到达Entry的引用链，无法清除掉ThreadLocal的内容，同时Entry的value也同样会被保留；也就是说就算使用了强引用仍然会出现内存泄露问题。

图片

当ThreadLocal Ref被回收了，由于在Entry使用的是弱引用，因此在下次垃圾回收的时候就会将ThreadLocal对象清除，这个时候Entry中的KEY=null。但是由于ThreadLocalMap中任然存在Current Thread Ref这个强引用，因此Entry中value的值任然无法清除。还是存在内存泄露的问题。

AQS实现原理

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java中用于构建同步器的基础框架。它提供了一个灵活的、可重用的同步器实现，可以用来构建各种同步工具，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。AQS的核心思想是基于FIFO等待队列，通过状态（state）来管理线程的同步。

核心原理：

  • State（状态）： AQS 的同步状态是一个整数，表示被同步的资源的状态。不同的同步器会使用不同的方式来表示状态的含义，例如，ReentrantLock 使用 state 表示持有锁的线程的数量，Semaphore 使用 state 表示可用的许可数量等。

  • FIFO 等待队列： AQS 使用一个FIFO的等待队列来管理获取同步资源失败的线程。每个节点（Node）表示一个等待线程，节点中保存了等待状态、前驱节点、后继节点等信息。当一个线程尝试获取锁但失败时，它会被包装成一个节点并加入到等待队列中。

  • 独占模式和共享模式： AQS 支持独占模式和共享模式。独占模式表示只有一个线程能够获取同步资源，如ReentrantLock 就是独占模式的同步器。共享模式表示多个线程可以同时获取同步资源，如Semaphore 就是共享模式的同步器。AQS 使用 acquire 和 release 方法来分别表示获取和释放同步资源。

  • acquire 方法： 当线程尝试获取同步资源时，它会调用 AQS 的 acquire 方法。acquire 方法会根据同步状态的不同情况进行处理，如果同步状态允许当前线程获取资源，则直接返回；否则，当前线程会被包装成节点并加入到等待队列中，然后进入自旋等待状态，直到获取到资源。

  • release 方法： 当线程释放同步资源时，它会调用 AQS 的 release 方法。release 方法会根据同步状态的不同情况进行处理，然后唤醒等待队列中的下一个线程，使其有机会获取资源。

  • 独占锁和共享锁的实现： AQS 提供了独占锁的实现方法 tryAcquire 和 tryRelease，以及共享锁的实现方法 tryAcquireShared 和 tryReleaseShared。

ReentrantLock 解析：

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上下文切换

CPU上下文：CPU 寄存器，是CPU内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此叫做

CPU上下文切换：把前一个任务的CPU上下文（也就是CPU寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

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  • 分时调度：让所有的线程轮流获得CPU的使用权，并且平均分配每个线程占用的 CPU 的时间片。

  • 抢占式调度：优先让可运行池中优先级高的线程占用CPU，如果可运行池中的线程优先级相同，那么就随机选择一个线程，使其占用CPU。处于运行状态的线程会一直运行，直至它不得不放弃 CPU。

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