線程創(chuàng)建和生命周期
線程的創(chuàng)建和生命周期涉及到線程的產(chǎn)生、執(zhí)行和結(jié)束過程。讓我們繼續(xù)深入探索這個(gè)主題：
線程的創(chuàng)建方式有多種，你可以選擇適合你場(chǎng)景的方式：
繼承Thread類： 創(chuàng)建一個(gè)類，繼承自Thread類，并重寫run()方法。通過實(shí)例化這個(gè)類的對(duì)象，并調(diào)用start()方法，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用run()方法執(zhí)行線程邏輯。
public class MyThread extends Thread {
public void run() {
// 線程邏輯代碼
}
}
// 創(chuàng)建并啟動(dòng)線程
MyThread thread = new MyThread();
thread.start();
實(shí)現(xiàn)Runnable接口： 創(chuàng)建一個(gè)類，實(shí)現(xiàn)Runnable接口，并實(shí)現(xiàn)run()方法。通過將實(shí)現(xiàn)了Runnable接口的對(duì)象作為參數(shù)傳遞給Thread類的構(gòu)造函數(shù)，然后調(diào)用start()方法啟動(dòng)線程。
public class MyRunnable implements Runnable {
public void run() {
// 線程邏輯代碼
}
}
// 創(chuàng)建并啟動(dòng)線程
MyRunnable runnable = new MyRunnable();
Thread thread = new Thread(runnable);
thread.start();
實(shí)現(xiàn)Callable接口： 創(chuàng)建一個(gè)類，實(shí)現(xiàn)Callable接口，并實(shí)現(xiàn)call()方法。通過創(chuàng)建一個(gè)FutureTask對(duì)象，將Callable對(duì)象作為參數(shù)傳遞給FutureTask構(gòu)造函數(shù)，然后將FutureTask對(duì)象傳遞給Thread類的構(gòu)造函數(shù)，最后調(diào)用start()方法啟動(dòng)線程。
public class MyCallable implements Callable<Integer> {
public Integer call() {
// 線程邏輯代碼
return 1;
}
}
// 創(chuàng)建并啟動(dòng)線程
MyCallable callable = new MyCallable();
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);
Thread thread = new Thread(futureTask);
thread.start();
通過線程池創(chuàng)建線程： 使用Java的線程池ExecutorService來管理線程的生命周期。通過提交Runnable或Callable任務(wù)給線程池，線程池會(huì)負(fù)責(zé)創(chuàng)建、執(zhí)行和終止線程。
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
executorService.execute(new Runnable() {
public void run() {
// 線程邏輯代碼
}
});
executorService.shutdown();
線程的生命周期經(jīng)歷以下幾個(gè)狀態(tài)：
- 創(chuàng)建狀態(tài)： 通過實(shí)例化Thread對(duì)象或者線程池來創(chuàng)建線程。此時(shí)線程處于新建狀態(tài)。
- 就緒狀態(tài)： 線程被創(chuàng)建后，調(diào)用start()方法使其進(jìn)入就緒狀態(tài)。在就緒狀態(tài)下，線程等待系統(tǒng)分配執(zhí)行的時(shí)間片。
- 運(yùn)行狀態(tài)： 一旦線程獲取到CPU的時(shí)間片，就進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行run()方法中的線程邏輯。
- 阻塞狀態(tài)（Blocked/Waiting/Sleeping）： 在某些情況下，線程需要暫時(shí)放棄CPU的執(zhí)行權(quán)，進(jìn)入阻塞狀態(tài)。阻塞狀態(tài)可以分為多種情況：
- 中斷狀態(tài)： 可以通過調(diào)用線程的interrupt()方法將線程從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移到中斷狀態(tài)。線程可以檢查自身是否被中斷，并根據(jù)需要作出適當(dāng)?shù)奶幚怼?/li>
- 終止?fàn)顟B(tài)： 線程執(zhí)行完run()方法中的邏輯或者通過調(diào)用stop()方法被終止后，線程進(jìn)入終止?fàn)顟B(tài)。終止的線程不能再次啟動(dòng)。
