主线程与守护线程
默认情况下，Java 进程需要等待所有线程都运行结束，才会结束。有一种特殊的线程叫做守护线程，只要其它非守护线程运行结束了，即使守护线程的代码没有执行完，也会强制结束。
package Daemon;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j(topic = "c.demo1")
public class demo1 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
while (true) {
if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
break;
}
}
log.debug("结束");
}, "t1");
t1.setDaemon(true);
t1.start();
Thread.sleep(1000);
log.debug("结束");
}
}
输出：
15:08:26 [main] c.demo1 - 结束
Process finished with exit code 0
注意
- 垃圾回收器线程就是一种守护线程
- Tomcat 中的 Acceptor 和 Poller 线程都是守护线程，所以 Tomcat 接收到 shutdown 命令后，不会等待它们处理完当前请求
五种状态
这是从 操作系统 层面来描述的
- 【初始状态】仅是在语言层面创建了线程对象，还未与操作系统线程关联
- 【可运行状态】（就绪状态）指该线程已经被创建（与操作系统线程关联），可以由 CPU 调度执行
- 【运行状态】指获取了 CPU 时间片运行中的状态
- 当 CPU 时间片用完，会从【运行状态】转换至【可运行状态】，会导致线程的上下文切换
- 【阻塞状态】
- 如果调用了阻塞 API，如 BIO 读写文件，这时该线程实际不会用到 CPU，会导致线程上下文切换，进入【阻塞状态】
- 等 BIO 操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至【可运行状态】
- 与【可运行状态】的区别是，对【阻塞状态】的线程来说只要它们一直不唤醒，调度器就一直不会考虑调度它们
- 【终止状态】表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状态
六种状态
这是从 Java API 层面来描述的
- NEW 线程刚被创建，但是还没有调用 start() 方法
- RUNNABLE 当调用了 start() 方法之后，注意，Java API 层面的 RUNNABLE 状态涵盖了 操作系统 层面的【可运行状态】、【运行状态】和【阻塞状态】（由于 BIO 导致的线程阻塞，在 Java 里无法区分，仍然认为是可运行）
- BLOCKED ， WAITING ， TIMED_WAITING 都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分
- TERMINATED 当线程代码运行结束
共享模型之管程
共享带来的问题
两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？
package gc;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j(topic = "c.demo1")
public class demo1 {
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for(int i=0;i<5000;i++){
counter++;
}
},"t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for(int i=0;i<5000;i++){
counter--;
}
},"t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("{}",counter);
}
}
输出：
16:03:58 [main] c.demo1 - -1238
问题分析
以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析
例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 自增
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：
临界区
- 一个程序运行多个线程本身是没有问题的
- 问题出在多个线程访问共享资源
- 多个线程读共享资源其实也没有问题
- 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
- 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区
竞态条件
多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件
synchronized 解决方案
使用阻塞式的解决方案：synchronized，来解决上述问题，即俗称的【对象锁】，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换
注意
虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：
- 互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
- 同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点
package gc;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j(topic = "c.demo1")
public class demo1 {
static int counter = 0;
static final Object lock = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for(int i=0;i<5000;i++){
synchronized (lock){
counter++;
}
}
},"t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for(int i=0;i<5000;i++){
synchronized (lock){
counter--;
}
}
},"t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("{}",counter);
}
}
输出：
16:14:15 [main] c.demo1 - 0
改进：由面向过程改为面向对象
package gc;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j(topic = "c.demo1")
public class demo1 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Room room = new Room();
Thread t1 = new Thread(() -> {
for(int i=0;i<5000;i++){
room.increment();
}
},"t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for(int i=0;i<5000;i++){
room.decrement();
}
},"t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("{}",room.getCounter());
}
}
class Room{
private int counter = 0;
public void increment(){
synchronized (this){
counter++;
}
}
public void decrement(){
synchronized (this){
counter--;
}
}
public int getCounter(){
synchronized (this){
return counter;
}
}
}
输出：
16:18:22 [main] c.demo1 - 0
方法上的 synchronized
- 加在成员方法上，锁住的是 this
- 加在静态方法上，锁住的是 类名.class
class Test{
public synchronized void test() {
}
}
等价于
class Test{
public void test() {
synchronized(this) {
}
}
}
class Test{
public synchronized static void test() {
}
}
等价于
class Test{
public static void test() {
synchronized(Test.class) {
}
}
}
变量的线程安全分析
成员变量和静态方法是否线程安全
- 如果它们没有共享，则线程安全
- 如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况
- 如果只有读操作，则线程安全
- 如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全
局部变量是否线程安全
public static void test1() {
int i = 10;
i++;
}
每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享，所以局部变量是线程安全的
常见的线程安全类
- String
- Integer
- StringBuffffer
- Random
- Vector
- Hashtable
- java.util.concurrent 包下的类
这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。也可以理解为
Hashtable table = new Hashtable();
new Thread(()->{
table.put("key", "value1");
}).start();
new Thread(()->{
table.put("key", "value2");
}).start();
- 它们的每个方法是原子的
- 但注意它们多个方法的组合不是原子的
不可变类线程安全性
String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的
Monitor
Java 对象头
（以 32 位虚拟机为例）
-
普通对象
Klass Word：是一个指针，指向该对象从属的 class 类
-
数组对象
其中 Mark Word 结构为：
- hashcode：每个对象的哈希码
- age：垃圾回收时用到的分代年龄
- biased_lock：是否是偏向锁
- （01,00,10,11）：表示加锁状态
Monitor（锁）
过程：
-
首先用一个指针试图将 obj 对象与操作系统中的 Monitor 对象关联。在正常状态下，Mark Word 存储了 hashcode，age等信息，并且加锁状态码为 “01” 表示并未与任何锁关联。但是一旦获得了锁，加锁状态码会改为 “10” 并且抛弃掉存储的 hashcode ，age 等信息，转而存储一个指向 Monitor 对象的指针（ptr_to_heavyweight_monitor），占30位
-
此时线程 Thread-2 指向 Monitor 中的 Owner 表示自己是这把锁现在的主人
-
当一个新的线程到来时（Thread-1），会先去检查此对象有没有关联 Monitor 对象，发现已经关联，继而检查 Monitor 对象中的 Owner 已经是 Thread-2 了，此时 Thread-1会跟Monitor 中的 EntryList（阻塞队列） 关联，进入 BLOCK 状态
-
Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的时是非公平的
synchronized 优化原理
轻量级锁
轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。
轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized
假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁
static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
method2();
}
}
public static void method2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
}
}
-
创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的 Mark Word
-
让锁记录中 Object reference 指向锁对象，并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录
-
如果 cas 替换成功，对象头中存储了 锁记录地址和状态 00 ，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下
-
如果 cas 失败，有两种情况
-
如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程
-
如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数
-
-
当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一
-
