C/C++教程
【JUC】一些线程基础
1.Java 内存模型
1.什么是 Java 内存模型？
Java 内存模型简称为 JMM（Java Memory Model）,是和多线程相关的一组规范，需要各个 JVM 来遵守实现
2.为什么需要 JMM?
有了 JMM 就可以让程序在 windows 和 Linux 上有一样的执行效果，即屏蔽了底层的差异，实现 Write Once,Run Anywhere !，并且解决了 CPU 多级缓存、处理器优化、指令重排等导致的结果不可预期的问题。
3.什么是指令重排序？
编译器、JVM 或者 CPU 都有可能出于优化等目的，对于实际指令执行的顺序进行调整，这就是重排序
4.为什么要重排序？
提高整体的运行速度
5.重排序的 3 种情况
- 编译器优化
- CPU 重排序
- 内存的“重排序”
6.主内存和工作内存
- CPU 多级缓存示意图
线程间对于共享变量的可见性问题，是由我们刚才讲到的这些 L3 缓存、L2 缓存、L1 缓存，也就是多级缓存引起的：每个核心在获取数据时，都会将数据从内存一层层往上读取，同样，后续对于数据的修改也是先写入到自己的 L1 缓存中，然后等待时机再逐层往下同步，直到最终刷回内存。
- 什么是主内存和工作内存？
主内存和工作内存的关系
JMM 有以下规定：
- 所有的变量都存储在主内存中，同时每个线程拥有自己独立的工作内存，而工作内存中的变量的内容是主内存中该变量的拷贝；
- 线程不能直接读 / 写主内存中的变量，但可以操作自己工作内存中的变量，然后再同步到主内存中，这样，其他线程就可以看到本次修改；
- 主内存是由多个线程所共享的，但线程间不共享各自的工作内存，如果线程间需要通信，则必须借助主内存中转来完成。
7.volatile 和 synchronized 有什么区别？
volatile 是 Java 中的一个关键字，是一种同步机制，它可以保证共享变量的可见性(禁用 CPU 缓存)，也可以禁止指令重排序,保障有序性
synchronized 是由 CPU 原语层面支持的锁机制，既复合 happens-before 规则保证了可见性，也保证了操作的原子性
8.并发编程 Bug 的源头
1.线程切换带来的原子性问题-->使用同步锁
2.多核 CPU 带来的缓存可见性问题-->利用好 happen-before 原则
3.编译优化带来的指令重排序问题--->使用 volatile
2.线程
创建线程的 3 种方式
public class HelloThread {
// 1.继承 Thread 类，重写 Run 方法
static class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("hello extends thread");
}
}
//2.实现 Runnable 接口，重写 Run 方法
static class MyThread01 implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("hello implements runnable");
}
}
//3.使用 lambda 表达式
public static void main(String[] args) {
new MyThread().start();
new Thread(new MyThread01()).start();
//lambda 表达式
new Thread(() -> {
System.out.println("hello lambda");
}).start();
}
}
启动线程的 4 种方式
1.继承 Thread 类
2.实现 Runnable 接口(推荐，主要是因为有利于类的扩展)
3.使用 lambda 表达式
4.使用线程池，让一个线程启动
3.如何正确停止线程？(使用 interrupt)
使用 interrupt 通知线程停止，禁止使用已经被舍弃的 stop()、suspend() 和 resume()
但是 interrupt 仅仅起到通知线程停止的作用，线程可以选择停止，也可以选择不停止
为什么 Java 不提供强制停止线程的能力呢？
Java 希望程序间能够相互通知、相互协作地管理线程，因为如果不了解对方正在做的工作，贸然强制停止线程就可能会造成一些安全的问题，为了避免造成问题就需要给对方一定的时间来整理收尾工作
如何用 interrupt 停止线程
Sleep 期间是否可以感受到中断信号？
- 可以的，并且会抛出 InterruptException 异常，但是需要注意抛出异常的同时，会清除中断的标记位，所以在 catch 块里需要重新打上中断标记位，如上图所示。
- 如果在 sleep 期间，响应了中断，那么当前线程会抛出中断异常，并继续往下执行，在某种程度上也算是一种唤醒
休眠期间响应中断的 2 种最佳处理方式
- 抛出异常，让本方法的调用者继续处理
- 在 catch 块里重新打上中断标记位
为什么 volatile 标记位的停止方法在某些场景下错误的？
正确的场景
public class VolatileInterrupt implements Runnable {
private volatile boolean cancled = false;
@Override
public void run() {
int num = 0;
while (!cancled) {
System.out.println(num++);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VolatileInterrupt runable = new VolatileInterrupt();
Thread task = new Thread(runable);
task.start();
Thread.sleep(5000);
runable.cancled = true;
System.out.println("Main Thread Is Over");
}
}
在生产者消费者模型下失效的场景
原因：生产者在执行 storage.put(num) 时发生阻塞，在它被叫醒之前是没有办法进入下一次循环判断 canceled 的值的，所以在这种情况下用 volatile 是没有办法让生产者停下来的，相反如果用 interrupt 语句来中断，即使生产者处于阻塞状态，仍然能够感受到中断信号，并做响应处理
// 生产者
class Producer implements Runnable {
public volatile boolean canceled = false;
BlockingQueue storage;
public Producer(BlockingQueue storage) {
this.storage = storage;
}
@Override
public void run() {
int num = 0;
try {
while (num <= 100000 && !canceled) {
if (num % 50 == 0) {
storage.put(num);
System.out.println(num + "50 的倍数,被放到仓库中了。");
}
num++;