理解線程的創(chuàng)建和生命周期對(duì)于處理并發(fā)編程非常重要。通過選擇合適的創(chuàng)建方式和正確地管理線程的生命周期，可以確保線程安全、高效地運(yùn)行，從而優(yōu)化程序性能。
深入剖析synchronized
synchronized關(guān)鍵字在Java中用于實(shí)現(xiàn)線程安全的代碼塊，在其背后使用JVM底層內(nèi)置的鎖機(jī)制。synchronized的設(shè)計(jì)考慮了各種并發(fā)情況，因此具有以下優(yōu)點(diǎn)：
- 優(yōu)點(diǎn)： 由于官方對(duì)synchronized進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，如當(dāng)前鎖升級(jí)機(jī)制，因此它具有不斷改進(jìn)的潛力。JVM會(huì)進(jìn)行鎖的升級(jí)優(yōu)化，以提高并發(fā)性能。
然而，synchronized也有一些缺點(diǎn)： - 缺點(diǎn)： 如果使用不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致鎖粒度過大或鎖失效的問題。此外，synchronized只適用于單機(jī)情況，對(duì)于分布式集群環(huán)境的鎖機(jī)制不適用。
synchronized的鎖機(jī)制包括以下幾個(gè)階段的升級(jí)過程：
- 無鎖狀態(tài)： 初始狀態(tài)為無鎖狀態(tài)，多個(gè)線程可以同時(shí)訪問臨界區(qū)。
- 偏向鎖： 當(dāng)只有一個(gè)線程訪問臨界區(qū)時(shí)，JVM會(huì)將鎖升級(jí)為偏向鎖，以提高性能。在偏向鎖狀態(tài)下，偏向線程可以直接獲取鎖，無需競(jìng)爭(zhēng)。
- （自旋）輕量級(jí)鎖： 當(dāng)多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)鎖時(shí)，偏向鎖會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖。在輕量級(jí)鎖狀態(tài)下，線程會(huì)自旋一定次數(shù)，嘗試獲取鎖，而不是直接阻塞。
- 重量級(jí)鎖： 當(dāng)自旋次數(shù)超過閾值或者存在多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)鎖時(shí)，輕量級(jí)鎖會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖。重量級(jí)鎖使用了傳統(tǒng)的互斥量機(jī)制，需要進(jìn)行阻塞和喚醒操作。
需要注意的是，如果在輕量級(jí)鎖狀態(tài)下，有線程獲取對(duì)象的HashCode時(shí)，會(huì)直接升級(jí)為重量級(jí)鎖。這是因?yàn)殒i升級(jí)過程中使用的mark頭將HashCode部分隱去，以確保鎖升級(jí)過程的正確性。
底層實(shí)現(xiàn)中，synchronized使用了monitor enter和monitor exit指令來進(jìn)行進(jìn)入鎖和退出鎖的同步操作。對(duì)于用戶來說，這些操作是不可見的。synchronized鎖的等待隊(duì)列存儲(chǔ)在對(duì)象的waitset屬性中，用于線程的等待和喚醒操作。
雙重檢查單例模式解析
示例代碼：
public class Singleton {
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {
// 私有構(gòu)造方法
}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
為什么需要使用volatile： 雖然synchronized關(guān)鍵字可以確保線程安全，但是如果沒有volatile修飾，可能會(huì)發(fā)生指令重排的問題。volatile關(guān)鍵字的主要作用是防止指令重排，保證可見性和有序性。盡
管在實(shí)際工作中很少遇到指令重排導(dǎo)致的問題，但是理論上存在這種可能性，因此使用volatile修飾變量可以避免出現(xiàn)意外情況。
指令重排原因及影響： 指令重排是為了優(yōu)化程序的執(zhí)行速度，由于CPU的工作速度遠(yuǎn)大于內(nèi)存的工作速度，為了充分利用CPU資源，處理器會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重新排序。例如在創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象的過程中，通常被拆分為三個(gè)步驟：1）申請(qǐng)空間并初始化，2）賦值，3）建立地址鏈接關(guān)系。如果沒有考慮逃逸分析，可能會(huì)發(fā)生指令重排的情況。
這種重排可能導(dǎo)致的問題是，當(dāng)一個(gè)線程在某個(gè)時(shí)刻執(zhí)行到步驟2，而另一個(gè)線程在此時(shí)獲取到了對(duì)象的引用，但是這個(gè)對(duì)象還沒有完成初始化，導(dǎo)致使用到未完全初始化的對(duì)象，可能會(huì)出現(xiàn)異常或不正確的結(jié)果。通過使用volatile關(guān)鍵字，可以禁止指令重排，確保對(duì)象的完全初始化后再進(jìn)行賦值操作。