当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头
- 成功，则解锁成功
- 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程
锁膨胀
如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。
static Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块
}
}
-
当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
-
这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程
-
即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址
-
然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED
-
-
当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程
自旋优化
重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。
- 自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
- 在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。
- Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能
偏向锁
轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。
Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有
例如：
static final Object obj = new Object();
public static void m1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
m2();
}
}
public static void m2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
m3();
}
}
public static void m3() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 C
}
}
偏向状态
一个对象创建时：
- 如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，markword 值为 0x05 即最后 3 位为 101，这时它的thread、epoch、age 都为 0
- 偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟
- 如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001，这时它的 hashcode、age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值
1） 测试延迟特性
2） 测试偏向锁
class Dog {}
利用 jol 第三方工具来查看对象头信息
// 添加虚拟机参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
public static void main(String[] args) throws IOException {
Dog d = new Dog();
ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d);
new Thread(() -> {
log.debug("synchronized 前");
System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug("synchronized 中");
System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
}
log.debug("synchronized 后");
System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
}, "t1").start();
}
输出：
11:08:58.117 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101
3）测试禁用
在上面测试代码运行时在添加 VM 参数 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁
输出：
11:13:10.018 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 00010100 11110011 10001000
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
4）测试 hashCode
正常状态对象一开始是没有 hashCode 的，第一次调用才生成
撤销 - 调用对象 hashCode
调用了对象的 hashCode，但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode 会导致偏向锁被撤销
- 轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode
- 重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode
在调用 hashCode 后使用偏向锁，记得去掉 -XX:-UseBiasedLocking
输出：
11:22:10.386 c.TestBiased [main] - 调用 hashCode:1778535015
11:22:10.391 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 11000011 11110011 01101000
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001
撤销 - 其他线程使用对象
当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁
private static void test2() throws InterruptedException {
Dog d = new Dog();
Thread t1 = new Thread(() -> {
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
synchronized (TestBiased.class) {
TestBiased.class.notify();
}
// 如果不用 wait/notify 使用 join 必须打开下面的注释
// 因为：t1 线程不能结束，否则底层线程可能被 jvm 重用作为 t2 线程，底层线程 id 是一样的
/*try {
System.in.read();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}*/
}, "t1");
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (TestBiased.class) {
try {
TestBiased.class.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}, "t2");
t2.start();
}
输出：
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110101 11110000 01000000
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
撤销 - 调用 wait / notify
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Dog d = new Dog();
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
try {
d.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}, "t1");
t1.start();
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(6000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (d) {
log.debug("notify");
d.notify();
}
}, "t2").start();
}
输出：
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110011 11111000 00000101
[t2] - notify
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011100 11010100 00001101 11001010
批量重偏向
如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID
当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，jvm 会这样觉得，我是不是偏向错了呢，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程
private static void test3() throws InterruptedException {
Vector<Dog> list = new Vector<>();
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 30; i++) {
Dog d = new Dog();
list.add(d);
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}
synchronized (list) {
list.notify();
}
}, "t1");
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (list) {
try {
list.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("===============> ");
for (int i = 0; i < 30; i++) {
Dog d = list.get(i);
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}, "t2");
t2.start();
}
输出：
[t1] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
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[t2] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
批量撤销
当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，jvm 会这样觉得，自己确实偏向错了，根本就不该偏向。于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的
static Thread t1,t2,t3;
private static void test4() throws InterruptedException {
Vector<Dog> list = new Vector<>();
int loopNumber = 39;
t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
Dog d = new Dog();
list.add(d);
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}
LockSupport.unpark(t2);
}, "t1");
t1.start();
t2 = new Thread(() -> {
LockSupport.park();
log.debug("===============> ");
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
Dog d = list.get(i);
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
LockSupport.unpark(t3);
}, "t2");
t2.start();
t3 = new Thread(() -> {
LockSupport.park();
log.debug("===============> ");
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
Dog d = list.get(i);
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}, "t3");
t3.start();
t3.join();
log.debug(ClassLayout.parseInstance(new Dog()).toPrintableSimple(true));
}