JUC并发编程（一）

JUC并发编程

文章目录

- - JUC并发编程
  - - 一、进程与线程
    - - 1 进程
      - 2 线程
      - 3 进程与线程的对比
      - 4 并行与并发
      - 5 同步与异步
    - 二、Java线程
    - - 1 创建和运行线程
      - 2 查看进程线程的方法
      - 3 栈与栈帧
      - 4 线程中常见方法
      - 5 start()与run()
      - 6 sleep()与yield()
      - 7 线程优先级
      - 8 join()方法
      - 9 interrupt()方法
      - 10 使用到interrupt()的多线程设计模——两阶段终止模式
      - 11 过时不推荐的方法
      - 12 主线程与守护线程
      - 13 线程状态-五种
      - 14 线程状态-六种
    - 三、共享模型之管程
    - - 1 线程安全问题
      - 2 临界区与竞态条件
      - 3 synchronized 解决方案
      - 4 对上述案例改造为面向对象方法编写
      - 5 练习题之线程八锁——帮助理解 synchronized
      - 6 变量的线程安全问题分析
      - 7 Monitor-对象头
      - 8 常用方法介绍
      - 9 wait(long n) 和 sleep(long n) 的区别
      - 10 ReentrantLock

一、进程与线程

1 进程

程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至CPU，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理IO的。

当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程。进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程(例如记事本、画图、浏览器等)，也有的程序只能启动一个实例进程 (例如网易云音乐、360 安全卫士等)。

2 线程

一个进程之内可以分为一到多个线程，一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行。

在Java 中，线程作为最小的调度单位，进程作为资源分配的最小单位。在 windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器。

3 进程与线程的对比

进程基本上是相互独立的，而线程存在于进程中，是进程的一个子集；
进程拥有共享的资源，如内存空间等，可以供它内部的线程共享；
线程通信相对简单，它们可以共享进程内的内存，进程间通信较为复杂，同一台计算机的进程通信称为 IPC ，不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP ；

4 并行与并发

单核 cpu 下，线程实际上是串行执行的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 cpu 的时间片(windows 下时间片最小约为 15 毫秒)分给不同的线程使用，只是由于 cpu 在线程间(时间片很短)的切换速度非常快，给人一种同时运行的错觉。

并发：线程轮流使用 CPU 的情况称为并发（concurrent）。
并行：由于我们的个人电脑大多都是多核cpu，多个cpu同时运行多个线程的情况叫做并行。

举例说明：

并发：家庭主妇做饭、打扫卫生、给孩子喂奶，她一个人依次做这三件事，这就是并发。
并行：家庭主妇雇了3个保姆，一个专门做饭、一个专门打扫卫生、一个专门喂奶，互不干扰，这就是并行。
既有并发又有并行：家庭主妇只雇了一个保姆，她们一起做这些事，保姆扫地、家庭主妇给孩子喂奶（这时属于并行），当保姆去做饭时，家庭主妇也想要做饭就只能等待（这时属于并发）。

5 同步与异步

从方法调用的角度，如果：

需要等待结果返回，才能继续往下执行，就是同步；
不需要等待结果返回，直接往下执行，就是异步；

设计：

多线程可以实现方法执行变为异步！！！

结论：

比如在项目中，某一个业务操作花费时间较长，这时可以开一个新的线程去处理这个耗时的业务，避免阻塞主线程的执行；
tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程；
ui程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞ui线程

二、Java线程

1 创建和运行线程

方法一：直接使用Thread，创建Thread对象，然后重写run()方法，这个run()方法就是线程的执行体，最后调用Thread对象的start()启动线程。

// 创建线程对象
Thread t = new Thread() {
    public void run() {
        // 要执行的任务
    }
};
// 启动线程
t.start();

例如：

Thread t = new Thread(){
    @Override
    public void run() {
        log.info("running...");
    }
};
t.setName("线程t1");
t.start();
log.info("main===>running...");

方法二：使用Runnable配合Thread，创建Runnable对象，并重写run()方法，然后再创建Thread对象，调用Thread对象的start()方法启动线程。

