Java多线程【状态与安全问题】

🍎一.多线程状态

🍇1.1多线程的状态形式

1.NEW状态:安排了工作, 还未开始行动

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(()->{

        });
        System.out.println(thread.getState());
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8

2.RUNNABLE:可工作的. 又可以分成正在工作中和即将开始工作

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(()->{
            while (true){
                //这里面不能有人任务,这样才会显示是就绪状态
            }
        });
        thread.start();
        System.out.println(thread.getState());
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

3.TERMINATED:工作完成了
操作系统线程已经执行完毕,线程已经销毁了,但是Thread对象还存在,获取到的状态

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(()->{
                System.out.println("我滴任务完成啦!");

        });
        thread.start();
        Thread.sleep(500);
        System.out.println(thread.getState());

    }
}

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

4.TIMED_WAITING:代码调用了sleep或者join(超时时间)

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(()->{
            while (true) {
                System.out.println("我在等一会");
                try {
                    Thread.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        thread.start();
        Thread.sleep(500);
        System.out.println(thread.getState());

    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

BLOCKED,WAITING|这两个状态我们后续会将

🍇1.2状态转化分布图

🍎二.多线程的安全问题

🍇2.1线程安全问题的概念

如果多线程环境下代码运行的结果是符合我们预期的，即在单线程环境应该的结果，则说这个程序是线
程安全的。
如果多线程环境下代码运行的结果是不符合我们预期的，即在单线程环境应该的结果，则说这个程序是线
程不安全的。

🍇2.2线程不安全示例

假设我们设置一个count初始值为0,我们使用两个线程同时并且每条线程执行5万次,这样我们的预期count结果为10万,接下来我们来演示一下看看两个线程并发是否安全

public class Test {
   static class Count{
        public int count = 0;
        public void sum(){
            count++;
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Count count = new Count();
        Thread thread1 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                count.sum();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
               count.sum();
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(count.count);
    }
}

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27

![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/8b610fc88e8249a7b559e22f5ca1b7fe.png

我们发现count执行的结果并不是10万,而是5万-10万之间的随机数,这是什么原因呢?接下来我来帮助大家了解一下为什么在对对同一数据进行并发线程不安全
原子性
什么是原子性?
我们把一段代码想象成一个房间，每个线程就是要进入这个房间的人。如果没有任何机制保证，A进入房间之后，还没有出来；B 是不是也可以进入房间，打断 A 在房间里的隐私。这个就是不具备原子性的。
那我们应该如何解决这个问题呢？是不是只要给房间加一把锁，A 进去就把门锁上，其他人是不是就进不来了。这样就保证了这段代码的原子性了。有时也把这个现象叫做同步互斥，表示操作是互相排斥的。
一条 java 语句不一定是原子的，也不一定只是一条指令比如刚才我们看到的 n++，其实是由三步操作组成的：
1. 从内存把数据读到 CPU
2. 进行数据更新
3. 把数据写回到 CPU不保证原子性会给多线程带来什么问题如果一个线程正在对一个变量操作，中途其他线程插入进来了，如果这个操作被打断了，结果就可能是错误的。

可见性
可见性指, 一个线程对共享变量值的修改，能够及时地被其他线程看到.线程之间的共享变量存在 主内存 (Main Memory).每一个线程都有自己的 “工作内存” (Working Memory) .当线程要读取一个共享变量的时候, 会先把变量从主内存拷贝到工作内存, 再从工作内存读取数据.当线程要修改一个共享变量的时候, 也会先修改工作内存中的副本, 再同步回主内存.由于每个线程有自己的工作内存, 这些工作内存中的内容相当于同一个共享变量的 “副本”. 此时修改线程1 的工作内存中的值, 线程2 的工作内存不一定会及时变化.

情况一:

情况二:

情况三:

情况四:

重排序问题:

🍇2.3解决线程不安全方案

这个时候我们应该怎么解决这个问题呢? 上锁!(synchronized)
synchronized 会起到互斥效果, 某个线程执行到某个对象的 synchronized 中时, 其他线程如果也执行到
同一个对象 synchronized 就会阻塞等待.
进入 synchronized 修饰的代码块, 相当于 加锁
退出 synchronized 修饰的代码块, 相当于 解锁

public class Test {
   static class Count{
        public int count = 0;
        //对方法上锁
        synchronized public void sum(){
            count++;
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Count count = new Count();
        Thread thread1 = new Thread(()->{
            //对该线程上锁
            synchronized (count) {
                for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                    count.sum();
                }
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(()->{
            //对该线程上锁
            synchronized (count) {
                for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                    count.sum();
                }
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(count.count);
    }
}

