juc并发线程学习笔记(一)

本系列会更新我在学习juc时的笔记和自己的一些思想记录。如有问题欢迎联系。

并发编程

进程与线程

1.进程和线程的概念

程序是静态的，进程是动态的

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

进程和线程对比

• 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

2.并行和并发的概念

并发

并发能力：同一时间应对多件事情的能力。

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。

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。

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

例子：

3.线程基本应用

应用之异步调用（案例1）

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...

//同步
@Slf4j(topic = "c.Sync")
public class Sync {

    public static void main(String[] args) {
        FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH);
        log.debug("do other things ...");
    }

}

//异步
@Slf4j(topic = "c.Async")
public class Async {

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH)).start();
        log.debug("do other things ...");
    }

}

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

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

1) 设计

@Fork(1)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)//测试模式，统计程序平均时间
@Warmup(iterations=3)//热身三次
@Measurement(iterations=5)//五轮测试取平均值
public class MyBenchmark {
    static int[] ARRAY = new int[1000_000_00];
    static {
        Arrays.fill(ARRAY, 1);
    }
    @Benchmark
    public int c() throws Exception {
        int[] array = ARRAY;
        FutureTask<Integer> t1 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 250_000_00;i++) {
                sum += array[0+i];
            }
            return sum;
        });
        FutureTask<Integer> t2 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 250_000_00;i++) {
                sum += array[250_000_00+i];
            }
            return sum;
        });
        FutureTask<Integer> t3 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 250_000_00;i++) {
                sum += array[500_000_00+i];
            }
            return sum;
        });
        FutureTask<Integer> t4 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 250_000_00;i++) {
                sum += array[750_000_00+i];
            }
            return sum;
        });
        new Thread(t1).start();
        new Thread(t2).start();
        new Thread(t3).start();
        new Thread(t4).start();
        return t1.get() + t2.get() + t3.get()+ t4.get();
    }
    @Benchmark
    public int d() throws Exception {
        int[] array = ARRAY;
        FutureTask<Integer> t1 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 1000_000_00;i++) {
                sum += array[0+i];
            }
            return sum;
        });
        new Thread(t1).start();
        return t1.get();
    }
}

在单核的情况下，多线程和单线程效率基本一致，多线程会有上下文切换的耗时。

在多核的情况下，多线程比单线程就会效率翻倍。

2) 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

1.创建和运行线程

创建线程对象

// 创建线程对象
Thread t = new Thread() {
 public void run() {
 // 要执行的任务
 }
};
// 启动线程，交给任务调度器，分配时间片，交给时间片去执行。
t.start();

例如:

方法一：直接使用 Thread

@Slf4j(topic = "c.Test1")
public class Test1 {

    public static void test2() {

        Thread t = new Thread(()->{ log.debug("running"); }, "t2");

        t.start();
    }
    public static void test1() {
        //匿名内部类的写法
        Thread t = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running");
            }
        };
        //创建线程的时候可以给其指定名称
        t.setName("t1");
        t.start();

    }
}

方法二：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）

Runnable源码，如果接口中有@FunctionalInterface注解，则可以被lambda简化。如果一个接口中有多个抽象接口，是没办法用lambda简化的。

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    /**
     * When an object implementing interface <code>Runnable</code> is used
     * to create a thread, starting the thread causes the object's
     * <code>run</code> method to be called in that separately executing
     * thread.
     * <p>
     * The general contract of the method <code>run</code> is that it may
     * take any action whatsoever.
     *
     * @see     java.lang.Thread#run()
     */
    public abstract void run();
}

@Slf4j(topic = "c.Test2")
public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        //果接口中有@FunctionalInterface注解，则可以被lambda简化
        Runnable r = () -> {log.debug("running");};

        Thread t = new Thread(r, "t2");

        t.start();
    }
}

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

都是走的线程里的run方法。

方法三：FutureTask 配合 Thread

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

FutureTask源码分析：

实现一个RunnableFuture的接口

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {

RunnableFuture接口又继承了Runnable和Future

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    /**
     * Sets this Future to the result of its computation
     * unless it has been cancelled.
     */
    void run();
}

Future里有get方法返回任务执行结果

    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

    /**
     * Waits if necessary for at most the given time for the computation
     * to complete, and then retrieves its result, if available.
     *
     * @param timeout the maximum time to wait
     * @param unit the time unit of the timeout argument
     * @return the computed result
     * @throws CancellationException if the computation was cancelled
     * @throws ExecutionException if the computation threw an
     * exception
     * @throws InterruptedException if the current thread was interrupted
     * while waiting
     * @throws TimeoutException if the wait timed out
     */
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

Callable源码分析

Callable可以配合FutureTask让任务执行完了，将结果传给其他线程

能抛出异常

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

实例代码：

// 创建任务对象
FutureTask<Integer> task3 = new FutureTask<>(() -> {
 log.debug("hello");
 return 100;
});
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
new Thread(task3, "t3").start();
// 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
Integer result = task3.get();
log.debug("结果是:{}", result);

输出：

19:22:27 [t3] c.ThreadStarter - hello
19:22:27 [main] c.ThreadStarter - 结果是:100

2.查看进程线程的方法

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 (tasklist | findstr java)
• taskkill 杀死进程 (taskkill /F /PID 280660)

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）可以在window+r里直接打印

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

不需要就false,ip地址和连接端口在输入后记得把`去掉

• 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）

3.线程运行的原理

栈与栈帧

ava 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

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

4.线程

4.1start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:

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

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 ...

调用 start

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

4.2sleep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（未必能立刻获得cpu使用权）
• 建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性