关于多线程的理解

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文章目录

  • 前言
  • 一、线程的基本概念?
        • 线程
        • 并发与并行
        • 线程创建
        • 线程同步
        • 线程间通信
        • 线程状态
  • 二、创建线程的方式
    • 1.继承Thread类
    • 2.实现Runnable接口
    • 3.实现Callable接口
  • 三、synchronized和volatile区别?
        • volatile
        • synchronized
  • 四、synchronized和lock(CAS)的区别和案例场景
      • 区别
      • 案例场景
  • 五、sleep方法和wait方法有什么区别
  • 六、ThreadLocal作用和实现方式?ThreadLocal会不会发生内存泄漏?
        • ThreadLocal的作用
        • 实现方式
        • ThreadLocal与内存泄漏

前言

Java多线程是Java编程中一个非常重要的概念,它允许程序同时执行多个任务。这对于提高程序的效率、响应速度和实现复杂的并发处理至关重要。

一、线程的基本概念?

线程

线程是程序执行流的最小单元。一个进程中可以包含多个线程,每个线程都运行在进程的上下文中,并共享进程的资源(如内存、文件句柄等)。

并发与并行

并发是指两个或多个事件在同一时间段内发生,而并行是指两个或多个事件在同一时刻同时发生。在多核CPU上,线程可以真正并行执行;在单核CPU上,通过时间片轮转,实现了线程的并发执行。

线程创建

继承Thread类;实现Runnable接口;实现Callable接口

线程同步

由于多个线程共享进程资源,可能会引发数据不一致的问题,因此需要线程同步机制来控制对共享资源的访问。Java提供了以下几种同步机制:
synchronized关键字 可以用于方法或代码块,确保同一时间只有一个线程可以执行该段代码。
Lock接口 java.util.concurrent.locks.Lock提供比synchronized更灵活的锁定机制,允许尝试锁定、定时锁定以及公平性锁等

线程间通信

wait(), notify(), notifyAll() 这些方法用于线程间的等待/通知机制,必须在同步代码块或同步方法中使用。
join() 让当前线程等待调用join方法的线程结束后再继续执行。
线程池 通过ExecutorService接口和它的实现类(如ThreadPoolExecutor)来管理和控制线程,以提高资源利用率和响应速度

线程状态

新建(New) 线程被创建但尚未启动。
可运行(Runnable) 线程可以在任何时刻被JVM选中执行。
阻塞(Blocked) 等待获取监视器锁,以便进入同步区域执行。
等待(Waiting) 无限期等待直到被其他线程显式唤醒,或者调用了Object.wait()。
超时等待(Timed Waiting) 类似于等待状态,但可以在指定时间内自行返回,如通过Thread.sleep(long millis)。
终止(Terminated) 线程已结束执行。

二、创建线程的方式

1.继承Thread类

创建一个新的类继承Thread类,重写其run()方法,在这个方法中定义需要并行执行的代码。然后创建该类的实例,并调用start()方法启动线程。

代码如下(示例):

class MyThread extends Thread {public void run() {System.out.println("通过继承Thread类创建线程");}
}MyThread t = new MyThread();
t.start();

2.实现Runnable接口

创建一个类实现Runnable接口,实现run()方法,然后将该类的实例作为参数传递给Thread类的构造器,创建Thread对象后调用start()方法启动线程。

代码如下(示例):

class MyRunnable implements Runnable {public void run() {System.out.println("通过实现Runnable接口创建线程");}
}Thread t = new Thread(new MyRunnable());
t.start();

3.实现Callable接口

在Java中,除了继承Thread类和实现Runnable接口之外,还可以通过实现Callable接口结合Future和ExecutorService来创建线程。这种方式相比前两者提供了更强大的功能,特别是能够获取线程执行的结果并且可以处理异常。

Callable接口类似于Runnable,但提供了返回结果和抛出异常的能力。它有一个抽象方法call(),该方法可以返回结果并声明抛出异常。

import java.util.concurrent.Callable;public class MyCallable implements Callable<Integer> {@Overridepublic Integer call() throws Exception {int sum = 0;for (int i = 0; i < 100; i++) {sum += i;}return sum; // 可以返回计算结果}
}

Future接口
Future接口代表异步计算的结果。它提供了检查计算是否完成、获取计算结果、取消计算等方法。

ExecutorService接口
ExecutorService是一个更高级的线程管理工具,它是java.util.concurrent.Executor接口的实现,可以用来管理Runnable和Callable任务的执行。

下面是如何使用Callable、Future和ExecutorService创建并执行线程的例子:

代码如下(示例):

import java.util.concurrent.*;public class CallableAndFutureExample {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {// 创建一个线程池ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();// 提交Callable任务并获取Future对象Future<Integer> future = executorService.submit(new MyCallable());// 在这里,主线程可以继续执行其他任务,不必等待计算完成// 获取并打印结果,如果计算未完成则会阻塞直到有结果System.out.println("结果为: " + future.get());// 关闭线程池executorService.shutdown();}
}

在这个例子中,我们创建了一个MyCallable类实现了Callable接口,用于计算0到99的和。然后通过ExecutorService的submit(Callable task)方法提交任务并立即返回一个Future对象。我们可以使用future.get()来获取异步计算的结果,此方法会阻塞直到结果可用。最后,记得关闭ExecutorService来释放资源。

通过这种方式,Java提供了更灵活、功能更全面的多线程编程模型,特别适合需要获取线程执行结果或需要处理线程中抛出异常的场景。

三、synchronized和volatile区别?

volatile和synchronized都是Java中用于实现线程同步和保证数据一致性的关键字,但它们的工作机制、使用场景和提供的保证各不相同:

volatile

作用范围: volatile只能应用于变量,不能用于方法或代码块。
保证特性: 它保证了变量的可见性和有序性,但不保证原子性。这意味着一旦一个线程修改了volatile变量,其他线程可以立即看到这个修改。同时,可以防止指令重排优化,确保程序按照预期的顺序执行。
性能: 相比于synchronized,使用volatile变量通常具有更好的性能,因为它不会引起线程的阻塞。
适用场景: 适用于那些读多写少、只需保证可见性而不涉及复杂同步操作的场景,比如标志位、双重检查锁定中的非volatile变量初始化检查等。

synchronized

作用范围: synchronized可以应用于方法、代码块或者静态方法,范围更广泛。
保证特性: synchronized不仅保证了可见性和有序性,还确保了原子性,即在synchronized代码块或方法内的操作不会被其他线程打断,实现了线程安全。
==性能:==由于其通过互斥锁机制实现同步,可能会导致线程的阻塞和上下文切换,因此在某些情况下性能不如volatile。
内存开销与阻塞: 使用synchronized会有额外的内存开销,因为它涉及到锁的获取与释放。当一个线程获取到锁时,其他请求锁的线程将会阻塞,直到锁被释放。
适用场景:适用于需要保护的临界区操作,如对集合的修改、多线程间的协作控制等复杂同步逻辑。

四、synchronized和lock(CAS)的区别和案例场景

synchronized和基于CAS(Compare and Swap)的Lock机制(如ReentrantLock)在Java中都是用于实现线程同步和解决并发问题的工具,但它们在实现原理、使用方式和特性上有所不同。

区别

实现机制
synchronized是Java语言层面的原生支持,基于JVM层面的Monitor对象来实现,通过进入和退出Monitor来实现同步控制。
基于CAS的Lock,如ReentrantLock,是Java并发包java.util.concurrent.locks中的接口实现,它依赖于AbstractQueuedSynchronizer(AQS)框架,使用自旋、阻塞队列等技术,并通过CPU级别的CAS指令来实现乐观锁,以达到线程同步的目的。

锁的获取与释放
synchronized自动管理锁的获取和释放。对于非静态同步方法或同步代码块,锁与对象实例相关联;对于静态同步方法,锁与类的Class对象关联。当同步块或方法执行完毕,无论是正常结束还是异常结束,JVM都会自动释放锁。
使用Lock接口(如ReentrantLock),需要手动调用lock()获取锁,unlock()释放锁。这要求程序员必须在合适的时机手动释放锁,否则可能导致死锁。

公平性
synchronized锁默认是非公平的,即等待的线程获取锁的顺序不确定,可能会导致某些线程长时间等待(饥饿现象)。
ReentrantLock允许选择公平策略,通过构造函数指定是否为公平锁。公平锁会按照线程等待的先后顺序分配锁,减少饥饿现象,但可能会影响性能。

性能与可中断性
synchronized在早期版本中性能较差,但在Java 6之后有了显著优化,如偏向锁、轻量级锁等机制,性能与Lock差距缩小。
Lock提供了更灵活的锁等待机制,如tryLock()方法尝试获取锁而不阻塞,以及支持可中断的等待(tryLock(long time, TimeUnit unit)),提高了并发控制的灵活性和响应性。

案例场景

synchronized场景
当需要简单的线程同步,且锁的生命周期与同步代码块或方法紧密相关时,使用synchronized更为简洁便利。例如,保护一个共享资源的读写操作,防止数据不一致问题。

