Java之JUC并发编程-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/zhangzengxiu/article/details/127115941

Java之JUC并发编程

【并发】一词涵盖了在 Java 平台上的

进程
线程
并发
并行

学习路线图

在这里插入图片描述

环境准备

pom.xml

    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.projectlombok</groupId>
            <artifactId>lombok</artifactId>
            <version>1.18.8</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>ch.qos.logback</groupId>
            <artifactId>logback-classic</artifactId>
            <version>1.2.7</version>
        </dependency>
    </dependencies>

logback.xml

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<configuration
        xmlns="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback"
        xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
        xsi:schemaLocation="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback logback.xsd">
    <appender name="STDOUT" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender">
        <encoder>
            <pattern>%date{HH:mm:ss} [%t] %logger - %m%n</pattern>
        </encoder>
    </appender>
    <logger name="c" level="debug" additivity="false">
        <appender-ref ref="STDOUT"/>
    </logger>
    <root level="ERROR">
        <appender-ref ref="STDOUT"/>
    </root>
</configuration>

进程与线程

进程

程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至 CPU，数据加载至内存。在

指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的

当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程。

进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本、画图、浏览器

等），也有的程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐、360 安全卫士等）

线程

一个进程之内可以分为一到多个线程。
一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行
Java 中，线程作为最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。在 windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器

二者对比

进程基本上相互独立的，而线程存在于进程内，是进程的一个子集
进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享
进程间通信较为复杂
- 同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）
- 不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP
线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量
线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低

并行与并发

并发

单核 cpu 下，线程实际还是串行执行的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 cpu 的时间片（windows

下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于 cpu 在线程间（时间片很短）的切换非常快，人类感

觉是同时运行的。总结为一句话就是：微观串行，宏观并行，

一般会将这种线程轮流使用 CPU 的做法称为并发， concurrent 在这里插入图片描述

并行

多核 cpu下，每个核（core）都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的。

在这里插入图片描述

引用 Rob Pike 的一段描述：

并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力

并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力

异步调用

应用之异步调用

以调用方角度来讲，如果

需要等待结果返回，才能继续运行就是同步
不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步

1) 设计

多线程可以让方法执行变为异步的（即不要巴巴干等着）比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了 5 秒钟，如

果没有线程调度机制，这 5 秒 cpu 什么都做不了，其它代码都得暂停…

2) 结论

比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程

tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程

ui 程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞 ui 线程

应用之提高效率

充分利用多核 cpu 的优势，提高运行效率。想象下面的场景，执行 3 个计算，最后将计算结果汇总。

计算 1 花费 10 ms
计算 2 花费 11 ms
计算 3 花费 9 ms
汇总需要 1 ms

如果是串行执行，那么总共花费的时间是 10 + 11 + 9 + 1 = 31ms
但如果是四核 cpu，各个核心分别使用线程 1 执行计算 1，线程 2 执行计算 2，线程 3 执行计算 3，那么 3 个线程是并行的，花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间，即 11ms 最后加上汇总时间只会花费 12ms

注意

需要在多核 cpu 才能提高效率，单核仍然时是轮流执行

结论

单核 cpu 下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用 cpu ，不至于一个线程总占用 cpu，别的线程没法干活
多核 cpu 可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的有些任务，经过精心设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率。但不是所有计算任务都能拆分（参考后文的【阿姆达尔定律】）也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义
IO 操作不占用 cpu，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO】，这时相当于线程虽然不用 cpu，但需要一直等待 IO 结束，没能充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞 IO】和【异步 IO】优化

Java线程

创建和运行线程
查看线程
线程 API
线程状态

创建和运行线程

每个Java程序在启动时,已经创建了一个线程,就是main线程,若想在主线程之外,使用其他线程,则可使用如下方法:

方式一：直接使用Thread

package com.test.demo01;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

/**
 * @author zhangzengxiu
 * @date 2022/9/29
 */
@Slf4j(topic = "c.MyThread01")
public class MyTest01 {
   

    /**
     * main线程就是java默认的线程
     * 两次打印是两个不同的指令去执行的
     * 有可能底层是CPU并行执行的
     *
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
   
