【多线程】

多线程

多线程基础

进程

在计算机中，我们把一个任务称为一个进程，浏览器就是一个进程，视频播放器是另一个进程，类似的，音乐播放器和Word都是进程。

某些进程内部还需要同时执行多个子任务。例如，我们在使用Word时，Word可以让我们一边打字，一边进行拼写检查，同时还可以在后台进行打印，我们把子任务称为线程。

进程和线程的关系就是：一个进程可以包含一个或多个线程，但至少会有一个线程

多进程模式（每个进程只有一个线程）：

┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐
│Process   │ │Process   │ │Process   │
│┌────────┐│ │┌────────┐│ │┌────────┐│
││ Thread ││ ││ Thread ││ ││ Thread ││
│└────────┘│ │└────────┘│ │└────────┘│
└──────────┘ └──────────┘ └──────────┘

多线程模式（一个进程有多个线程）：

┌────────────────────┐
│Process             │
│┌────────┐┌────────┐│
││ Thread ││ Thread ││
│└────────┘└────────┘│
│┌────────┐┌────────┐│
││ Thread ││ Thread ││
│└────────┘└────────┘│
└────────────────────┘

多进程＋多线程模式（复杂度最高）：

┌──────────┐┌──────────┐┌──────────┐
│Process   ││Process   ││Process   │
│┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐│
││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
│└────────┘││└────────┘││└────────┘│
│┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐│
││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
│└────────┘││└────────┘││└────────┘│
└──────────┘└──────────┘└──────────┘

进程 vs 线程

进程和线程是包含关系，但是多任务既可以由多进程实现，也可以由单进程内的多线程实现，还可以混合多进程＋多线程。

具体采用哪种方式，要考虑到进程和线程的特点。

和多线程相比，多进程的缺点在于：

• 创建进程比创建线程开销大，尤其是在Windows系统上；
• 进程间通信比线程间通信要慢，因为线程间通信就是读写同一个变量，速度很快。

而多进程的优点在于：

多进程稳定性比多线程高，因为在多进程的情况下，一个进程崩溃不会影响其他进程，而在多线程的情况下，任何一个线程崩溃会直接导致整个进程崩溃。

多线程

Java语言内置了多线程支持：一个Java程序实际上是一个JVM进程，JVM进程用一个主线程来执行main()方法，在main()方法内部，我们又可以启动多个线程。此外，JVM还有负责垃圾回收的其他工作线程等。

因此，对于大多数Java程序来说，我们说多任务，实际上是说如何使用多线程实现多任务。

Java多线程编程的特点又在于：

• 多线程模型是Java程序最基本的并发模型；
• 后续读写网络、数据库、Web开发等都依赖Java多线程模型。

因此，必须掌握Java多线程编程才能继续深入学习其他内容。

创建新线程

• Thread类

• start()方法

线程运行方法：

1. 从Thread派生一个自定义类，然后覆写run()方法：

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new MyThread();
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

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

2. 创建Thread实例时，传入一个Runnable实例：

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(new MyRunnable());
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start new thread!");
    }
}

或者用Java 8引入的lambda语法进一步简写为：

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("start new thread!");
        });
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

线程的状态

• New：新创建的线程，尚未执行；
• Runnable：运行中的线程，正在执行run()方法的Java代码；
• Blocked：运行中的线程，因为某些操作被阻塞而挂起；
• Waiting：运行中的线程，因为某些操作在等待中；
• Timed Waiting：运行中的线程，因为执行sleep()方法正在计时等待；
• Terminated：线程已终止，因为run()方法执行完毕。

用一个状态转移图表示如下：

         ┌─────────────┐
         │     New     │
         └─────────────┘
                │
                ▼
┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐
 ┌─────────────┐ ┌─────────────┐
││  Runnable   │ │   Blocked   ││
 └─────────────┘ └─────────────┘
│┌─────────────┐ ┌─────────────┐│
 │   Waiting   │ │Timed Waiting│
│└─────────────┘ └─────────────┘│
 ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─
                │
                ▼
         ┌─────────────┐
         │ Terminated  │
         └─────────────┘