把线程和任务（要执行的代码）分开

Thread代表线程；

Runnable代表可运行的任务；

Runnable runnable = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // 要执行的任务
    }
};
// 创建线程对象
Thread t = new Thread(runnable);
// 启动线程
t.start();

例如：

Runnable runnable = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // 要执行的任务
        log.info("running...");
    }
};
// 创建线程对象
Thread t = new Thread(runnable,"线程t2");
// 启动线程
t.start();
log.info("main running...");

方法三：使用FutureTask，传递一个Callable参数，然后重写run()方法，这个run()方法也是线程的执行体，最后创建一个Thread

对象，调用Thread对象的start()方法启动线程。

// 创建任务对象
FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        log.debug("running...");
        Thread.sleep(2000);
        return 100;
    }
});

// 参数1是任务对象，参数2是线程名字
Thread t = new Thread(task, "线程3");
t.start();

2 查看进程线程的方法

windows
- tasklist：查看进程
- taskskill杀死进程
linux
- ps -ef 查看所有进程
- ps -ft -p 查看某个进程
- kill 杀死进程

3 栈与栈帧

我们知道 JVM 是由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存是给谁用的呢? 其实就是线程，每个线程启动虚拟机就会为其分配一块栈内存。

每个栈由多个栈帧(Frame) 组成，对应着每次方法调用时所占用的内存；

每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法；

线程上下文切换：

因为以下一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码

线程的 cpu 时间片用完
垃圾回收
有更高优先级的线程需要运行
线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法

当上下文切换发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应的概念就是程序计数器，它的作用是记录下一条 jvm 指令的执行地址，是线程私有的。

4 线程中常见方法

start()：启动一个新线程，在新的线程运行run方法中的代码；
run()：新线程启动后调用的方法；
join()：等待线程结束：用在线程间通信使用；
join(long n)：最多等待n毫秒；
getId()：获取线程长整型的id，唯一id；
getName()：获取线程名；
setName(String str)：修改线程名；
getPriority()：获取线程优先级；
setPriority(int n)：修改线程优先级，java中规定线程的优先级是1-10的整数，最大优先级是10，最小是1。默认优先级是5，公平竞争。
getState()：获取线程状态，java中线程状态用6个enum表示：NEW，RUNNABLE，BLOCKED，WAITING，TIMED_WAITING，TERMINATED；
isInterrupted()：判断是否被打断；
interrupt()：打断线程：如果被打断线程正在 sleep，wait，join 会导致被打断的线程抛出 InterruptedException，并清除打断标记；如果打断正在运行的线程，则会设置打断标记；park 的线程被打断，也会设置打断标记。
静态方法：
- interrupted()：判断当前线程是否被打断，会清除打断标记；
- currentThread()：获取当前正在执行的线程；
- sleep(long n)：让当前执行的线程休眠n毫秒，休眠时让出cpu 的时间片给其它线程；

5 start()与run()

直接上测试案例演示：

run()方法

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread("线程t1_testRun()") {
            @Override
            public void run() {
                log.info("当前线程：" + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    FileReader file = new FileReader("D:\\BaiduNetdiskDownload\\壁纸.jpg");
                    System.out.println("file:" + file);
                } catch (Exception e) {
                    log.error("找不到文件");
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        System.out.println("线程状态：" + t1.getState());
        t1.run();
        System.out.println("线程状态：" + t1.getState());
        log.info("执行完毕!");
    }

结果：
在这里插入图片描述

start()方法

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread("线程t1_testStart()") {
            @Override
            public void run() {
                log.info("当前线程：" + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    FileReader file = new FileReader("D:\\BaiduNetdiskDownload\\壁纸.jpg");
                    System.out.println("file:" + file);
                } catch (Exception e) {
                    log.error("找不到文件");
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        System.out.println("线程状态：" + t1.getState());
        t1.start();
        System.out.println("线程状态：" + t1.getState());
        log.info("执行完毕!");
    }

结果：
在这里插入图片描述

结论：执行run()方法发现线程状态是NEW，处于新建的状态，当前线程名称是main，也就是线程并没有执行；执行start()方法，执行前后线程状态不一致，当前线程名称也是t1线程的名称，证明线程执行了。