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34

🍇2.4Java 标准库中线程安全类与不安全类

Java 标准库中线程不安全类: 使用了一些锁机制来控制

1. Vector (不推荐使用)
2. HashTable (不推荐使用)
3. ConcurrentHashMap
4. StringBuffer(StringBuffer 的核心方法都带有 synchronized )
   特例:String:还有的虽然没有加锁, 但是不涉及 “修改”, 仍然是线程安全的

Java 标准库中线程不安全类: 这些类可能会涉及到多线程修改共享数据, 又没有任何加锁措施

1. .ArrayList
2. LinkedList
3. TreeMap
4. HashSet
5. TreeSet
6. StringBuilder

🍎三.多线程常见关键字

🍇3.1synchronized(锁)

🎈3.1.1互斥

synchronized的底层是使用操作系统的mutex lock实现的.

我们在介绍线程安全问题解决时说过 synchronized 会起到互斥效果, 某个线程执行到某个对象的 synchronized 中时, 其他线程如果也执行到同一个对象 synchronized 就会阻塞等待.
进入 synchronized 修饰的代码块, 相当于 加锁
退出 synchronized 修饰的代码块, 相当于 解锁

可以粗略理解成, 每个对象在内存中存储的时候, 都存有一块内存表示当前的 “锁定” 状态(类似于厕所的 “有人/无人”).
如果当前是 “无人” 状态, 那么就可以使用, 使用时需要设为 “有人” 状态.
如果当前是 “有人” 状态, 那么其他人无法使用, 只能排队

理解 “阻塞等待”
针对每一把锁, 操作系统内部都维护了一个等待队列. 当这个锁被某个线程占有的时候, 其他线程尝试进行加锁, 就加不上了, 就会阻塞等待, 一直等到之前的线程解锁之后, 由操作系统唤醒一个新的线程, 再来获取到这个锁.

注意:
上一个线程解锁之后, 下一个线程并不是立即就能获取到锁. 而是要靠操作系统来 “唤醒”. 这
也就是操作系统线程调度的一部分工作.
假设有 A B C 三个线程, 线程 A 先获取到锁, 然后 B 尝试获取锁, 然后 C 再尝试获取锁, 此时 B
和 C 都在阻塞队列中排队等待. 但是当 A 释放锁之后, 虽然 B 比 C 先来的, 但是 B 不一定就能
获取到锁, 而是和 C 重新竞争, 并不遵守先来后到的规则.
注意:synchronized是非公平锁

🎈3.1.2刷新内存

synchronized 的工作过程:

1. 获得互斥锁
2. 从主内存拷贝变量的最新副本到工作的内存
3. 执行代码
4. 将更改后的共享变量的值刷新到主内存
5. 释放互斥锁
   所以 synchronized 也能保证内存可见性. 具体代码参见后面 volatile 部分.

🎈3.1.3可重入

synchronized 同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题
理解 “把自己锁死”:
一个线程没有释放锁, 然后又尝试再次加锁.

// 第一次加锁, 加锁成功
lock();
// 第二次加锁, 锁已经被占用, 阻塞等待.
lock();
1
2
3
4

按照之前对于锁的设定, 第二次加锁的时候, 就会阻塞等待. 直到第一次的锁被释放, 才能获取到第
二个锁. 但是释放第一个锁也是由该线程来完成, 结果这个线程已经躺平了, 啥都不想干了, 也就无
法进行解锁操作. 这时候就会 死锁
Java 中的 synchronized 是 可重入锁, 因此没有上面的问题.

🎈3.1.4synchronized使用案例

1.直接修饰普通方法: 锁的 SynchronizedDemo 对象

public class SynchronizedDemo {
public synchronized void methond() {
}
}
1
2
3
4

2. 修饰静态方法: 锁的 SynchronizedDemo 类的对象

public class SynchronizedDemo {
public synchronized static void method() {
}
}
1
2
3
4

3. 修饰代码块: 明确指定锁哪个对象

public class SynchronizedDemo {
public void method() {
}
}
1
2
3
4

4.锁类对象

public class SynchronizedDemo {
public void method() {
}
}
1
2
3
4

🍇3.2volatile(可见性)

🎈3.2.1volatile与synchronized区别

🎈3.2.2volatile使用的场景

我峨嵋你来执行一个停止线程的代码程序

public class Test2 {
    private static int isQuit;
    private static Object okject = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        Thread thread = new Thread(()->{
            while(isQuit==0){
            
            }
            System.out.println("该线程执行结束");
        });
         thread.start();
        System.out.println("输入一个不为0的的数停止该线程");
        isQuit = scanner.nextInt();
        System.out.println("mian结束运行");

