Java必知必會之(四)--多執行緒全揭祕（下）
本文旨在用最通俗的語言講述最枯燥的基本知識。
全文提綱：
1.執行緒是什麼？（上）
2.執行緒和程序的區別和聯絡（上）
3.建立多執行緒的方法（上）
4.執行緒的生命週期（上）
5.執行緒的控制（上）
6.執行緒同步（下）
7.執行緒池（下）
8.執行緒通訊（下）
9.執行緒安全（下）
10.ThreadLocal的基本用法（下）
上集已經講述了Java執行緒的一些基本概念，本文接下來講述的是Java的一些高階應用。
6.執行緒同步
一開始接觸“執行緒同步”這個概念可以有點難以理解，我們來舉個栗子：
爸爸開了一張銀行卡存進去10000塊錢，是留給在山東讀大學的哥哥和在河南老家讀高中的妹妹用的。哥哥前天取了2000，變成8000，妹妹昨天取了1000，剩餘7000，今天他們同時到銀行同時取錢，哥哥開啟時ATM發現有7000餘額，妹妹開啟時也發現是7000餘額，他們同時按下確定取1000錢，當他們取完錢之後在檢視餘額發現只有5000塊錢，都在想我只取了1000啊怎麼扣了我2000呢？
這就是生活中的“同步”問題了。
我們把思維轉入到這個ATM的後臺程式，幸好後臺程式對取錢的操作做了同步動作的監聽器，能在多執行緒同時操作的過程中把取錢的動作給鎖定起來，如果程式沒有處理同步問題，那兩邊的ATM的算術都是：7000-1000，結果是剩餘6000.這樣子，銀行對賬就會出錯了。
因此可見，併發程式設計不合理使用也會帶來一些弊端，而針對多執行緒併發的問題，Java引入了同步監視器來解決問題：當執行緒要執行同步程式碼塊/方法之前，必須先獲得對同步監視器的鎖定。
Java中鎖用在的地方有：
- 程式碼塊
- 方法（構造器、成員變數除外）
1.程式碼塊同步
語法：
1synchronized (obj) {
2//同步內容（比如取錢的操作）
3}
複製程式碼
其中obj就是同步監視器，也就是說任何執行緒要進入執行該程式碼塊之前，首先獲得對obj的鎖定，獲得之後，其它執行緒就無法獲取它，修改它，直到當前執行緒釋放位置。
比如：爸爸的銀行卡賬戶
1public BankCardAccount bankAccount;
2synchronized (bankAccount) {
3//對bankAccount的扣錢動作
4}
複製程式碼
當哥哥和妹妹同時取錢時，就如同兩個執行緒在執行，當其中一個執行緒獲取到對bankAccount的鎖定時，另一個執行緒必須等待當前執行緒用完之後釋放bankAccount的鎖定，才可以獲得並且修改之
2.方法同步
語法：
1修飾符 synchronized 返回值 方法名(形參列表){
2}
複製程式碼
方法的同步不需要顯示指定同步監視器，因為它的同步監視器就是當前類的物件，也就是this。
3.鎖釋放
有鎖定就需要有釋放，同步監視器的鎖釋放的事件有以下情況：
- 執行緒的同步塊/方法執行結束
- 執行緒的同步塊/方法執行過程中丟擲異常或者出現ERROR
- 執行緒的同步塊/方法中執行到return、break之類的終止程式碼
- 執行緒的同步塊/方法中執行了同步監視器物件的wait()方法
而不釋放的事件也有如下：
- 執行緒的同步塊/方法中執行時，程式中執行了帶有sleep()\yield()等暫停操作。
- 執行緒的同步塊/方法中執行時，呼叫了suspend()掛起執行緒。
4. 同步鎖
對於基本的同步問題，synchronized就可以滿足，但是需要對執行緒的同步有更強大的操作，就需要到同步鎖Lock了
Lock是控制多執行緒對共享資源進行訪問的工具，通常，所提供了對共享資源的獨佔訪問，每次只能有一個執行緒對Lock物件加鎖，執行緒開始訪問共享資源之前首先要獲得Lock物件。
Lock針對不同的使用場景提供了多種類/介面，主要有以下：
- Lock
- ReentrantLock
- ReadWriteLock
- ReentrantReadWriteLock
1. Lock介面
Lock介面提供了幾個方法來操作鎖：
1package java.util.concurrent.locks;
2import java.util.concurrent.TimeUnit;
3//Lock介面
4public interface Lock {
5//獲取鎖。如果鎖已被其他執行緒獲取，則進行等待
6void lock();
7//獲取鎖，在等待過程中可以相應中斷等待狀態
8void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
9//嘗試獲取鎖，返回true為獲得成功，返回false為獲取失敗
10//它和lock()不一樣的是，它不會一直等待，而是嘗試獲取，立即返回
11boolean tryLock();
12//嘗試獲得鎖，如果獲取不到就等待time時間
13boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
