学习笔记 - 多线程

1 线程生命周期

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2 死锁

1. 造成死锁的条件
   • 互斥条件：该资源任意时刻只能由一个线程占用；
   • 请求与保持条件：某线程获取资源失败后仍不释放已获得的资源；
   • 不剥夺条件：该资源被线程释放前，不能被其他线程剥夺；
   • 循环等待条件：若干线程头尾相接地等待资源；
2. 破坏死锁
   • 互斥条件无法破坏，锁就是用于创造互斥条件的；
   • 破坏请求与保持条件：一次性申请所有的资源；
   • 破坏不剥夺条件：主动让出资源，如 ReentrantLock 的 tryLock() 失败后手动释放锁；
   • 破坏循环等待条件：按顺序申请资源。

3 synchronized 关键字

1. 什么是synchronized
   被它修饰的方法或代码块同时只有一个线程进行访问。
2. 主要使用方式
   • 修饰实例方法：给当前对象加锁；
   • 修饰静态方法：给当前类加锁；
   • 修饰代码块：给某个指定对象加锁；
3. synchronized 优化
   • 概述：JDK 1.6 之后，锁出现了四个状态，分别是 无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁。当出现锁竞争的情况时，锁可能会升级，且不会降级；
   • 锁状态：
     • 偏向锁：
       （1）概述：偏向锁和轻量级锁目的是，在没有线程竞争的状态下，减小重量级锁使用系统互斥量带来的性能损耗；
       （2）加锁：

         a. 第一个线程进入同步代码块后，在锁对象的对象头里的 MarkWord 记录线程 ID，并将锁状态设置为偏向锁；
         b. 之后的线程进入同步代码块后，检查并发现 MarkWord 记录的线程 ID 与当前线程 ID 不一致，尝试使用 CAS 修改线程 ID；
         c. 使用 CAS 修改成功，执行同步代码块，否则执行锁撤销流程；

       （3）锁撤销：

         a. JVM 进入全局安全点，暂停所有拥有偏向锁的线程，并检查这些线程是否存活；
         b. 若已消亡，设置为无锁状态；
         c. 若仍然存活，判断该线程是否竞争此锁。若不竞争，则线程 ID 改为其他竞争的线程，否则升级锁。若撤销次数超过 40 次，仍然会强制升级锁；

     • 轻量级锁：
       （1）锁撤销：通过 CAS 尝试修改 MarkWord，若失败则升级锁；
     • CAS 自旋锁：
       （1）概述：在 JDK 1.6 后默认开启自旋锁，轻量级锁升级后不会直接升级为重量级锁。在 JDK 1.6 前自旋 10 次后自动挂起线程，之后则自适应自旋次数；
       （2）优点：避免重量级锁挂起/恢复线程时切换用户态与内核态。
4. synchronized 与 ReentrantLock
   • 二者都是可重入锁；
   • synchronized 是非公平锁，ReentrantLock 可以设置是否公平；
   • synchronized 配合 wait() 与 notify() 实现等待唤醒机制，唤醒的线程由 JVM 决定，且 notifyAll() 会唤醒所有线程。ReentrantLock 配合 Condition 的 await() 和 signal() 实现等待唤醒机制，唤醒的线程由用户决定，且 notifyAll() 只会唤醒同一个 Condition 对象的线程。

4 volatile 关键字

1. 作用
   • 保证数据可见性。JDK 1.2 前线程直接使用主内存存取数据，1.2 之后线程通过工作内存（如寄存器）拷贝主内存的数据进行操作，会导致主内存与工作内存数据不一致；
   • 防止指令重排。
2. 并发编程三要素
   • 原子性（synchronized 保证）
   • 可见性（volatile 保证）
   • 有序性（volatile 保证）

5 ThreadLocal

1. 作用：ThreadLocal 用于存储线程私有的对象。
2. 原理：
   • Thread 类维护一个 ThreadLocalMap，每个 Thread 对象的 ThreadLocalMap 都不同；
   • ThreadLocal 通过调用当前线程的 ThreadLocalMap 的存取元素方法进行元素的存取，实现每个线程的存储对象不同；
3. ThreadLocal 内存泄漏问题
   • ThreadLocalMap 中 Entry 的 key 为弱引用，如果栈中 ThreadLocal 设置为 null，则 key 只剩下弱引用将被 GC，而 value 是强引用，导致某些 Entry 永远无法被访问且留在内存中，导致内存溢出；
   • 假设 Entry 的 key 为强引用，当 ThreadLocal 设置为 null，依然导致 Entry 无法被回收引起内存溢出；
   • 解决方法：ThreadLocal 每次 get/set/remove 方法时都会清除 key 为 null 的 Entry。

6 线程池

1. 线程池的优点
   • 降低资源消耗：不需要重复创建于销毁线程；
   • 提高响应速度：不需要等待线程创建；
   • 提高可管理性；
2. 创建线程池
   • 使用 Executors 创建（不推荐）：
     • 因工作队列 WorkQueue 容量为 Integer.MAX_VALUE 可能导致 OOM 的线程池：
       （1）SingleThreadExecutor：只存储一个线程；
       （2）FixedThreadPool：存储指定线程数；
     • 因最大线程数 MaximumPoolSize 容量为 Integer.MAX_VALUE 可能导致 OOM 的线程池：
       （1）CachedThreadPool：可伸缩长度；
       （2）ScheduleThreadPool：固定长度；
   • 使用 ThreadPoolExecutor 构造：