        //创建线程
        Thread thread = new Thread() {
   
            @Override
            public void run() {
   
                //执行的任务代码
                log.debug("thread is running...");
            }
        };
        /*
        此时创建好的线程是java程序中的线程，
        还未与操作系统的线程对象相关联，
        还没有被任务调度器去调度，交给CPU去执行
         */
        thread.setName("t1");
        /*
        启动线程
        交给任务调度器，分配时间片，交给CPU去执行
         */
        thread.start();

        log.debug("main is running...");
    }

}

方式二：使用Runnable配合Thread

把【线程】和【任务】（要执行的代码）分开

Thread 代表线程
Runnable 可运行的任务（线程要执行的代码）

package com.test.demo01;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

/**
 * @author zhangzengxiu
 * @date 2022/9/29
 */
@Slf4j(topic = "")
public class MyTest02 {
   

    /**
     * 任务和线程分离
     *
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
   
        //任务
        Runnable runnable = new Runnable() {
   
            @Override
            public void run() {
   
                //要执行的任务
                log.debug("runnable is running...");
            }
        };
        //创建线程对象
        Thread thread = new Thread(runnable);
        thread.setName("t2");
        //启动线程
        thread.start();

        log.debug("main is running...");
    }

}

Java8后可使用lambda表达式进行精简。

    public static void main(String[] args) {
   
        //任务
        Runnable runnable = () -> {
   
            //要执行的任务
            log.debug("runnable is running...");
        };
    }

原理之 Thread 与 Runnable 的关系

分析 Thread 的源码，理清它与 Runnable 的关系

小结

方法1 是把线程和任务合并在了一起，方法2 是把线程和任务分开了
用 Runnable 更容易与线程池等高级 API 配合
用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活
不推荐直接操作线程对象，推荐操作Runnable的任务对象

方式三：FutureTask配合Thread

Runnable的run方法返回值是void，并不能方便的在两个线程之间，把一个结果传给另一个线程。

FutureTask 能够接收 Callable 类型的参数，用来处理有返回结果的情况

Callable：

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
   

    V call() throws Exception;
}

有返回值，有抛出异常

Runnable：

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
   

    public abstract void run();
}

无返回值，无抛出异常

代码

package com.test.demo01;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

/**
 * @author zhangzengxiu
 * @date 2022/9/29
 */
@Slf4j(topic = "c.Test03")
public class MyTest03 {
   

    public static void main(String[] args) throws Exception {
   
        FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
   
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
   
                log.debug("future task is running...");
                Thread.sleep(1000);
                return 100;
            }
        });
        //创建线程
        Thread thread = new Thread(task, "t1");
        thread.start();
        //一直阻塞等待返回结果
        Integer res = task.get();
        /*
        t1线程和main线程是并行执行的，
        main线程会阻塞等待结果
         */
        log.debug("{}", res);
    }
}

多线程执行顺序

交替执行
执行顺序无法控制

查看进程&线程

windows

任务管理器可以查看进程和线程数，也可以用来杀死进程

tasklist 查看进程

taskkill 杀死进程

linux

ps -fe 查看所有进程

ps -fT -p 查看某个进程（PID）的所有线程

kill 杀死进程

top 按大写 H 切换是否显示线程

top -H -p 查看某个进程（PID）的所有线程

Java

jps 命令查看所有 Java 进程

jstack 查看某个 Java 进程（PID）的所有线程状态

jconsole 来查看某个 Java 进程中线程的运行情况（图形界面）

jconsole 远程监控配置

需要以如下方式运行你的 java 类

java -Djava.rmi.server.hostname=`ip地址` -Dcom.sun.management.jmxremote -
Dcom.sun.management.jmxremote.port=`连接端口` -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=是否安全连接 -
Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=是否认证 java类

修改 /etc/hosts 文件将 127.0.0.1 映射至主机名

如果要认证访问，还需要做如下步骤

复制 jmxremote.password 文件
修改 jmxremote.password 和 jmxremote.access 文件的权限为 600 即文件所有者可读写
连接时填入 controlRole（用户名），R&D（密码）

原理之线程运行

Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈）

我们都知道 JVM 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存是给谁用的呢？其实就是线程，每个线程启动后，虚拟

机就会为其分配一块栈内存。

每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法
多个线程同时运行时，线程的栈内存是相互独立的

线程上下文切换（Thread Context Switch）

因为以下一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码

线程的 cpu 时间片用完
垃圾回收
有更高优先级的线程需要运行
线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法