Lock(如ReentrantLock)场景
当需要更细粒度的锁控制,如尝试获取锁、可中断的等待、公平锁等高级特性时,选择Lock更为合适。例如,在构建高性能的并发组件、需要控制锁的持有时间以减少阻塞时,或者需要精确控制锁的释放时机,比如在finally块中释放锁以确保异常安全。

五、sleep方法和wait方法有什么区别

sleep方法和wait方法在Java中都用于暂停线程的执行,但它们之间存在几个关键区别:

来源与所属
sleep方法属于Thread类,是一个静态方法,这意味着它可以被任何线程调用,且作用于当前执行该方法的线程。
wait方法属于Object类,是一个实例方法,必须在某个对象上调用。这意味着要调用wait,线程必须已经拥有了该对象的监视器(即执行同步代码块或方法时)。

锁的处理
当线程调用sleep方法时,它不会释放任何锁。即使在同步代码块或方法中调用sleep,当前线程仍会保持它所持有的锁。
调用wait方法会导致当前线程释放它所持有的对象的监视器锁,从而使其他等待该对象锁的线程有机会执行。这促进了线程间的交互与通信。

唤醒机制
sleep方法会根据指定的时间让线程暂停执行,时间结束后线程会自动恢复执行,无需其他线程干预。
wait方法使线程等待,直到其他线程调用同一个对象上的notify()或notifyAll()方法来唤醒它。如果没有指定等待时间,wait会一直等待,直到被通知。

异常处理
sleep方法声明抛出InterruptedException,当线程在等待期间被中断时会抛出此异常。调用者可以选择捕获并处理这个异常。
wait方法同样声明抛出InterruptedException,但实践中通常在调用wait时不需要显式捕获这个异常。

使用场景
sleep通常用于让当前线程暂停执行一段时间,以避免过于频繁的操作或让出CPU给其他线程,不涉及线程间的通信。
wait主要用于线程间的同步,当一个线程需要等待某个条件满足时(通常由其他线程改变该条件),会调用对象的wait方法,等待其他线程通过notify或notifyAll来唤醒。

总结来说,sleep主要用于让线程自身暂时休息,不涉及线程间的交互,而wait则是线程间同步和通信的重要手段,需要与notify/notifyAll一起使用来协调线程之间的执行顺序。

六、ThreadLocal作用和实现方式?ThreadLocal会不会发生内存泄漏?

ThreadLocal的作用

ThreadLocal主要用于创建线程局部变量。它的主要特点和作用包括:

线程隔离:每个线程都有自己的ThreadLocal变量副本,线程之间互不影响,这有助于避免多线程环境下的同步问题。
简化共享数据的访问:在多线程环境下,ThreadLocal可以为每个线程提供独立的变量副本,减少了线程间的数据传递和同步开销。
降低耦合度:它可以降低代码间尤其是跨类、跨层的耦合,使得变量的访问更加方便和安全。

实现方式

ThreadLocal的实现基于内部类ThreadLocalMap,这是一个定制化的哈希映射,键是ThreadLocal实例本身,值是各个线程需要保存的变量副本。每个线程都有一个这样的ThreadLocalMap,存储着属于自己的ThreadLocal变量副本。

当你通过ThreadLocal的set(value)方法设置值时,实际上是将这个值放入当前线程的ThreadLocalMap中,对应的键就是这个ThreadLocal实例。
当调用get()方法时,会从当前线程的ThreadLocalMap中根据ThreadLocal实例找到对应的值。
如果没有设置过值,通常get()会返回ThreadLocal的初始值(如果有提供的话)。

ThreadLocal与内存泄漏

ThreadLocal确实有可能引起内存泄漏,主要原因在于它的内部实现ThreadLocalMap。以下是可能导致内存泄漏的情况:

未清理的ThreadLocal引用
当ThreadLocal对象不再使用时,如果没有调用remove()方法,那么其对应的Entry(键值对)仍然会保留在ThreadLocalMap中。即使ThreadLocal实例本身被垃圾回收,但由于ThreadLocalMap的生命周期与线程相同,其Entry中的键(即弱引用的ThreadLocal实例)虽然会被回收,但value仍可能保持强引用状态,导致无法被垃圾回收。

线程池场景下的问题
在使用线程池的场景下,线程会被复用,如果ThreadLocal变量没有被正确清理,随着线程的反复使用,ThreadLocalMap中可能会积累大量不再使用的Entry,从而造成内存泄漏。

如何避免内存泄漏
ThreadLocalMap的设计中已经考虑到这种情况,也加上了一些防护措施:在ThreadLocal的get(),set(),remove()的时候都会清除线程ThreadLocalMap里所有key为null的value。

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