6 sleep()与yield()

sleep()
- 调用sleep会让当前线程从 RUNNABLE (可运行状态) 进入TIMED_WAITING（停止状态）；
- 其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛出InterruptedException；
- 睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行；
- 建议用 Timelnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性；
yield()
- 调用 yield() 会让当前线程从 RUNNABLE (可运行状态) 进入TERMINATED（停止状态），然后调度器执行其它同优先级的线程。如果这时没有同优先级的线程，那么不能保证让当前线程暂停的效果；
- 具体的实现依赖于操作系统的任务调度器；

7 线程优先级

线程优先级会提示调度器优先调度该线程，但它仅仅是一个提示，调度器可以忽略它。如果 cpu 比较忙，那么优先级高的线程会获得更多的时间片，但 cpu 闲时，优先级几乎没作用。

案例：在没有利用 cpu 来进行计算时，不要让 while(true) 空转浪费 cpu，这时可以使用 yield 或 sleep 来让出 cpu 的使用权，让给其它程序。

此处我在我的阿里云服务器进行效果演示，服务器为1核2G，1核容易看出效果：先注释掉Thread.sleep(50)

    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            try {
                 // Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

使用 top 命令发现运行这个java造成cpu短时间占满！
在这里插入图片描述
取消注释后，就恢复了正常：

8 join()方法

join方法用于等待线程结束，用在线程间通信使用。

观察如下代码块，猜想执行结果：

@Slf4j
public class test01 {

    static int r = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        test();
    }

    public static void test() throws InterruptedException {
        log.info("开始");
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.info("开始");
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.info("结束");
            r = 10;
        });
        t1.setName("线程t1");
        t1.start();
        log.info("结果为：{}",r);                 // 最终的结果为多少？
        log.info("结束");
    }
}

发现线程t1的执行体内，休眠了100毫秒，因此当t1.start();启动线程后，不会去等待t1休眠，而是直接往下执行，因此结果为 0。
在这里插入图片描述

对代码块做出改造，加入join()方法。

public class test01 {

    static int r = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        test();
    }

    public static void test() throws InterruptedException {
        log.info("开始");
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.info("开始");
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.info("结束");
            r = 10;
        });
        t1.setName("线程t1");
        t1.start();
        t1.join();                                     // 加入join()方法
        log.info("结果为：{}",r);                       // 结果还是0吗？  
        log.info("结束");
    }
}

此时，当t1.start();启动线程过后，t1.join()会先等待t1执行，因此100毫秒后，才会打印结果，此时r应为10。
在这里插入图片描述

案例升级，若等待多个线程，会发生什么？

public class test01 {

    static int r = 0;
    static int r1 = 0;
    static int r2 = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        test();
    }

    public static void test() throws InterruptedException {

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            r1 = 10;
        });
        t1.setName("线程t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            r2 = 20;
        });
        t2.setName("线程t2");

        long start = System.currentTimeMillis();
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        long end = System.currentTimeMillis();
        log.info("r1：{}, r2:{}, cost:{}", r1, r2, end-start);     // 最后的打印结果是多少？特别是cost
        log.info("结束");
    }
}

对代码分析，main线程执行-> t1线程启动 -> t2也启动-> t1线程等待 -> t2线程也等待，最后打印结果。在t1线程等待时，t2也在等待，t1等待1000毫秒后，执行了r1 = 10; 此时t2线程也等待了1000毫秒，因此t2此时只需再等待1000毫秒就执行r2 = 20;最后的结果为 r1=10，r2=20，cost=2000毫秒左右（执行其它代码也需要时间，因此不可能等于固定的2000）。

结果如下：
在这里插入图片描述

若先执行t2.join(); 再执行t1.join();呢？

此处代码块省略，直接分析，由于先等待t2线程，但此时t1线程也在同步等待，2000毫秒后，t2线程结束，但在1000毫秒时t1线程早就结束了，因此，最终的cost也是2000毫秒左右，不会有什么变化。

再次思考，若join()方法传递参数呢？比如上述代码块，取消t1.join(), t2.join()变为t2.join(1500)，也就是只等待1500毫秒，但t2线程的睡眠时间是2000毫秒。这样的最终结果就是，在等待了1500毫秒后，main主线程继续往下执行，打印结果cost为1500左右。