抽象隊(duì)列同步器（Abstract Queued Synchronizer）解析
抽象隊(duì)列同步器（Abstract Queued Synchronizer）是Java并發(fā)編程中非常重要的同步框架，被廣泛應(yīng)用于各種鎖實(shí)現(xiàn)類，如ReentrantLock、CountDownLatch等。AQS提供了基于雙端隊(duì)列的同步機(jī)制，支持獨(dú)占模式和共享模式，并提供了一些基本的操作方法。
在AQS中，用來表示是否是獨(dú)占鎖的Exclusive屬性對(duì)象非常重要。它可以控制同一時(shí)間只有一個(gè)線程能夠獲取鎖，并且支持重入機(jī)制。另外，AQS的state屬性也非常關(guān)鍵，state的含義和具體用途是由具體的子類決定的。子類可以通過對(duì)state屬性的操作來實(shí)現(xiàn)不同的同步邏輯。例如，在ReentrantLock中，state表示鎖的持有數(shù)；在CountDownLatch中，state表示還需要等待的線程數(shù)。
此外，AQS還使用兩個(gè)Node節(jié)點(diǎn)來表示雙端隊(duì)列，用于存儲(chǔ)被阻塞的線程。這些節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)線程的不同狀態(tài)（如等待獲取鎖、等待釋放鎖）被添加到隊(duì)列的不同位置，從而實(shí)現(xiàn)線程同步和調(diào)度。
以下是一個(gè)簡(jiǎn)化的示例代碼，展示了如何使用ReentrantLock和AQS進(jìn)行線程同步：
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Example {
private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
// 執(zhí)行線程1的邏輯
} finally {
lock.unlock();
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
// 執(zhí)行線程2的邏輯
} finally {
lock.unlock();
}
});
thread1.start();
thread2.start();
}
}
在上述代碼中，我們使用了ReentrantLock作為鎖工具，它內(nèi)部使用了AQS來實(shí)現(xiàn)線程同步。通過調(diào)用lock()方法獲取鎖，并在finally塊中調(diào)用unlock()方法釋放鎖，確保線程安全執(zhí)行。這樣，只有一個(gè)線程能夠獲取到鎖，并執(zhí)行相應(yīng)的邏輯。
總之，AQS作為Java線程同步的核心框架，在并發(fā)編程中起到了至關(guān)重要的作用。它提供了強(qiáng)大的同步機(jī)制，可以支持各種鎖的實(shí)現(xiàn)，幫助我們實(shí)現(xiàn)線程安全的代碼。
利用Java線程池
使用Java線程池是一種優(yōu)化并行性的有效方式。線程池可以管理和復(fù)用線程，減少了線程創(chuàng)建和銷毀的開銷，提高了系統(tǒng)的性能和資源利用率。
在Java中，可以使用ExecutorService接口來創(chuàng)建和管理線程池。ExecutorService提供了一些方法來提交任務(wù)并返回Future對(duì)象，可以用于獲取任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果。
在創(chuàng)建線程池時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇不同的線程池類型。常用的線程池類型包括：
- FixedThreadPool：固定大小的線程池，線程數(shù)固定不變。
- CachedThreadPool：可根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)整線程數(shù)的線程池。
- SingleThreadExecutor：只有一個(gè)線程的線程池，適用于順序執(zhí)行任務(wù)的場(chǎng)景。
- ScheduledThreadPool：用于定時(shí)執(zhí)行任務(wù)的線程池。
使用線程池時(shí)，可以將任務(wù)分解為多個(gè)小任務(wù)，提交給線程池并發(fā)執(zhí)行。這樣可以充分利用系統(tǒng)資源，提高任務(wù)執(zhí)行的并行性。
同時(shí)，線程池還可以控制并發(fā)線程的數(shù)量，避免系統(tǒng)資源耗盡和任務(wù)過載的問題。通過設(shè)置合適的線程池大小，可以平衡系統(tǒng)的并發(fā)能力和資源消耗。
探索Java中的Fork/Join框架
Fork/Join框架是Java中用于處理并行任務(wù)的一個(gè)強(qiáng)大工具。它基于分治的思想，將大任務(wù)劃分成小任務(wù)，并利用多線程并行執(zhí)行這些小任務(wù)，最后將結(jié)果合并。