当线程启动后，它可以在Runnable、Blocked、Waiting和Timed Waiting这几个状态之间切换，直到最后变成Terminated状态，线程终止。

线程终止的原因有：

• 线程正常终止：run()方法执行到return语句返回；
• 线程意外终止：run()方法因为未捕获的异常导致线程终止；
• 对某个线程的Thread实例调用stop()方法强制终止（强烈不推荐使用）。

---

小结

Java线程对象Thread的状态包括：New、Runnable、Blocked、Waiting、Timed Waiting和Terminated；

通过对另一个线程对象调用join()方法可以等待其执行结束；

可以指定等待时间，超过等待时间线程仍然没有结束就不再等待；

对已经运行结束的线程调用join()方法会立刻返回。

中断线程

小结

对目标线程调用interrupt()方法可以请求中断一个线程，目标线程通过检测isInterrupted()标志获取自身是否已中断。如果目标线程处于等待状态，该线程会捕获到InterruptedException；

目标线程检测到isInterrupted()为true或者捕获了InterruptedException都应该立刻结束自身线程；

通过标志位判断需要正确使用volatile关键字；

volatile关键字解决了共享变量在线程间的可见性问题。

守护线程

如果有一个线程没有退出，JVM进程就不会退出。所以，必须保证所有线程都能及时结束。

但是有一种线程的目的就是无限循环，例如，一个定时触发任务的线程：

守护线程是指为其他线程服务的线程。在JVM中，所有非守护线程都执行完毕后，无论有没有守护线程，虚拟机都会自动退出。

因此，JVM退出时，不必关心守护线程是否已结束。

---

创建守护线程

Thread t = new MyThread();
t.setDaemon(true);
t.start();

小结

守护线程是为其他线程服务的线程；

所有非守护线程都执行完毕后，虚拟机退出，守护线程随之结束；

守护线程不能持有需要关闭的资源（如打开文件等）。

线程同步

加锁操作：关键字 synchronized保证了代码块在任意时刻最多只有一个线程能执行。

synchronized(lock) {
    n = n + 1;
}

概括一下如何使用synchronized：

1. 找出修改共享变量的线程代码块；

2. 选择一个共享实例作为锁；

3. 使用synchronized(lockObject) { ... }。

4. 使用synchronized的时候，获取到的是哪个锁非常重要。锁对象如果不对，代码逻辑就不对。

小结

多线程同时读写共享变量时，可能会造成逻辑错误，因此需要通过synchronized同步；

同步的本质就是给指定对象加锁，加锁后才能继续执行后续代码；

注意加锁对象必须是同一个实例；

对JVM定义的单个原子操作不需要同步。

同步方法

用synchronized修饰方法可以把整个方法变为同步代码块，synchronized方法加锁对象是this；

通过合理的设计和数据封装可以让一个类变为“线程安全”；

一个类没有特殊说明，默认不是thread-safe；

多线程能否安全访问某个非线程安全的实例，需要具体问题具体分析。

public synchronized void test（）锁的对象是类实力化的对象本身 this

public synchronized static void test（）锁的对象是类实例 .class

死锁

Java的synchronized锁是可重入锁；

死锁产生的条件是多线程各自持有不同的锁，并互相试图获取对方已持有的锁，导致无限等待；

避免死锁的方法是多线程获取锁的顺序要一致。

使用wait和notify

wait和notify用于多线程协调运行：

• 在synchronized内部可以调用wait()使线程进入等待状态；
• 必须在已获得的锁对象上调用wait()方法；
• 在synchronized内部可以调用notify()或notifyAll()唤醒其他等待线程；
• 必须在已获得的锁对象上调用notify()或notifyAll()方法；
• 已唤醒的线程还需要重新获得锁后才能继续执行。

使用ReentrantLock

ReentrantLock可以替代synchronized进行同步；

ReentrantLock获取锁更安全；

必须先获取到锁，再进入try {...}代码块，最后使用finally保证释放锁；

可以使用tryLock()尝试获取锁。

需要配合Condition

使用Condition

• await()会释放当前锁，进入等待状态；
• signal()会唤醒某个等待线程；
• signalAll()会唤醒所有等待线程；
• 唤醒线程从await()返回后需要重新获得锁。
• condition.await(1, TimeUnit.SECOND) 可以尝试自唤醒）
• Condition对象必须从Lock对象获取。