14//釋放鎖
15void unlock();
16}
複製程式碼
2. ReentrantLock
可重入鎖。意思是同一個執行緒可以多次獲取同一個鎖，雖然synchronized也屬於可重入鎖，但是synchronized是在獲取鎖的過程中是不可中斷的，而ReentrantLock則可以。
ReentrantLock是唯一實現了Lock介面的類，因此我們在可以這樣建立一個Lock物件：
1Lock l=new ReentrantLock(); 複製程式碼
ReentrantLock的預設狀態和synchronized獲得的屬於非公平鎖( 搶佔式獲得鎖，先等待(呼叫lock())的執行緒不一定先獲得鎖，而公平鎖則是先獲得lock的執行緒現貨的鎖 )。但是ReentrantLock可以設定為公平鎖，如：
1//公平鎖 2Lock l1=new ReentrantLock(true); 3//非公平鎖 4Lock l2=new ReentrantLock(false); 複製程式碼
3. ReadWriteLock
顧名思義，它叫做讀寫鎖，是一個介面，用來管理讀鎖和寫鎖，讀鎖也叫共享鎖，也就是說讀鎖可以被多個執行緒共享，寫鎖也稱排他鎖，意思是，當一個執行緒獲得了寫鎖，其它執行緒只能等待，不能共享。
前面我們說到：多執行緒併發帶來同步問題，而同步問題用同步監聽器來解決問題。
但我們發現有這樣的一個怪圈：
多執行緒為了提高程式執行效率，同步監聽器為了是多執行緒執行時有且只有其中一個執行緒能執行synchronized修飾的程式碼塊或者方法，這兩個東西有著此消彼長的關係.
那麼？怎麼樣才能讓多執行緒能愉快的行走，而同步問題有可以儘可能少的出現呢？
其實讀寫鎖在一定程度上能解決這個難題。它的特性是:
- 讀讀共享
- 讀寫互斥
- 寫寫互斥
也就是說，比如程式開多個執行緒對一個檔案進行讀寫操作時，如果用synchronized，則讀寫操作要互相等待，而有了ReadWriteLock之後
我們可以把讀寫的鎖操作分開，讀檔案操作用讀鎖，寫檔案操作用寫鎖，
這樣就可以快執行效率了。
我們來看它的原始碼：
1public interface ReadWriteLock {
2 //獲取讀鎖
3 Lock readLock();
4 //獲取寫鎖
5 Lock writeLock();
6}
複製程式碼
只有一個獲取讀鎖和一個獲取寫鎖的介面方法，介面的存在得有有類實現它才有意義，我們看下一個類：
4. ReentrantReadWriteLock
ReentrantReadWriteLock是ReadWriteLock介面的實現類，當我們要建立一個ReadWriteLock的鎖時，通常：
1ReadWriteLock rl=new ReentrantReadWriteLock(); 複製程式碼
前面說到ReentrantLock是Lock的實現類，ReentrantLock是一種排它鎖，也就是說某個時間內，只有允許一個執行緒訪問（但是這個執行緒可以同時訪問多次），而ReentrantLock是讀寫鎖，也就是說在同一時間內，允許多個執行緒同時獲取讀鎖進行操作（但不允許讀寫、寫寫同時操作），在某些業務場景（比如讀操作遠高於寫操作）下，ReentrantReadWriteLock會比ReentrantLock有更好的效能和併發。
ReentrantReadWriteLock主要有以下特效：
- 可以設定公平鎖和非公平鎖。
1//公平鎖 2ReadWriteLock rl=new ReentrantReadWriteLock(true); 3//非公平鎖 4ReadWriteLock rl=new ReentrantReadWriteLock(); 複製程式碼
-
可重入鎖。
2.1 同一個讀執行緒可多次獲得讀鎖
2.2 同一個寫執行緒可以多次獲得寫鎖或者讀鎖 - 可中斷性：就是說可以在獲取鎖期間中斷操作
- 可以鎖降級：也就是寫鎖可降為讀鎖
7. 執行緒通訊
當執行緒在程式中執行時，執行緒的排程有一些不確定性，也就是在常規情況無法準確的控制執行緒之間的輪換執行時機，因此Java提供了一些機制來便於開發者控制執行緒的協調執行。
- synchronized修飾的方法/程式碼塊中使用wait()、notify()、notifyAll()來協調
- 使用condition控制
- 使用阻塞佇列控制
1. synchronized修飾方法/程式碼塊中使用wait()、notify()、notifyAll()協調
實際上，wait、notify、notifyAll是定義在Object類的例項方法他們只能在synchronized的程式碼塊/方法中使用，用來控制執行緒。
- wait ： 持有鎖的執行緒準備釋放物件鎖許可權，釋放cpu資源並進入等待。