    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

我们发现main结束时并没有执行到Thread内的输出"该线程结束",这是因为在在编译器执行时,因为每次快速执行线程的while循环时会被编译器优化掉while判断isQuit忽视这个值导致线程一直在执行并没有在输入非0时的结束操作而停止该线程结束
那我们应该怎样去做呢?
没错就是要用到我们刚刚认识到的volatile关键字(synchronized也可以)

volatile优化版本:

public class Test2 {
    //volatile 在需要在循环判断的isQuit中加入volatile来防止编译器优化忽略判断isQuit
    volatile private static int isQuit;
    private static Object okject = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        Thread thread = new Thread(()->{
            while(isQuit==0){

            }
            System.out.println("该线程执行结束");
        });
        thread.start();
        System.out.println("输入一个不为0的的数停止该线程");
        isQuit = scanner.nextInt();
        System.out.println("mian结束运行");

    }
}

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

synchronized优化版本:

public class Test2 {
    private static int isQuit;
    private static final Object okject = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        Thread thread = new Thread(()->{
            synchronized (okject) {
                while (isQuit == 0) {

                }
                System.out.println("该线程执行结束");
            }
        });
        thread.start();
        System.out.println("输入一个不为0的的数停止该线程");
        isQuit = scanner.nextInt();
        System.out.println("mian结束运行");

    }
}

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22

我们发现该程序并没有结束
这也是编译器优化的问题,编译器的优化不仅可以产生内存可见性问题,也会产生重排序问题,就是保证在原有的逻辑下,调整代码的执行顺序,从而提高线程的运行效率从而引起线程的不安全,这个问题我们了解即可.

🍇3.3wait丶notify(等待丶唤醒)

🎈3.3.1wait

wait 做的事情:
使当前执行代码的线程进行等待. (把线程放到等待队列中)释放当前的锁满足一定条件时被唤醒, 重新尝试获取这个锁

注意:
wait 要搭配 synchronized 来使用. 脱离 synchronized 使用 wait 会直接抛出异常

wait 结束等待的条件:
其他线程调用该对象的 notify 方法.wait 等待时间超时 (wait 方法提供一个带有 timeout 参数的版本, 来指定等待时间).其他线程调用该等待线程的 interrupted 方法, 导致 wait 抛出 InterruptedException 异常.

代码示例: 观察wait()方法搭配synchronized使用

public class Testified {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object o = new Object();
        Thread thread = new Thread(()->{
            synchronized (o){

            }
           //执行一些任务
        });
        thread.start();
        System.out.println("开始等待");
        thread.wait();
        System.out.println("等待结束");
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

抛出错误这是因为我们需要搭配notify来进行等待和唤醒

🎈3.3.2notify

notify 方法是唤醒等待的线程
方法notify()也要在同步方法或同步块中调用，该方法是用来通知那些可能等待该对象的对象锁的其它线程，对其发出通知notify，并使它们重新获取该对象的对象锁。如果有多个线程等待，则有线程调度器随机挑选出一个呈 wait 状态的线程。(并没有 “先来后到”)在notify()方法后，当前线程不会马上释放该对象锁，要等到执行notify()方法的线程将程序执行完，也就是退出同步代码块之后才会释放对象锁

代码示例: 使用notify()方法唤醒线程
我们来设置一个通过线程2来等待后被线程1唤醒的操作

class Tack{
    public int i ;
    public void tack(int i){
        System.out.println("第"+i+"任务完成了!");
    }
}
public class Test3 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object ob = new Object();
        Thread thread1 = new Thread(()->{
           synchronized (ob){
               //开始执行并且执行完成后将wait唤醒
               System.out.println("notify开始执行了!");
               ob.notify();
               Tack tack1 = new Tack();
               System.out.println("开始执行第一个任务!");
               tack1.tack(1);
               
           }
        });
        Thread thread2 = new Thread(()->{
            synchronized (ob){
                Tack tack2 = new Tack();
                System.out.println("开始执行第二个任务!");
                System.out.println("wait开始执行!");
                try {
                    //开始等待,等待被notify唤醒
                    ob.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                tack2.tack(2);
            }
        });
        //先开始执行线程2
        thread2.start();
        //线阻塞0.1s
        Thread.sleep(100);
        //开始执行线程1
        thread1.start();
    }
}

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43

🍎四.总结

🍇4.1线程不安全情况总结(重点)

1.线程是抢占行执行,线程充满了随机性[这就是线程不安全的万恶之源!!!]
2.多线程对同一个变量进行修改操作
3.针对的变量操作不是原子性的
4.内存可见性被编译器优化
5.重拍序

这样问题所围绕的解决方法就是加锁!!在进行搭配volatile,wait,notify来进行解决问题和优化