使用ReadWriteLock

使用ReadWriteLock可以提高读取效率：

• ReadWriteLock只允许一个线程写入；
• ReadWriteLock允许多个线程在没有写入时同时读取；
• ReadWriteLock适合读多写少的场景。

例：

public class Counter {
    private final ReadWriteLock rwlock = new ReentrantReadWriteLock();
    // 注意: 一对读锁和写锁必须从同一个rwlock获取:
    private final Lock rlock = rwlock.readLock();
    private final Lock wlock = rwlock.writeLock();
    private int[] counts = new int[10];

    public void inc(int index) {
        wlock.lock(); // 加写锁
        try {
            counts[index] += 1;
        } finally {
            wlock.unlock(); // 释放写锁
        }
    }

    public int[] get() {
        rlock.lock(); // 加读锁
        try {
            return Arrays.copyOf(counts, counts.length);
        } finally {
            rlock.unlock(); // 释放读锁
        }
    }
}

使用StampedLock

读写锁：StampedLock

StampedLock提供了乐观读锁，可取代ReadWriteLock以进一步提升并发性能；

StampedLock是不可重入锁。

例：

public class Point {
    private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();

    private double x;
    private double y;

    public void move(double deltaX, double deltaY) {
        long stamp = stampedLock.writeLock(); // 获取写锁
        try {
            x += deltaX;
            y += deltaY;
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
        }
    }

    public double distanceFromOrigin() {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 获得一个乐观读锁
        // 注意下面两行代码不是原子操作
        // 假设x,y = (100,200)
        double currentX = x;
        // 此处已读取到x=100，但x,y可能被写线程修改为(300,400)
        double currentY = y;
        // 此处已读取到y，如果没有写入，读取是正确的(100,200)
        // 如果有写入，读取是错误的(100,400)
        if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 检查乐观读锁后是否有其他写锁发生
            stamp = stampedLock.readLock(); // 获取一个悲观读锁
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
            }
        }
        return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
    }
}

使用Semaphore

• 同一时刻最多有N个线程能访问
• 如果要对某一受限资源进行限流访问，可以使用Semaphore，保证同一时间最多N个线程访问受限资源。

例：

public class AccessLimitControl {
    // 任意时刻仅允许最多3个线程获取许可:
    final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

    public String access() throws Exception {
        // 如果超过了许可数量,其他线程将在此等待:
        semaphore.acquire();
        try {
            // TODO:
            return UUID.randomUUID().toString();
        } finally {
            semaphore.release();
        }
    }
}

使用Semaphore先调用acquire()获取，然后通过try ... finally保证在finally中释放。

调用acquire()可能会进入等待，直到满足条件为止。

使用tryAcquire()指定等待时间：

if (semaphore.tryAcquire(3, TimeUnit.SECONDS)) {
    // 指定等待时间3秒内获取到许可:
    try {
        // TODO:
    } finally {
        semaphore.release();
    }
}

使用Concurrent集合

并发集合类能让代码像单线程运行一样正常使用，并发集合类内部实现了多线程安全

java.util.concurrent包提供了对应的并发集合类

interface	non-thread-safe	thread-safe
List	ArrayList	CopyOnWriteArrayList
Map	HashMap	ConcurrentHashMap
Set	HashSet / TreeSet	CopyOnWriteArraySet
Queue	ArrayDeque / LinkedList	ArrayBlockingQueue / LinkedBlockingQueue
Deque	ArrayDeque / LinkedList	LinkedBlockingDeque

使用java.util.concurrent包提供的线程安全的并发集合可以大大简化多线程编程：

多线程同时读写并发集合是安全的；

尽量使用Java标准库提供的并发集合，避免自己编写同步代码。

使用Atomic

public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
    int prev, next;  
    do {
        prev = var.get();获得
        next = prev + 1;
    } while ( ! var.compareAndSet(prev, next));
    return next;
}

单线程场景

初始值: var = 5
第一次循环:
    prev = var.get() → 5
    next = 5 + 1 → 6
    compareAndSet(5, 6) → 成功 (因为当前值确实是5)
返回: 6