9 interrupt()方法

interrupt()方法会打断 sleep、wait（join的底层原理其实就是wait）、join的线程。

public class test01 {
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    boolean interrupted = Thread.currentThread().isInterrupted();
                    if (interrupted) {
                        log.info("被打断了，退出循环");
                        break;
                    }
                }
            }
        };
        Thread t1 = new Thread(runnable);
        t1.start();
        Thread.sleep(100);
        log.info("打断线程");
        t1.interrupt();
    }
}

结果：
在这里插入图片描述

10 使用到interrupt()的多线程设计模——两阶段终止模式

在一个线程 t1 中如何“优雅”终止线程 t2？这里的优雅指的是给 t2 一个料理后事的机会。

错误思路：

使用线程对象的 stop() 方法停止线程；
- stop 方法会真正杀死线程，如果这时线程锁住了共享资源，那么当它被杀死后就再也没有机会释放锁，其它线程将永远无法获取锁。
使用 System.exit(int) 方法停止线程；
- 这种做法会让整个程序都停止。

11 过时不推荐的方法

以下这些方法不推荐使用，这些方法已过时，容易破坏同步代码块，造成线程死锁。

stop() ：停止线程运行
suspend()：挂起线程运行
resume()：恢复线程运行

12 主线程与守护线程

默认情况下，Java 进程需要等待所有线程都运行结束，才会结束。有一种特殊的线程叫做守护线程，只要其它非守护线程运行结束了，即使守护线程的代码没有执行完，也会强制结束。

例如：

public class test01 {

    public static void main(String[] args) {
        log.debug("主线程，开始运行...");
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("守护线程，开始运行...");
            try {
                sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.debug("守护线程，运行结束...");
        },"守护线程t1");
        // 设置该线程为守护线程
        t1.setDaemon(true);
        t1.start();
        try {
            sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("主线程，运行结束...");
    }
}

结果：
在这里插入图片描述
没等守护线程执行完毕，主线程就已经结束了。

注意：

垃圾回收器线程就是一种守护线程。
Tomcat 中的 Acceptor 和 Poller 线程都是守护线程，所以 Tomcat 接收到 shutdown 命令后，不会等待它们处理完当前请求。

13 线程状态-五种

网络上对于线程状态众说纷纭，有说5种的，有说6种的。现对于这两种不同的说法做出解释。

从操作系统层面-五种。
在这里插入图片描述

初始状态：仅是在语言层面创建了线程，还未与操作系统线程关联。
可运行状态：指该线程已经被创建，与操作系统线程关联，可以由CPU调度执行。
运行状态：指获取了cpu时间片运行中的状态，当cpu时间片用完，会从运行状态转移至可运行状态。
阻塞状态：如果运行中的线程调用了阻塞api，比如读写一些文件，这时该线程实际不会用到cpu，会导致进入阻塞状态；等读写完毕，操作系统会唤醒阻塞的线程，转移至可运行状态。
终止状态：表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转移为其它状态。

14 线程状态-六种

根据 Thread.State 枚举，分为六种状态。
在这里插入图片描述

public enum State {
    NEW,
    RUNNABLE,
    BLOCKED,
    WAITING,
    TIMED_WAITING,
    TERMINATED;
}

NEW：线程刚被创建，但是还没有调用 start() 方法。
RUNNABLE：当调用了 start() 方法之后进入运行状态，注意，JavaAPI层面的 RUNNABLE 状态涵盖了操作系统层面的[可运行状态]、[运行状态]和[阻塞状态] (由于 BIO 导致的线程阻塞，在 Java 里无法区分，仍然认为是可运行)。
BLOCKED：
WAITING：
TIMED_WAITING：
TERMINATED：

三、共享模型之管程

1 线程安全问题

案例：两个线程对初始值为0的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是0吗?

public class test01 {

    static int counter = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                counter++;
            }

        },"t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                counter--;
            }

        },"t2");

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.info("counter:{}",counter);
    }
}

结果：
在这里插入图片描述
其实上述的代码多运行几次，结果可能是正数、负数、0，这是为什么呢？因为java中对静态变量的自增-自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析。

