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。
package Daemon; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; @Slf4j(topic = "c.demo1") public class demo1 { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(() -> { while (true) { if (Thread.currentThread().isInterrupted()) { break; } } log.debug("结束"); }, "t1"); t1.setDaemon(true); t1.start(); Thread.sleep(1000); log.debug("结束"); } }
输出:
15:08:26 [main] c.demo1 - 结束 Process finished with exit code 0
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
五种状态
这是从 操作系统 层面来描述的
- 【初始状态】仅是在语言层面创建了线程对象,还未与操作系统线程关联
- 【可运行状态】(就绪状态)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】转换至【可运行状态】,会导致线程的上下文切换
- 【阻塞状态】
- 如果调用了阻塞 API,如 BIO 读写文件,这时该线程实际不会用到 CPU,会导致线程上下文切换,进入【阻塞状态】
- 等 BIO 操作完毕,会由操作系统唤醒阻塞的线程,转换至【可运行状态】
- 与【可运行状态】的区别是,对【阻塞状态】的线程来说只要它们一直不唤醒,调度器就一直不会考虑调度它们
- 【终止状态】表示线程已经执行完毕,生命周期已经结束,不会再转换为其它状态
六种状态
这是从 Java API 层面来描述的
- 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,注意,Java API 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 都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分
- TERMINATED 当线程代码运行结束
共享模型之管程
共享带来的问题
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?
package gc; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; @Slf4j(topic = "c.demo1") public class demo1 { 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.debug("{}",counter); } }
输出:
16:03:58 [main] c.demo1 - -1238
问题分析
以上的结果可能是正数、负数、零。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 // 自增 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:
临界区
- 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
- 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
竞态条件
多个线程在临界区内执行,由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测,称之为发生了竞态条件
synchronized 解决方案
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
package gc; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; @Slf4j(topic = "c.demo1") public class demo1 { static int counter = 0; static final 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.debug("{}",counter); } }
输出:
16:14:15 [main] c.demo1 - 0
改进:由面向过程改为面向对象
package gc; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; @Slf4j(topic = "c.demo1") public class demo1 { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Room room = new Room(); Thread t1 = new Thread(() -> { for(int i=0;i<5000;i++){ room.increment(); } },"t1"); Thread t2 = new Thread(() -> { for(int i=0;i<5000;i++){ room.decrement(); } },"t2"); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); log.debug("{}",room.getCounter()); } } class Room{ private int counter = 0; public void increment(){ synchronized (this){ counter++; } } public void decrement(){ synchronized (this){ counter--; } } public int getCounter(){ synchronized (this){ return counter; } } }
输出:
16:18:22 [main] c.demo1 - 0
方法上的 synchronized
- 加在成员方法上,锁住的是 this
- 加在静态方法上,锁住的是 类名.class
class Test{ public synchronized void test() { } } 等价于 class Test{ public void test() { synchronized(this) { } } }
class Test{ public synchronized static void test() { } } 等价于 class Test{ public static void test() { synchronized(Test.class) { } } }
变量的线程安全分析
成员变量和静态方法是否线程安全
- 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
局部变量是否线程安全
public static void test1() { int i = 10; i++; }
每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i,会在每个线程的栈帧内存中被创建多份,因此不存在共享,所以局部变量是线程安全的
常见的线程安全类
- String
- Integer
- StringBuffffer
- Random
- Vector
- Hashtable
- java.util.concurrent 包下的类
这里说它们是线程安全的是指,多个线程调用它们同一个实例的某个方法时,是线程安全的。也可以理解为
Hashtable table = new Hashtable(); new Thread(()->{ table.put("key", "value1"); }).start(); new Thread(()->{ table.put("key", "value2"); }).start();
- 它们的每个方法是原子的
- 但注意它们多个方法的组合不是原子的
不可变类线程安全性
String、Integer 等都是不可变类,因为其内部的状态不可以改变,因此它们的方法都是线程安全的
Monitor
Java 对象头
(以 32 位虚拟机为例)
-
普通对象
Klass Word:是一个指针,指向该对象从属的 class 类
-
数组对象
其中 Mark Word 结构为:
- hashcode:每个对象的哈希码
- age:垃圾回收时用到的分代年龄
- biased_lock:是否是偏向锁
- (01,00,10,11):表示加锁状态
Monitor(锁)
过程:
-
首先用一个指针试图将 obj 对象与操作系统中的 Monitor 对象关联。在正常状态下,Mark Word 存储了 hashcode,age等信息,并且加锁状态码为 “01” 表示并未与任何锁关联。但是一旦获得了锁,加锁状态码会改为 “10” 并且抛弃掉存储的 hashcode ,age 等信息,转而存储一个指向 Monitor 对象的指针(ptr_to_heavyweight_monitor),占30位
-
此时线程 Thread-2 指向 Monitor 中的 Owner 表示自己是这把锁现在的主人
-
当一个新的线程到来时(Thread-1),会先去检查此对象有没有关联 Monitor 对象,发现已经关联,继而检查 Monitor 对象中的 Owner 已经是 Thread-2 了,此时 Thread-1会跟Monitor 中的 EntryList(阻塞队列) 关联,进入 BLOCK 状态
-
Thread-2 执行完同步代码块的内容,然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁,竞争的时是非公平的
synchronized 优化原理
轻量级锁
轻量级锁的使用场景:如果一个对象虽然有多线程要加锁,但加锁的时间是错开的(也就是没有竞争),那么可以使用轻量级锁来优化。
轻量级锁对使用者是透明的,即语法仍然是 synchronized
假设有两个方法同步块,利用同一个对象加锁
static final Object obj = new Object(); public static void method1() { synchronized( obj ) { // 同步块 A method2(); } } public static void method2() { synchronized( obj ) { // 同步块 B } }
-
创建锁记录(Lock Record)对象,每个线程都的栈帧都会包含一个锁记录的结构,内部可以存储锁定对象的 Mark Word
-
让锁记录中 Object reference 指向锁对象,并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word,将 Mark Word 的值存入锁记录
-
如果 cas 替换成功,对象头中存储了 锁记录地址和状态 00 ,表示由该线程给对象加锁,这时图示如下
-
如果 cas 失败,有两种情况