多线程竞争场景

初始值: var = 5

线程A:                         线程B:
prev = var.get() → 5           (同时执行)
next = 5 + 1 → 6               prev = var.get() → 5
                               next = 5 + 1 → 6
compareAndSet(5, 6)            compareAndSet(5, 6)
    ↓ 成功! var = 6                ↓ 失败! (因为当前值已经是6)
返回: 6                        重新循环:
                              prev = var.get() → 6
                              next = 6 + 1 → 7
                              compareAndSet(6, 7) → 成功
                              返回: 7

使用java.util.concurrent.atomic提供的原子操作可以简化多线程编程：

• 原子操作实现了无锁的线程安全；
• 适用于计数器，累加器等。

使用线程池

• 能接收大量小任务并进行分发处理的就是线程池
• ExecutorService 接口
  • FixedThreadPool：线程数固定的线程池；
  • CachedThreadPool：线程数根据任务动态调整的线程池；
  • SingleThreadExecutor：仅单线程执行的线程池。
  • ScheduledThreadPool：预先安排的线程池

---

多个任务复用一组线程池：

┌─────┐ execute  ┌──────────────────┐
│Task1│─────────▶│ThreadPool        │
├─────┤          │┌───────┐┌───────┐│
│Task2│          ││Thread1││Thread2││
├─────┤          │└───────┘└───────┘│
│Task3│          │┌───────┐┌───────┐│
├─────┤          ││Thread3││Thread4││
│Task4│          │└───────┘└───────┘│
├─────┤          └──────────────────┘
│Task5│
├─────┤
│Task6│
└─────┘

创建线程池

例：

// 创建固定大小的线程池:
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 提交任务:
executor.submit(task1);
executor.submit(task2);
executor.submit(task3);
executor.submit(task4);
executor.submit(task5);

创建这些线程池的方法都被封装到Executors这个类中。以FixedThreadPool为例，看看线程池的执行逻辑：

// thread-pool
import java.util.concurrent.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池:
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(4);
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            es.submit(new Task("" + i));
        }
        // 关闭线程池:
        es.shutdown();
    }
}

class Task implements Runnable {
    private final String name;

    public Task(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start task " + name);
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        System.out.println("end task " + name);
    }
}

创建指定动态范围的线程池

（CachedThreadPool 是基于此创建的）

int min = 4;
int max = 10;
ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(
        min, max,
        60L, TimeUnit.SECONDS,
        new SynchronousQueue<Runnable>());

ScheduledThreadPool

（预先安排的线程池）

//创建scheduled线程池
ScheduledExecutorService ses = Executors.newScheduledThreadPool(4);

一次性任务，指定延迟后只执行一次：

// 1秒后执行一次性任务:
ses.schedule(new Task("one-time"), 1, TimeUnit.SECONDS);

以固定的每3秒执行

// 2秒后开始执行定时任务，每3秒执行:
ses.scheduleAtFixedRate(new Task("fixed-rate"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);

│░░░░   │░░░░░░ │░░░    │░░░░░  │░░░  
├───────┼───────┼───────┼───────┼────▶
│◀─────▶│◀─────▶│◀─────▶│◀─────▶│

以固定的3秒为间隔执行

// 2秒后开始执行定时任务，以3秒为间隔执行:
ses.scheduleWithFixedDelay(new Task("fixed-delay"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);

│░░░│       │░░░░░│       │░░│       │░
└───┼───────┼─────┼───────┼──┼───────┼──▶
    │◀─────▶│     │◀─────▶│  │◀─────▶│

---

小结

JDK提供了ExecutorService实现了线程池功能：

• 线程池内部维护一组线程，可以高效执行大量小任务；
• Executors提供了静态方法创建不同类型的ExecutorService；
• 必须调用shutdown()关闭ExecutorService；
• ScheduledThreadPool可以定期调度多个任务。

使用Future

• Callable （泛型接口）有返回值

• Future 接口表示一个未来可能会返回的结果

  • get()：获取结果（可能会等待）
  • get(long timeout, TimeUnit unit)：获取结果，但只等待指定的时间；
  • cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：取消当前任务；
  • isDone()：判断任务是否已完成。