当 Context Switch 发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应的概念

就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条 jvm 指令的执行地址，是线程私有的

状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等
Context Switch 频繁发生会影响性能

常见方法

法名	static	功能说明	注意
start()		启动一个新线程，在新的线程运行 run 方法	start 方法只是让线程进入就绪，里面代码不一定立刻运行（CPU 的时间片还没分给它）。每个线程对象的start方法只能调用一次，如果调用了多次会出现IllegalThreadStateException
run()		新线程启动后会调用的方法	如果在构造 Thread 对象时传递了 Runnable 参数，则线程启动后会调用 Runnable 中的 run 方法，否则默认不执行任何操作。但可以创建 Thread 的子类对象，来覆盖默认行为
join()		等待线程运行结束
join(long n)		等待线程运行结束,最多等待 n毫秒
getId()		获取线程长整型的 id	id 唯一
getName()		获取线程名
setName(String)		修改线程名
getPriority()		获取线程优先级
setPriority(int)		修改线程优先级	java中规定线程优先级是1~10 的整数，较大的优先级能提高该线程被 CPU 调度的机率
getState()		获取线程状态	Java 中线程状态是用 6 个 enum 表示，分别为： NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED
isInterrupted()		判断是否被打断	不会清除打断标记
isAlive()		线程是否存活（还没有运行完毕）
interrupt()		打断线程	如果被打断线程正在 sleep，wait，join 会导致被打断的线程抛出 InterruptedException，并清除打断标记；如果打断的正在运行的线程，则会设置打断标记；park 的线程被打断，也会设置打断标记
interrupted()	static	判断当前线程是否被打断	会清除打断标记
currentThread()	static	获取当前正在执行的线程
sleep(long n)	static	让当前执行的线程休眠n毫秒，休眠时让出 cpu 的时间片给其它线程
yield()	static	提示线程调度器让出当前线程对CPU的使用	主要是为了测试和调试

start 与 run

调用 run

    public static void main(String[] args) {
   
        Thread t1 = new Thread("t1") {
   
            @Override
            public void run() {
   
                log.debug(Thread.currentThread().getName());
                FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH);
            }
        };
        t1.run();
        log.debug("do other things ...");
    }

输出

19:39:14 [main] c.TestStart - main
19:39:14 [main] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
19:39:18 [main] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4227 ms
19:39:18 [main] c.TestStart - do other things ...

程序仍在 main 线程运行， FileReader.read() 方法调用还是同步的

调用 start

将上述代码的 t1.run() 改为

t1.start();

输出

19:41:30 [main] c.TestStart - do other things ...
19:41:30 [t1] c.TestStart - t1
19:41:30 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
19:41:35 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4542 ms

程序在 t1 线程运行， FileReader.read() 方法调用是异步的

小结

直接调用 run 是在主线程中执行了 run，没有启动新的线程
使用 start 是启动新的线程，通过新的线程间接执行 run 中的代码

sleep 与 yield

sleep

调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛出 InterruptedException
睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行（并不是立刻能获得CPU的使用权）
建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性

yield

调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态，然后调度执行其它线程
具体的实现依赖于操作系统的任务调度器

CPU任务调度器不会把时间片分给阻塞状态的线程，但是会分给就绪状态的线程。

分配时间片时不会考虑阻塞状态的线程，只会分给就绪状态的线程

线程优先级

优先级从1到10，默认优先级5.
线程优先级会提示（hint）调度器优先调度该线程，但它仅仅是一个提示，调度器可以忽略它
如果 cpu 比较忙，那么优先级高的线程会获得更多的时间片，但 cpu 闲时，优先级几乎没作用
最终还是由任务调度器来决定的

示例代码

    public static void main(String[] args) {
   
        Runnable task1 = () -> {
   
            int count = 0;
            for (; ; ) {
   
                System.out.println("---->1 " + count++);
            }
        };
        Runnable task2 = () -> {
   
            int count = 0;
            for (; ; ) {
   
                // Thread.yield();
                System.out.println(" ---->2 " + count++);
            }
        };
        Thread t1 = new Thread(task1, "t1");
        Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
        // t1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
        // t2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
        t1.start();
        t2.start();
    }

join

示例代码

    static int r = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   
        test1()