例如对于 i++而言 (i为静态变量)，实际会产生如下的JVM 字节码指令：

getstatic   i           // 获取静态变量i的值
iconst_1                // 准备常量1
iadd                    // 白增
putstatic   i           // 将修改后的值存入静态变量i

对于 i-- 也是：

getstatic   i           // 获取静态变量i的值
iconst_1                // 准备常量1
isub                    // 白减
putstatic   i           // 将修改后的值存入静态变量i

而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：
在这里插入图片描述
如果以单线程按顺序执行，不会出现任何问题，如果是多个线程，有可能会出现问题。

2 临界区与竞态条件

一个程序运行多个线程本身是没有问题的，问题出在多个线程访问共享资源。

多个线程读共享资源其实也没有问题；
在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题；

临界区：一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区。

例如，下面代码中的临界区

	static int counter = 0;
	static void increment() {
	    // 临界区
	    counter ++;
	}
	static void decrement() {
	    // 临界区
	    counter --;
	}

竞态条件：多个线程在临界区内执行，由于代码的执行顺序不同而导致结果无法预测，称为发生了竞态条件。

3 synchronized 解决方案

为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。

阻塞式的解决方案：synchronized、Lock
非阻塞式的解决方案：原子变量

本次使用阻塞式的解决方案：synchronized，来解决上述问题，即俗称的【对象锁】，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换。

注意

虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：

互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码。
同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点。

synchronized 语法

synchronized(对象) {
	临界区
}

解决上述案例：

    static int counter = 0;
    static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                synchronized (lock) {
                    counter++;
                }
            }

        },"t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                synchronized (lock) {
                    counter--;
                }
            }

        },"t2");

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.info("counter:{}",counter);
    }

加了synchronized 锁过后，得到解决：
在这里插入图片描述

思考：synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断。
为了加深理解，思考以下问题：

1、如果把 synchronized(obj) 放在 for 循环的外面，如何理解?
- 加了 synchronized 锁后，实际上是保证了以下4条指令的原子操作。
```
getstatic   i           // 获取静态变量i的值
iconst_1                // 准备常量1
iadd                    // 白增
putstatic   i           // 将修改后的值存入静态变量i
```
- 如果把 synchronized 加在for循环外面，也就保证了 4* 5000=20000条指令的原子操作，也就是完成5000次累加后再去完成累减。
2、如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会发生什么?
- 得不到解决，要想保证最终的结果，synchronized 必须传入同一个对象。
3、如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加锁发生什么? 如何理解?
- 也得不到解决，对于临界区的代码，多个线程都需要加锁。

4 对上述案例改造为面向对象方法编写

    static class Room {
        private int counter = 0;

        public void incr() {
            synchronized (this) {
                counter++;
            }
        }

        public void decr() {
            synchronized (this) {
                counter--;
            }
        }

        public int getCounter() {
            synchronized (this) {
                return this.counter;
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Room room = new Room();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                room.incr();
            }
        },"t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                room.decr();
            }
        },"t2");

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.info("counter:{}", room.getCounter());
    }

或者直接加在方法上：

    static class Room {
        private int counter = 0;

        public synchronized  void incr() {
            counter++;
        }

        public synchronized void decr() {
        	counter--;
        }

        public synchronized int getCounter() {
        	return this.counter;
    	}
    }

5 练习题之线程八锁——帮助理解 synchronized

问题1：

     static class Number {
        public synchronized void a() {
            log.info("1");
        }

        public synchronized void b() {
            log.info("2");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Number n1 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        },"线程t1").start();

        new Thread(() -> {
            n1.b();
        },"线程t2").start();
    }

答案：先打印1，再打印2 或先打印2，再打印1.

分析：只创建了一个Number 对象n1，但是开启了两个线程，线程t1调用a方法，线程t2调用b方法，由于这两个方法都加了 synchronized 锁，因此如果cpu先调度线程 t1，则先打印1，再打印2；如果cpu先调度线程 t2，则先打印2，再打印1。

问题2：在问题1的基础上，对方法a加入了休眠。

     static class Number {
        public synchronized void a() throws InterruptedException {
            sleep(1000);
            log.info("1");
        }

        public synchronized void b() {
            log.info("2");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Number n1 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        },"线程t1").start();

        new Thread(() -> {
            n1.b();
        },"线程t2").start();
    }

答案：先打印1，再打印2 或先打印2，再打印1.