小结

对线程池提交一个Callable任务，可以获得一个Future对象；

可以用Future在将来某个时刻获取结果。

使用CompletableFuture

CompletableFuture的优点是：

• 异步任务结束时，会自动回调某个对象的方法；
• 异步任务出错时，会自动回调某个对象的方法；
• 主线程设置好回调后，不再关心异步任务的执行。

---

CompletableFuture可以指定异步处理流程：

• thenAccept()处理正常结果；
• exceptional()处理异常结果；
• thenApplyAsync()用于串行化另一个CompletableFuture；
• anyOf()和allOf()用于并行化多个CompletableFuture。

---

通过 CompletableFuture.anyOf() 可以轻松实现"谁快用谁"的优化策略。

第一阶段（代码查询）：
新浪查询 ─────┐
            ↓
网易查询 ─────┼── anyOf ─→ 取最先返回的代码
            ↓
第二阶段（价格查询）：
新浪价格查询 ───┐
             ↓  
网易价格查询 ───┼── anyOf ─→ 取最先返回的价格
             ↓
          打印结果
          
// 两个CompletableFuture执行异步查询:
CompletableFuture<String> cfQueryFromSina = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    return queryCode("中国石油", "https://finance.sina.com.cn/code/");
});
CompletableFuture<String> cfQueryFrom163 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    return queryCode("中国石油", "https://money.163.com/code/");
});

// 用anyOf合并为一个新的CompletableFuture:
CompletableFuture<Object> cfQuery = CompletableFuture.anyOf(cfQueryFromSina, cfQueryFrom163);

// 两个CompletableFuture执行异步查询:
CompletableFuture<Double> cfFetchFromSina = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
    return fetchPrice((String) code, "https://finance.sina.com.cn/price/");
});
CompletableFuture<Double> cfFetchFrom163 = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
    return fetchPrice((String) code, "https://money.163.com/price/");
});

// 用anyOf合并为一个新的CompletableFuture:
CompletableFuture<Object> cfFetch = CompletableFuture.anyOf(cfFetchFromSina, cfFetchFrom163);

// 最终结果:
cfFetch.thenAccept((result) -> {
    System.out.println("price: " + result);
});
// 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
Thread.sleep(200);

使用ForkJoin

例子：如果要计算一个超大数组的和，最简单的做法是用一个循环在一个线程内完成：

┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘

还有一种方法，可以把数组拆成两部分，分别计算，最后加起来就是最终结果，这样可以用两个线程并行执行：

┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘

如果拆成两部分还是很大，我们还可以继续拆，用4个线程并行执行：

┌─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┘
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┘
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┘
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┘

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建2000个随机数组成的数组:
        long[] array = new long[2000];
        long expectedSum = 0;
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            array[i] = random();
            expectedSum += array[i];
        }
        System.out.println("Expected sum: " + expectedSum);
        // fork/join:
        ForkJoinTask<Long> task = new SumTask(array, 0, array.length);
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        Long result = ForkJoinPool.commonPool().invoke(task);
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Fork/join sum: " + result + " in " + (endTime - startTime) + " ms.");
    }

    static Random random = new Random(0);

    static long random() {
        return random.nextInt(10000);
    }
}

class SumTask extends RecursiveTask<Long> {
    static final int THRESHOLD = 500;
    long[] array;
    int start;
    int end;

    SumTask(long[] array, int start, int end) {
        this.array = array;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Long compute() {
        if (end - start <= THRESHOLD) {
            // 如果任务足够小,直接计算:
            long sum = 0;
            for (int i = start; i < end; i++) {
                sum += this.array[i];
                // 故意放慢计算速度:
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
            return sum;
        }
        // 任务太大,一分为二:
        int middle = (end + start) / 2;
        System.out.println(String.format("split %d~%d ==> %d~%d, %d~%d", start, end, start, middle, middle, end));
        SumTask subtask1 = new SumTask(this.array, start, middle);
        SumTask subtask2 = new SumTask(this.array, middle, end);
        invokeAll(subtask1, subtask2);
        Long subresult1 = subtask1.join();
        Long subresult2 = subtask2.join();
        Long result = subresult1 + subresult2;
        System.out.println("result = " + subresult1 + " + " + subresult2 + " ==> " + result);
        return result;
    }
}

