多线程基础知识

多线程

线程的六种状态

• New: 已创建但尚未启动的线程状态。
• Runnable: 可运行线程的线程状态，等待CPU调度。
• Blocked: 线程阻塞等待监视器锁定的线程状态。处于synchronize同步代码块或方法中被阻塞。
• Waiting: 等待线程的线程状态。下列不带超时的方式: Object.wait、Thread.join、LockSupport.park。
• Time Waiting: 具有指定等待时间的等待线程的线程状态。下列带超时的方式: Thread.sleep、Object.wait、Thread.join、LockSupport.parkNanos、LockSupport.parkUntil。
• Terminated: 终止线程的线程状态。线程真正常完成执行或者出现异常。

注：
1.Waiting状态可理解成主动立即让线程等待。
2.Timed Waiting状态可理解成代码超时等待。
3.Blocked状态是在线程拿不到锁（如：在抢synchronized的时候），但在等待抢lock锁的时候是Waiting状态。
4.线程执行完毕或者执行stop、interrupt犯法后会处于Terminated状态，且不能再star。

线程状态切换演示

• New -> Runnable -> Time Waiting -> Runnable -> Terminated
  
  

• New -> Runnable -> Blocked -> Runnable -> Terminated
  
  

线程中止

1. Thread.stop是不正确的线程中止方式，可能导致线程安全问题，会强制中止线程，已废弃。
   

2. Thread.interrupt才是推荐的方式。将stop改为interrupt后，最终输出“i=1 j=2”，数据一致。interrupt方法会抛InterruptedException，不会存在线程安全问题。
   

3. 标志位方式。
   

线程通信

要想实现多个线程之间的协同，如：线程执行先后顺序，获取某个线程执行的结果等等。
涉及到线程之间相互通信，分为下面四类：文件共享、网络共享、变量共享以及JDK提供的线程协调API

1. 文件共享
   

2. 网络共享
   （和文件共享类似）

3. 变量共享
   

也就是【堆内存】中的变量是线程共享变量。

4. jdk提供的线程协调API
   

   1. wait/notify
      这对方法只能由同一对象锁的持有者线程调用，也就是写在同步块里面，否则会抛出ilegalMonitorStateException异常。
      wait方法会当前线程等待，加入该对象的等待集合中，并且释放对象锁。
      notify/notifyAll方法唤醒一个或所有正在等待这个对象锁的线程。
      虽然wait会释放锁，但是对顺序有要求，如果在notify被调用后才开始执行wait方法，线程会永远处于Waiting状态。
      

   2. park/unpark
      线程调用park则等待“许可”，调用unpark会为执行线程提供“许可”。
      相比wait/notify，不要求park和unpark方法的调用顺序。可以多次调用unpark之后再调用park，线程也会直接运行，但不会叠加，也就是说，连续多次调用park方法，第一次会拿到“许可”直接运行，后续调用会进入等待。
      park不释放锁，所以park/unpark不要写在同步代码块（会导致死锁），和wait/notify正好相反。
      
      注：如果线程B连续调用了多次unpark函数，当线程A调用一次park函数就使用掉这个“许可”继续执行，如果线程A第二次再调用park，则进入等待状态。（unpark多次只需要一次park）

   3. suspend/resume（已废弃）
      suspend/resume是线程Thread的方法，但是被废弃，因为suspend也是不释放锁，很容易写出死锁代码（兼容了wait/notify和park/unpark的缺点，既不能写在同步代码块，又不能颠倒执行顺序）。
      

5. 伪唤醒
   

线程封闭

1. 线程封闭概念
   多线程访问共享可变数据时，涉及到线程间数据同步的问题。并不是所有时候都要用到共享数据，所以线程封闭的概念就提出来了，。
   数据都被封闭在各自的线程之中就不需要同步，这种通过将数据封闭在线程中而避免使用同步的技术称为线程封闭。
   线程封闭具体的体现有：ThreadLocal、局部变量。

2. ThreadLocal
   ThreadLocal是Java里的一种特殊变量。它是一个线程级别变量，每个线程都有一个ThreadLocal就是每个线程都拥有了自己独立的一个变量，竞争条件被彻底消除了，在并发模式下是绝对安全的变量。

用法：ThreadLocal var = new ThreadLocal();
会自动在每个线程上创建一个T的副本，副本之间彼此独立，互不影响。
可以用ThreadLocal存储一些参数，以便在线程中多个方法中使用，用来代替方法传参的做法。

可以简单理解为：JVM维护了一个Map<Thread,T>，每个线程要用这个T的时候，就用当前的线程去Map里面取。

3. 栈封闭
   局部变量的固有属性之一就是封闭在线程中。它们位于执行线程的【虚拟机栈】中，其他线程无法访问这个栈。
   局部变量可以理解成Java类中方法的变量，保存在【虚拟机栈】中的栈帧中的本地局部变量表
   

CPU内存屏障

1. CPU性能优化手段一一缓存
   

   1. 多级缓存
      CPU高速缓存分为：L1、L2、L3等级，CPU读取顺序依次是：L1>L2>L3>内存>硬盘。
   2. 缓存同步协议
      多核CPU读取同样的数据进行缓存。
      MESI协议，它规定每条缓存有个状态位，同时定义了四个状态：修改态(Modified)、专有态(Exclusive)、共享态(Shared)、无效态(Invalid)。简单来说：CPU要处理控制自己的读写操作，也要监听其他CPU发出的通知，保证了多核CPU数据的一致。

2. CPU性能优化手段一一运行时指令重排
   

3. CPU高速缓存和CPU指令重排两种优化手段都存在问题

   1. CPU缓存和内存中的数据不是实时同步的，可能存在同一时间点，各个CPU可能读取同一块内存地址的值不一致。
   2. 多核多线程的CPU中，指令还是可能出现超出as-is-serial允许以外的乱序现象。

4. 内存屏障
   处理器提供了两种内存屏障（Memory Barrier）指令解决了以上两个问题

   1. 写内存屏障：在指令后插入Store Barrier，强制写入主内存，让其他线程可见，并且不能发生重排。
   2. 读内存屏障：在指令前插入Load Barrier，让高速缓存失效，强制重新从主内存加载数据。

5. 结语
   无论MESI缓存协议的实现还是内存屏障的性能问题都体现在不同CPU厂家在优化中做出的努力，不同CPU厂商所付出的人力物力成本，最终体现在不同CPU性能差距上。