分析：只创建了一个Number 对象n1，但是开启了两个线程，线程t1调用a方法，线程t2调用b方法，并且这两个方法都加了 synchronized 锁。因此如果cpu先调度线程 t1，就算要先休眠1秒，但由于加了synchronized 互斥锁，因此会等待线程t1执行完a方法后，线程t2才会执行b方法，因此结果是先打印1，再打印2。如果cpu先调度线程 t2，这时方法b没有休眠，因此结果就是直接先打印2，再打印1。

问题3：在问题2的基础上，再加入方法c。

static class Number {
        public synchronized void a() {
            try {
                sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.info("1");
        }

        public synchronized void b() {
            log.info("2");
        }

        public void c() {
            log.info("3");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Number n1 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        },"线程t1").start();

        new Thread(() -> {
            n1.b();
        },"线程t2").start();

        new Thread(() -> {
            n1.c();
        },"线程t3").start();
    }

答案：先打印3，再打印1，2 或先打印3，再打印2，1 或先打印2，再打印3，1。

分析：由于方法c没有加锁，方法b加了锁但没有休眠，因此cpu会先调度线程t3或线程t2，如果先调度线程t3，率先执行方法c后，对于线程t1和线程t2执行方法a，b，由于都加了锁，因此当cpu先调度线程t1，则最后结果为先打印3，然后打印1，2；如果cpu先调度线程t2，则最后结果为先打印3，然后打印2，1。如果一开始cpu就先调度线程t2，执行完方法b后，由于线程t1执行a需要休眠1秒，因此不会先执行a方法，而是直接执行没有加锁的c方法，因此最后结果为先打印2，再打印3，1。

问题4：

     static class Number {
        public synchronized void a()  {
            try {
                sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.info("1");
        }

        public synchronized void b() {
            log.info("2");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Number n1 = new Number();
        Number n2 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        },"线程t1").start();

        new Thread(() -> {
            n2.b();
        },"线程t2").start();
    }

答案：总数先打印2，后打印1.

分析：创建了两个 Number 对象，一个n1，一个n2，由于n1休眠1秒属于阻塞状态，因此总是会优先打印2，再打印1.

问题5：方法a改为静态方法

     static class Number {
        public static synchronized void a()  {
            try {
                sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.info("1");
        }

        public synchronized void b() {
            log.info("2");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Number n1 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        },"线程t1").start();

        new Thread(() -> {
            n1.b();
        },"线程t2").start();
    }

答案：先打印2，再打印1

由于方法a是一个加了 synchronized 的静态锁，因此锁住的是 Number 这个类对象；而方法b不是静态的，因此锁住的还是 this对象，也就是n1对象，这样就导致方法a、b锁住的是不同的对象，因此这两个方法没有互斥条件，由于方法a会休眠1秒，因此先打印2，再打印1。

问题6：方法a、b都是静态方法

     static class Number {
        public static synchronized void a()  {
            try {
                sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.info("1");
        }

        public static synchronized void b() {
            log.info("2");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Number n1 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        },"线程t1").start();

        new Thread(() -> {
            n1.b();
        },"线程t2").start();
    }

答案：先打印1，再打印2或先打印2，再打印1.

分析，由于方法a，b都是静态的，都加有 synchronized 锁，因此方法a，b锁住的都是 Number 这个类对象，也就是锁住的是同一个对象，所以存在互斥条件，因此结果为要么先打印1，后打印2或者先打印2，再打印1。

问题7：

     static class Number {
        public static synchronized void a()  {
            try {
                sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.info("1");
        }

        public synchronized void b() {
            log.info("2");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Number n1 = new Number();
        Number n2 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        },"线程t1").start();

        new Thread(() -> {
            n2.b();
        },"线程t2").start();
    }

答案：先打印2，再打印1.

分析，由于方法a是静态的，但有两个 Number 对象n1和n2，方法a锁住的是 Number 类对象，而方法b锁住的是 n2 这个对象，锁住的不是同一个对象，因此没有互斥条件，因此会优先打印2，再打印1.