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这就是Fork/Join任务的原理：判断一个任务是否足够小，如果是，直接计算，否则，就分拆成几个小任务分别计算。这个过程可以反复“裂变”成一系列小任务。

小结

Fork/Join是一种基于“分治”的算法：通过分解任务，并行执行，最后合并结果得到最终结果。

ForkJoinPool线程池可以把一个大任务分拆成小任务并行执行，任务类必须继承自RecursiveTask或RecursiveAction。

使用Fork/Join模式可以进行并行计算以提高效率。

使用ThreadLocal

• Thread.currentThread()获取当前线程
• AutoCloseable接口配合try (resource) {...}结构
• threadLocalUser.remove()
• 一个实例便可拥有各个线程独有的存储空间

ThreadLocal实例通常总是以静态字段初始化如下：

static ThreadLocal<User> threadLocalUser = new ThreadLocal<>();

void processUser(user) {
    try {
        threadLocalUser.set(user);
        step1();
        step2();
        log();
    } finally {
        threadLocalUser.remove();
    }
}

ThreadLocal相当于给每个线程都开辟了一个独立的存储空间，各个线程的ThreadLocal关联的实例互不干扰。

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清理

1. threadLocalUser.remove();

特别注意ThreadLocal一定要在finally中清除：

try {
    threadLocalUser.set(user);
    ...
} finally {
    threadLocalUser.remove();
}

2. AutoCloseable接口配合try (resource) {...}结构

为了保证能释放ThreadLocal关联的实例，我们可以通过AutoCloseable接口配合try (resource) {...}结构，让编译器自动为我们关闭。例如，一个保存了当前用户名的ThreadLocal可以封装为一个UserContext对象：

public class UserContext implements AutoCloseable {

    static final ThreadLocal<String> ctx = new ThreadLocal<>();

    public UserContext(String user) {
        ctx.set(user);
    }

    public static String currentUser() {
        return ctx.get();
    }

    @Override
    public void close() {
        ctx.remove();
    }
}

使用的时候，我们借助try (resource) {...}结构，可以这么写：

try (var ctx = new UserContext("Bob")) {
    // 可任意调用UserContext.currentUser():
    String currentUser = UserContext.currentUser();
} // 在此自动调用UserContext.close()方法释放ThreadLocal关联对象

这样就在UserContext中完全封装了ThreadLocal，外部代码在try (resource) {...}内部可以随时调用UserContext.currentUser()获取当前线程绑定的用户名。

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小结

ThreadLocal表示线程的“局部变量”，它确保每个线程的ThreadLocal变量都是各自独立的；

ThreadLocal适合在一个线程的处理流程中保持上下文（避免了同一参数在所有方法中传递）；

使用ThreadLocal要用try ... finally结构，并在finally中清除。

使用虚拟线程

虚拟线程（Virtual Thread）是Java 19引入的一种轻量级线程，它在很多其他语言中被称为协程、纤程、绿色线程、用户态线程等

在服务器端，对用户请求，通常都实现为一个线程处理一个请求。由于用户的请求数往往远超操作系统能同时调度的线程数量，所以通常使用线程池来尽量减少频繁创建和销毁线程的成本。

线程的特点

• 线程是由操作系统创建并调度的资源；
• 线程切换会耗费大量CPU时间；
• 一个系统能同时调度的线程数量是有限的，通常在几百至几千级别。

常见的IO操作包括

• 读写文件；
• 读写网络，例如HTTP请求；
• 读写数据库，本质上是通过JDBC实现网络调用。

真正由CPU执行的代码消耗的时间非常少，线程的大部分时间都在等待IO。我们把这类任务称为IO密集型任务

例子

一个处理HTTP请求的线程，它在读写网络、文件的时候就会进入等待状态：

Begin
────────
Blocking ──▶ Read HTTP Request
Wait...
Wait...
Wait...
────────
Running
────────
Blocking ──▶ Read Config File
Wait...
────────
Running
────────
Blocking ──▶ Read Database
Wait...
Wait...
Wait...
────────
Running
────────
Blocking ──▶ Send HTTP Response
Wait...
Wait...
────────
End