- notify ：持有物件鎖的執行緒1即將釋放鎖，通知jvm喚醒某個競爭該鎖的執行緒2。執行緒在 synchronized 程式碼作用域結束後，執行緒2直接獲得鎖，其他競爭執行緒繼續等待(即使執行緒X同步完畢，釋放物件鎖，其他競爭執行緒仍然等待，直至有新的notify ,notifyAll被呼叫)。
- notifyAll ：持有鎖的執行緒1準備釋放鎖，通知jvm喚醒所有競爭該鎖的執行緒，執行緒1在synchronized 程式碼作用域結束後，jvm通過演算法將物件鎖許可權指派給某個執行緒2，所有被喚醒的執行緒不再等待。執行緒1在synchronized 程式碼作用域結束後，之前所有被喚醒的執行緒都有可能獲得該物件鎖許可權，這個由JVM演算法決定。
2. 使用condition控制
對於用Lock來做同步工作的情況，Java提供了condition類來協助控制執行緒通訊。condition的例項是由Lock物件來建立的，
1//建立一個lock物件 2Lock l=new ReentrantLock(); 3//建立一個condition例項 4Condition con=l.newCondition(); 複製程式碼
Condition類有以下方法：
- await()：類似於wait()，導致當前執行緒等待，知道其它執行緒代用該Condition的signal()或signalAll()來喚醒該執行緒
- signal()：喚醒此Lock物件上等待的單個執行緒，如果所有執行緒都在該Lock物件上等待，則會選擇喚醒其中一個執行緒，選擇是任意的，只有當前執行緒放棄對該Lock物件的鎖定後才可以執行被喚醒的執行緒
- signalAll()：喚醒在此Lock物件上等待的所有執行緒，只有當前執行緒放棄對該Lock物件的鎖定後，才可以執行被喚醒的執行緒。
3. 使用阻塞佇列控制
在Java5中提供了一個介面：BlockingQueue ，它是作為執行緒同步的一個工具而產生，當生產者執行緒試圖向BlockingQueue中放入元素時，如果該佇列已滿，則執行緒被阻塞，當消費者執行緒試圖從BlockingQueue中取出元素時，如果佇列為空，則執行緒被阻塞。
BlockingQueue介面原始碼：
1public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
2boolean add(E e);
3boolean offer(E e);
4void put(E e) throws InterruptedException;
5boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
6throws InterruptedException;
7E take() throws InterruptedException;
8E poll(long timeout, TimeUnit unit)
9throws InterruptedException;
10int remainingCapacity();
11boolean remove(Object o);
12public boolean contains(Object o);
13int drainTo(Collection<? super E> c);
14int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements);
15}
複製程式碼
其中支援阻塞的有兩個：
- take()：嘗試從BlockingQueue頭部獲取元素
- put(E e)：嘗試把e放入BlockingQueue中
BlockingQueue介面的實現類有：
- ArrayBlockingQueue：陣列阻塞佇列
- LinkedBlockingQueue：連結串列阻塞佇列
- PriorityBlockingQueue：帶有排序性的非標準阻塞佇列
- SynchronousQueue:同步佇列，讀寫不能同時，只能交替執行
- DelayQueue:特殊的阻塞佇列，它要求集合元素都實現Dely介面
阻塞佇列平時用得少，就僅僅講述一些基本原理和使用方法，例子不再贅述。
8. 執行緒池
執行緒池的產生和資料庫的連線池類似，系統啟動一個執行緒的代價是比較高昂的，如果在程式啟動的時候就初始化一定數量的執行緒，放入執行緒池中，在需要是使用時從池子中去，用完再放回池子裡，這樣能大大的提高程式效能，再者，執行緒池的一些初始化配置，也可以有效的控制系統併發的數量。
Java提供了一個Executors工廠類來建立執行緒池，要新建一個執行緒池，主要有以下幾個靜態方法：
- newFixedThreadPool:可重用、有固定執行緒數的池子
- newCachedThreadPool：帶有快取的池子
- newSingleThreadExecutor：只有一個執行緒的池子
- newScheduledThreadPool:可指定延後執行的池子