问题8：

     static class Number {
        public static synchronized void a()  {
            try {
                sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.info("1");
        }

        public static synchronized void b() {
            log.info("2");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Number n1 = new Number();
        Number n2 = new Number();
        new Thread(() -> {
            n1.a();
        },"线程t1").start();

        new Thread(() -> {
            n2.b();
        },"线程t2").start();
    }

答案：先打印2，再打印1或先打印1，再打印2。

分析：虽然方法a和方法b都是静态的，因此方法a和b都是对 Number 这个类对象加锁，因此存在互斥条件。如果cpu先调度线程t1，则先打印1，后打印2；如果cpu先调度线程t2，则先打印2，再打印1。

6 变量的线程安全问题分析

1、成员变量和静态变量是否线程安全？
- 如果它们没有共享，则线程安全；
- 如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况。如果只有读操作，则线程安全，如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全。
2、局部变量是否线程安全?
- 局部变量是线程安全的，但局部变量引用的对象则未必线程安全，如果该对象没有逃离方法的作用范围，它是线程安全的。如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全。

7 Monitor-对象头

java对象头：通常一个对象，在内存中由两部分组成：对象头和成员变量。
以32位虚拟机为例，一个Object Header为对象头、Mark Word为成员变量、：Klass Word为类的类型（如Student类、Teacher类）。
普通对象：对象头为64位（8个字节）。
在这里插入图片描述
数组对象：对象头为96位（12个字节）。

其中Mark Word结构为：

Monitor工作原理：每个Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁之后，该对象头的Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针，Monitor 结构如下：
在这里插入图片描述
刚开始代码块的Monitor 中 Owner 为 null，当Thread-1 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-1，Monitor中也只能有一个Owner。在 Thread-1 上锁的过程中，如果 Thread-2，Thread-3，也来执行 synchronized(obj)，就会进入EntryList 进入阻塞状态，当Thread-1 执行完同步代码块的内容后，就会唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的时候是非公平的， WaitSet 中是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程，待条件满足过后，又会重新进入EntryList ，参与下一轮获取锁。

EntryList 和 WaitSet 都是阻塞状态，不占用cpu时间片。

8 常用方法介绍

obj.wait() 让进入 object 监视器的线程到 WaitSet 等待；
obj.wait(long timeout) 让进入 object 监视器的线程到 WaitSet 等待，时间为timeout；
obj.notify() 在 object 上正在 WaitSet 等待的线程中挑一个唤醒；
obj.notifyAll() 让 object上正在 WaitSet 等待的线程全部唤醒；

9 wait(long n) 和 sleep(long n) 的区别

sleep 是Thread 方法，而 wait 是 Object 的方法；
sleep 不需要强制和 synchronized 配合使用，但 wait 需要和 synchronized 一起使用；
sleep 在睡眠的同时，不会释放对象锁的，但 wait 在等待的时候会释放对象锁；

10 ReentrantLock

相对于 synchronized 它具备如下特点：

可中断。
可以设置超时时间。
可以设置为公平锁（先进先出）。
支持多个条件变量。

与synchronized一样，都支持可重入。

ReentrantLock基本语法：

	ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
	// 获取锁
	reentrantLock.lock();
	try {
	    // 临界区
	} finally {
	    // 释放锁
	    reentrantLock.unlock();  
	}

ReentrantLock条件变量：

synchronized 中也有条件变量，就是上述讲解的 WaitSet 休息室，当条件不满足时进入 WaitSet 等待，ReentrantLock 的条件变量比 synchronized 强大之处在于，它是支持多个条件变量的，这就好比 synchronized 那些不满足条件的线程都在一间休息室等消息，而 ReentrantLock 支持多间休息室，唤醒时也是按休息室来唤醒。