真正由CPU执行的代码消耗的时间非常少，线程的大部分时间都在等待IO。我们把这类任务称为IO密集型任务。

为了能高效执行IO密集型任务，Java从19开始引入了虚拟线程。虚拟线程的接口和普通线程是一样的，但是执行方式不一样。虚拟线程不是由操作系统调度，而是由普通线程调度，即成百上千个虚拟线程可以由一个普通线程调度。任何时刻，只能执行一个虚拟线程，但是，一旦该虚拟线程执行一个IO操作进入等待时，它会被立刻“挂起”，然后执行下一个虚拟线程。什么时候IO数据返回了，这个挂起的虚拟线程才会被再次调度。因此，若干个虚拟线程可以在一个普通线程中交替运行：

Begin
───────────
V1 Runing
V1 Blocking ──▶ Read HTTP Request
───────────
V2 Runing
V2 Blocking ──▶ Read HTTP Request
───────────
V3 Runing
V3 Blocking ──▶ Read HTTP Request
───────────
V1 Runing
V1 Blocking ──▶ Read Config File
───────────
V2 Runing
V2 Blocking ──▶ Read Database
───────────
V1 Runing
V1 Blocking ──▶ Read Database
───────────
V3 Runing
V3 Blocking ──▶ Read Database
───────────
V2 Runing
V2 Blocking ──▶ Send HTTP Response
───────────
V1 Runing
V1 Blocking ──▶ Send HTTP Response
───────────
V3 Runing
V3 Blocking ──▶ Send HTTP Response
───────────
End

---

创建虚拟线程的方法

1. 直接创建虚拟线程并运行：

// 传入Runnable实例并立刻运行:
Thread vt = Thread.startVirtualThread(() -> {
    System.out.println("Start virtual thread...");
    Thread.sleep(10);
    System.out.println("End virtual thread.");
});

2. 创建虚拟线程但不自动运行，而是手动调用start()开始运行：

// 创建VirtualThread:
Thread vt = Thread.ofVirtual().unstarted(() -> {
    System.out.println("Start virtual thread...");
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println("End virtual thread.");
});
// 运行:
vt.start();

3. 通过虚拟线程的ThreadFactory创建虚拟线程，然后手动调用start()开始运行：

// 创建ThreadFactory:
ThreadFactory tf = Thread.ofVirtual().factory();
// 创建VirtualThread:
Thread vt = tf.newThread(() -> {
    System.out.println("Start virtual thread...");
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println("End virtual thread.");
});
// 运行:
vt.start();

由于虚拟线程属于非常轻量级的资源，因此，用时创建，用完就扔，不要池化虚拟线程。

使用限制

注意到只有以虚拟线程方式运行的代码，才会在执行IO操作时自动被挂起并切换到其他虚拟线程。普通线程的IO操作仍然会等待，例如，我们在main()方法中读写文件，是不会有调度和自动挂起的。

可以自动引发调度切换的操作包括：

• 文件IO；
• 网络IO；
• 使用Concurrent库引发等待；
• Thread.sleep()操作。

这是因为JDK为了实现虚拟线程，已经对底层相关操作进行了修改，这样应用层的Java代码无需修改即可使用虚拟线程。无法自动切换的语言需要用户手动调用await来实现异步操作：

async function doWork() {
    await readFile();
    await sendNetworkData();
}

在虚拟线程中，如果绕过JDK的IO接口，直接通过JNI读写文件或网络是无法实现调度的。此外，在synchronized块内部也无法调度。

小结

Java 19引入的虚拟线程是为了解决IO密集型任务的吞吐量，它可以高效通过少数线程去调度大量虚拟线程；

虚拟线程在执行到IO操作或Blocking操作时，会自动切换到其他虚拟线程执行，从而避免当前线程等待，能最大化线程的执行效率；

虚拟线程使用普通线程相同的接口，最大的好处是无需修改任何代码，就可以将现有的IO操作异步化获得更大的吞吐能力。

计算密集型任务不应使用虚拟线程，只能通过增加CPU核心解决，或者利用分布式计算资源。