關於每個方法具體使用以及引數，再次就不贅述了，有興趣的筒子直接進入Executors類就可以看到了。
9. 執行緒安全
什麼是執行緒安全？
在多執行緒環境下，多個執行緒同時訪問共享資料時，某個執行緒訪問的被其它執行緒修改了，導致它使用了錯誤的資料而產生了錯誤，這就引發了執行緒的不安全問題。
而當多個執行緒訪問某個類時，不管執行時環境採用何種排程方式或者這些程序將如何交替執行，並且在主調程式碼中不需要任何額外的同步或協同，這個類都能表現出正確的行為，那麼就稱這個類是執行緒安全的。
大家是否記得，不管是老師的課後習題還是面試筆試題，經常都會出現“StringBuilder、StringBuffer是否執行緒安全”這樣的問題？
我們來檢視各自的原始碼看看究竟吧。
StringBuffer的append方法：
1@Override
2public synchronized StringBuffer append(String str) {
3toStringCache = null;
4super.append(str);
5return this;
6}
複製程式碼
StringBuilder的append方法：
1 @Override
2public StringBuilder append(String str) {
3super.append(str);
4return this;
5}
複製程式碼
再看看它們的super.append原始碼：
1public AbstractStringBuilder append(String str) {
2if (str == null)
3return appendNull();
4int len = str.length();
5ensureCapacityInternal(count + len);
6str.getChars(0, len, value, count);
7count += len;
8return this;
9}
複製程式碼
可以看出，兩者的append方法區別就在於前者有synchronized修飾，這意味著多個執行緒可以同時訪問這個方法時，前者是阻塞執行的，而後者是可以同時執行並且同時訪問count，因此就有可能導致count錯亂。由此可見：
StringBuffer 是執行緒安全的，但是由於加了鎖，導致效率變低。
StringBuilder 是執行緒不安全的，在單執行緒環境下，效率非常高。
既然已經從根本知道了什麼是執行緒安全，那麼Java是如何解決執行緒安全問題的呢？
從Java5開始，增加一了些執行緒安全的類來處理執行緒安全的問題，如：
- ThreadLocal
- ConcurrentHashMap
- ConcurrentSkipListMap
- ConcurrentSkipListSet
- ConcurrentLinkedQueue
- ConcurrentLinkedDeque
- CopyOnWriteArrayList
- CopyOnWriteArrayList
- CopyOnWriteArraySet
- CopyOnWriteHashMap
10. ThreadLocal
ThreadLocal代表一個執行緒區域性變數，通過把資料放在ThreadLocal中就可以讓每個執行緒建立一個該變數的副本，從未避免併發訪問的執行緒安全問題。
維持執行緒封閉性的一種方法是使用ThreadLocal。它提供了set和get等訪問方法，這些方法為每個使用該變數的執行緒都存有一份獨立的副本，因此get方法總是返回由當前執行執行緒在呼叫set時設定的最新值。
它提供三個方法：
- T get():返回此執行緒區域性變數中當前執行緒副本中的值。
- remove():刪除此執行緒區域性變數中當前執行緒的值。
- set(T t):設定此執行緒區域性變數中當前執行緒副本中的值。
舉個栗子：建立一個帶有ThreadLocal的類：
1public class TestThreadLocal{
2// 副本
3private ThreadLocal<Integer> countLoacl = new ThreadLocal<Integer>();
4public TestThreadLocal(Integer num) {
5countLoacl.set(num);
6}
7public Integer getCount() {
8return countLoacl.get();
9}
10public void setCount(Integer num) {
11countLoacl.set(num);
12}
13}
複製程式碼
這樣子建立的類帶有ThreadLocal的countLoacl，在多個執行緒同時消費這個物件時，ThreadLocal會為每個執行緒建立一個countLoacl副本，這樣就可以避免多執行緒之間的資源競爭而導致安全問題了。