在Fork/Join框架中，主要有兩個(gè)核心類：ForkJoinTask和ForkJoinPool。ForkJoinTask是一個(gè)可以被分割成更小任務(wù)的任務(wù)，我們需要繼承ForkJoinTask類并實(shí)現(xiàn)compute()方法來定義具體的任務(wù)邏輯。ForkJoinPool是一個(gè)線程池，用于管理和調(diào)度ForkJoinTask。
下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，展示如何使用Fork/Join框架來計(jì)算一個(gè)整數(shù)數(shù)組的總和：
import java.util.concurrent.*;
public class SumTask extends RecursiveTask<Integer> {
private static final int THRESHOLD = 10;
private int[] array;
private int start;
private int end;
public SumTask(int[] array, int start, int end) {
this.array = array;
this.start = start;
this.end = end;
}
@Override
protected Integer compute() {
if (end - start <= THRESHOLD) {
int sum = 0;
for (int i = start; i < end; i++) {
sum += array[i];
}
return sum;
} else {
int mid = (start + end) / 2;
SumTask leftTask = new SumTask(array, start, mid);
SumTask rightTask = new SumTask(array, mid, end);
leftTask.fork(); // 將左半部分任務(wù)提交到線程池
rightTask.fork(); // 將右半部分任務(wù)提交到線程池
int leftResult = leftTask.join(); // 等待左半部分任務(wù)的完成并獲取結(jié)果
int rightResult = rightTask.join(); // 等待右半部分任務(wù)的完成并獲取結(jié)果
return leftResult + rightResult;
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] array = new int[100];
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
array[i] = i + 1;
}
ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool();
SumTask sumTask = new SumTask(array, 0, array.length);
int result = forkJoinPool.invoke(sumTask); // 使用線程池來執(zhí)行任務(wù)
System.out.println("Sum: " + result);
}
}
在這個(gè)例子中，我們定義了一個(gè)SumTask類，繼承自RecursiveTask類，并實(shí)現(xiàn)了compute()方法。在compute()方法中，我們判斷任務(wù)的大小是否小于閾值，如果是，則直接計(jì)算數(shù)組的總和；如果不是，則將任務(wù)劃分成兩個(gè)子任務(wù)，并使用fork()方法將子任務(wù)提交到線程池中，然后使用join()方法等待子任務(wù)的完成并獲取結(jié)果，最后返回子任務(wù)結(jié)果的和。
在main()方法中，我們創(chuàng)建了一個(gè)ForkJoinPool對(duì)象，然后創(chuàng)建了一個(gè)SumTask對(duì)象，并使用invoke()方法來執(zhí)行任務(wù)。最后打印出結(jié)果。
通過使用Fork/Join框架，我們可以方便地處理并行任務(wù)，并利用多核處理器的性能優(yōu)勢(shì)。這個(gè)框架在處理一些需要遞歸分解的問題時(shí)非常高效。
總結(jié)
文章涉及了幾個(gè)常見的并發(fā)編程相關(guān)的主題。首先，線程的創(chuàng)建和生命周期是面試中常被問及的話題，面試官可能會(huì)詢問如何創(chuàng)建線程、線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及如何控制線程的執(zhí)行順序等。其次，synchronized關(guān)鍵字是用于實(shí)現(xiàn)線程同步的重要工具，面試中可能會(huì)涉及到它的使用場(chǎng)景以及與其他同步機(jī)制的比較。此外，抽象隊(duì)列同步器（AQS）是Java并發(fā)編程中的核心概念，了解其原理和應(yīng)用場(chǎng)景可以展示對(duì)并發(fā)編程的深入理解。最后，面試中可能會(huì)考察對(duì)Java線程池和Fork/Join框架的了解，包括它們的使用方法、優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景等。種子題目務(wù)必學(xué)會(huì)