一、可重入特性：

可重入是指同一个线程如果首次获得了这把锁，由于它是这把锁的拥有者，因此有权利再次获取这把锁，锁中有个变量记录重入的次数，如果是不可重入锁，那么第二次获得锁时，自己也会被锁挡住。

    private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
        // 获取锁
        reentrantLock.lock();
        try {
            log.info("进入主方法");
            m1();
        } finally {
            // 释放锁
            reentrantLock.unlock();
        }
    }

    public static void m1() {
        // 获取锁
        reentrantLock.lock();
        try {
            log.info("进入m1方法");
            m2();
        } finally {
            // 释放锁
            reentrantLock.unlock();
        }
    }

    public static void m2() {
        // 获取锁
        reentrantLock.lock();
        try {
            log.info("进入m2方法");
        } finally {
            // 释放锁
            reentrantLock.unlock();
        }
    }

成功获取了3次锁。
在这里插入图片描述

二、可打断特性：

在获取锁时，如果长时间未获取到锁，可以进行打断，但是加锁方式要改变，不能再使用 reentrantLock.lock() 进行加锁，而是使用 reentrantLock.lockInterruptibly() 进行加锁。


    private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                // 如果没有竞争则会获取对象锁，如果有竞争或进入阻塞队列，可以被其它线程用 interrupt 打断
                log.info("尝试获取锁");
                reentrantLock.lockInterruptibly();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                log.info("没有获取到锁，返回");
                return;
            }
            try {
                log.info("获取到锁");
            } finally {
                // 释放锁
                reentrantLock.unlock();
            }
        }, "线程t1");
        reentrantLock.lock();
        t1.start();
        sleep(1000);
        log.info("打断线程t1");
        t1.interrupt();
    }

打断过后不再继续获取锁！！！
在这里插入图片描述

三、锁超时特性：

避免无期限的等待，因此采用 reentrantLock.tryLock() 尝试获取锁，获取到就返回 true ，获取不到就返回false。

    private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.info("尝试获取锁");
            boolean isLock = reentrantLock.tryLock();
            if (!isLock) {
                log.warn("没有获取到锁，返回");
                return;
            }
            try {
                log.info("获取到锁");
            } finally {
                // 释放锁
                reentrantLock.unlock();
            }
        }, "线程t1");
        log.info("主线程先获取到锁");
        reentrantLock.lock();
        t1.start();
        t1.interrupt();
    }

由于主线程先获取到了锁，因此线程t1会获取失败：
在这里插入图片描述

还可以设置超时时间：

    private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.info("尝试获取锁");
            boolean isLock = false;
            try {
                isLock = reentrantLock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                log.warn("没有获取到锁，发生了异常，返回");
                return;
            }
            if (!isLock) {
                log.warn("没有获取到锁，返回");
                return;
            }
            try {
                log.info("获取到锁");
            } finally {
                // 释放锁
                reentrantLock.unlock();
            }
        }, "线程t1");
        log.info("主线程先获取到锁");
        reentrantLock.lock();
        t1.start();
    }

结果：此时没有打断锁，而是超时自动返回了。
在这里插入图片描述

再次演示，主线程设置2秒后释放锁，而线程t1等待4秒：

    private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.info("尝试获取锁");
            boolean isLock = false;
            try {
                isLock = reentrantLock.tryLock(4, TimeUnit.SECONDS);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                log.warn("没有获取到锁，发生了异常，返回");
                return;
            }
            if (!isLock) {
                log.warn("没有获取到锁，返回");
                return;
            }
            try {
                log.info("获取到锁");
            } finally {
                // 释放锁
                reentrantLock.unlock();
            }
        }, "线程t1");
        log.info("主线程先获取到锁");
        reentrantLock.lock();
        t1.start();
        sleep(2000);
        reentrantLock.unlock();
        log.info("主线程先释放了锁");
    }

结果：主线程先加锁，2秒后才释放锁，由于线程t1一直在等待，在主线程释放锁的一瞬间，线程t1立马获取锁成功。
在这里插入图片描述

四、锁公平性特性：

ReentrantLock 默认是不公平的，即等待锁的线程，并不是按顺序排队，有可能后来的线程会先获取到锁。但是 ReentrantLock 可以通过构造方法设置是否公平。

    // ReentrantLock 底层构造方法
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

	ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true);

（续）

由于篇幅过长，因此对本笔记进行了拆分，其余部分随此链接查看：
https://blog.csdn.net/weixin_44780078/article/details/130753056