-
如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁,这时表明有竞争,进入锁膨胀过程
-
如果是自己执行了 synchronized 锁重入,那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数
-
-
当退出 synchronized 代码块(解锁时)如果有取值为 null 的锁记录,表示有重入,这时重置锁记录,表示重入计数减一
-
当退出 synchronized 代码块(解锁时)锁记录的值不为 null,这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头
- 成功,则解锁成功
- 失败,说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁,进入重量级锁解锁流程
锁膨胀
如果在尝试加轻量级锁的过程中,CAS 操作无法成功,这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁(有竞争),这时需要进行锁膨胀,将轻量级锁变为重量级锁。
static Object obj = new Object(); public static void method1() { synchronized( obj ) { // 同步块 } }
-
当 Thread-1 进行轻量级加锁时,Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
-
这时 Thread-1 加轻量级锁失败,进入锁膨胀流程
-
即为 Object 对象申请 Monitor 锁,让 Object 指向重量级锁地址
-
然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED
-
-
当 Thread-0 退出同步块解锁时,使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头,失败。这时会进入重量级解锁流程,即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象,设置 Owner 为 null,唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程
自旋优化
重量级锁竞争的时候,还可以使用自旋来进行优化,如果当前线程自旋成功(即这时候持锁线程已经退出了同步块,释放了锁),这时当前线程就可以避免阻塞。
- 自旋会占用 CPU 时间,单核 CPU 自旋就是浪费,多核 CPU 自旋才能发挥优势。
- 在 Java 6 之后自旋锁是自适应的,比如对象刚刚的一次自旋操作成功过,那么认为这次自旋成功的可能性会高,就多自旋几次;反之,就少自旋甚至不自旋,总之,比较智能。
- Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能
偏向锁
轻量级锁在没有竞争时(就自己这个线程),每次重入仍然需要执行 CAS 操作。
Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化:只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头,之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争,不用重新 CAS。以后只要不发生竞争,这个对象就归该线程所有
例如:
static final Object obj = new Object(); public static void m1() { synchronized( obj ) { // 同步块 A m2(); } } public static void m2() { synchronized( obj ) { // 同步块 B m3(); } } public static void m3() { synchronized( obj ) { // 同步块 C } }
偏向状态
一个对象创建时:
- 如果开启了偏向锁(默认开启),那么对象创建后,markword 值为 0x05 即最后 3 位为 101,这时它的thread、epoch、age 都为 0
- 偏向锁是默认是延迟的,不会在程序启动时立即生效,如果想避免延迟,可以加 VM 参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟
- 如果没有开启偏向锁,那么对象创建后,markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001,这时它的 hashcode、age 都为 0,第一次用到 hashcode 时才会赋值
1) 测试延迟特性
2) 测试偏向锁
class Dog {}
利用 jol 第三方工具来查看对象头信息
// 添加虚拟机参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 public static void main(String[] args) throws IOException { Dog d = new Dog(); ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d); new Thread(() -> { log.debug("synchronized 前"); System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true)); synchronized (d) { log.debug("synchronized 中"); System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true)); } log.debug("synchronized 后"); System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true)); }, "t1").start(); }
输出:
11:08:58.117 c.TestBiased [t1] - synchronized 前 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 中 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101 11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 后 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101
3)测试禁用
在上面测试代码运行时在添加 VM 参数 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁
输出:
11:13:10.018 c.TestBiased [t1] - synchronized 前 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 中 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 00010100 11110011 10001000 11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 后 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
4)测试 hashCode
正常状态对象一开始是没有 hashCode 的,第一次调用才生成
撤销 – 调用对象 hashCode
调用了对象的 hashCode,但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id,如果调用 hashCode 会导致偏向锁被撤销
- 轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode
- 重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode
在调用 hashCode 后使用偏向锁,记得去掉 -XX:-UseBiasedLocking
输出:
11:22:10.386 c.TestBiased [main] - 调用 hashCode:1778535015 11:22:10.391 c.TestBiased [t1] - synchronized 前 00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001 11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 中 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 11000011 11110011 01101000 11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 后 00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001
撤销 – 其他线程使用对象
当有其它线程使用偏向锁对象时,会将偏向锁升级为轻量级锁
private static void test2() throws InterruptedException { Dog d = new Dog(); Thread t1 = new Thread(() -> { synchronized (d) { log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); } synchronized (TestBiased.class) { TestBiased.class.notify(); } // 如果不用 wait/notify 使用 join 必须打开下面的注释 // 因为:t1 线程不能结束,否则底层线程可能被 jvm 重用作为 t2 线程,底层线程 id 是一样的 /*try { System.in.read(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }*/ }, "t1"); t1.start(); Thread t2 = new Thread(() -> { synchronized (TestBiased.class) { try { TestBiased.class.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); synchronized (d) { log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); } log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); }, "t2"); t2.start(); }
输出:
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101 [t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101 [t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110101 11110000 01000000 [t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
撤销 – 调用 wait / notify
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Dog d = new Dog(); Thread t1 = new Thread(() -> { log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); synchronized (d) { log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); try { d.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); } }, "t1"); t1.start(); new Thread(() -> { try { Thread.sleep(6000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } synchronized (d) { log.debug("notify"); d.notify(); } }, "t2").start(); }
输出:
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 [t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110011 11111000 00000101 [t2] - notify [t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011100 11010100 00001101 11001010
批量重偏向
如果对象虽然被多个线程访问,但没有竞争,这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2,重偏向会重置对象的 Thread ID
当撤销偏向锁阈值超过 20 次后,jvm 会这样觉得,我是不是偏向错了呢,于是会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程
private static void test3() throws InterruptedException { Vector<Dog> list = new Vector<>(); Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 30; i++) { Dog d = new Dog(); list.add(d); synchronized (d) { log.debug(i + "/t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); } } synchronized (list) { list.notify(); } }, "t1"); t1.start(); Thread t2 = new Thread(() -> { synchronized (list) { try { list.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } log.debug("===============> "); for (int i = 0; i < 30; i++) { Dog d = list.get(i); log.debug(i + "/t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); synchronized (d) { log.debug(i + "/t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); } log.debug(i + "/t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); } }, "t2"); t2.start(); }
输出:
[t1] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t1] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t1] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t1] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t1] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t1] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t1] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t1] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t1] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t1] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t1] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t1] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t1] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t1] - 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24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 [t2] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 [t2] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t2] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 [t2] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 [t2] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t2] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 [t2] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 [t2] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t2] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 [t2] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 [t2] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 [t2] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 [t2] - 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批量撤销
当撤销偏向锁阈值超过 40 次后,jvm 会这样觉得,自己确实偏向错了,根本就不该偏向。于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的,新建的对象也是不可偏向的
static Thread t1,t2,t3; private static void test4() throws InterruptedException { Vector<Dog> list = new Vector<>(); int loopNumber = 39; t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < loopNumber; i++) { Dog d = new Dog(); list.add(d); synchronized (d) { log.debug(i + "/t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); } } LockSupport.unpark(t2); }, "t1"); t1.start(); t2 = new Thread(() -> { LockSupport.park(); log.debug("===============> "); for (int i = 0; i < loopNumber; i++) { Dog d = list.get(i); log.debug(i + "/t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); synchronized (d) { log.debug(i + "/t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); } log.debug(i + "/t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); } LockSupport.unpark(t3); }, "t2"); t2.start(); t3 = new Thread(() -> { LockSupport.park(); log.debug("===============> "); for (int i = 0; i < loopNumber; i++) { Dog d = list.get(i); log.debug(i + "/t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); synchronized (d) { log.debug(i + "/t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); } log.debug(i + "/t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true)); } }, "t3"); t3.start(); t3.join(); log.debug(ClassLayout.parseInstance(new Dog()).toPrintableSimple(true)); }