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("生产者结束运行");
}
}
}
//消费者
class Consumer {
BlockingQueue storage;
public Consumer(BlockingQueue storage) {
this.storage = storage;
}
public boolean needMoreNums() {
if (Math.random() > 0.97) {
return false;
}
return true;
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ArrayBlockingQueue storage = new ArrayBlockingQueue(8);
Producer producer = new Producer(storage);
Thread producerThread = new Thread(producer);
producerThread.start();
Thread.sleep(500);
Consumer consumer = new Consumer(storage);
while (consumer.needMoreNums()) {
System.out.println(consumer.storage.take() + "被消费了");
Thread.sleep(100);
}
System.out.println("消费者不需要更多数据了。");
//一旦消费不需要更多数据了，我们应该让生产者也停下来，但是实际情况却停不下来
producer.canceled = true;
System.out.println(producer.canceled);
}
}
4.六种线程状态之间的转换(必须要熟练背过！！！)
- New（新创建）
- Runnable（可运行）
- Blocked（被阻塞）
- Waiting（等待）
- Timed Waiting（计时等待）
- Terminated（被终止）
Yield 方法
临时暂停执行，再次回到 CPU 时间竞争队列中，等待 CPU 分配时间片
Synchronized 是可重入的
//在指定对象上加锁
synchronized doSomething1() {
count++;
}
/**
* 锁定当前对象
*
*/
synchronized doSomething2() {
count++;
doSomething1();
}
5.wait/notify/notifyAll 方法的使用注意事项？
- 为什么 wait 方法必须在 synchronized 保护的同步代码中使用？
源代码注释：
英文部分的意思是说，在使用 wait 方法时，必须把 wait 方法写在 synchronized 保护的 while 代码块中，并始终判断执行条件是否满足，如果满足就往下继续执行，如果不满足就执行 wait 方法，而在执行 wait 方法之前，必须先持有对象的 monitor 锁
这样设计有什么好处呢？分析如下代码
class BlockingQueue {
Queue<String> buffer = new LinkedList<String>();
public void give(String data) {
buffer.add(data);
notify(); // Since someone may be waiting in take
}
public String take() throws InterruptedException {
while (buffer.isEmpty()) {
wait();
}
return buffer.remove();
}
}
由于
这段代码在 CPU 层面并不是原子操作，可能会存在这样的场景：判断完 isEmpty 返回 true,发生线程切换，此时完整执行了 give()方法，因此也执行了 notify（）方法，但此时 take 线程还没有执行到 wait(）方法，也就是 notify()方法是没有效果的，而此时 take 获得了 CPU 时间片，执行了 wait()方法，那么这种情况下 take 线程会陷入无休止的等待状态，因为他完美的错过了 notify 的唤醒
- 为什么 wait/notify/notifyAll 被定义在 Object 类中，而 sleep 定义在 Thread 类中？
- 在 Java 中，每个对象都有一个可以上锁的叫做 monitor 的监视器锁，，在对象头中有一个位置来保存锁信息，这个锁是对象级别的，Object 是所有对象的父类，所以把这些方法定义在 Object 类中较为合适
- 一个线程可能会持有多把锁，来实现较为复杂的逻辑，把锁定义在 Thread 类中，不合适
- wait/notify 和 sleep 方法的异同？
相同点
- 它们都可以让线程阻塞。
- 它们都可以响应 interrupt 中断：在等待的过程中如果收到中断信号，都可以进行响应，并抛出 InterruptedException 异常。
不同点
- 获取锁：wait 方法必须在 synchronized 保护的代码中使用，而 sleep 方法并没有这个要求。
- 释放锁：在同步代码中执行 sleep 方法时，并不会释放 monitor 锁，但执行 wait 方法时会主动释放 monitor 锁。
- 设置时间：sleep 方法中会要求必须定义一个时间，时间到期后会主动恢复，而对于没有参数的 wait 方法而言，意味着永久等待，直到被中断或被唤醒才能恢复，它并不会主动恢复。
- 所属类****：wait/notify 是 Object 类的方法，而 sleep 是 Thread 类的方法。
6.三种实现生产者消费者模型的方法
1.BlockQueue(最简单)
public static void main(String[] args) {
//线程安全的阻塞队列
BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
Thread producer = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while(true){
try {
Thread.sleep(1000);
queue.put(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}, "Producer");
Thread consumer = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while(true) {
try {
Thread.sleep(1000);
queue.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}, "consumer");
producer.start();
consumer.start();
}
2.Condition
要点：使用可重入锁，unlock 一定要写在 finally 里面，new 两个 condition，注意 while 自旋检查队列长度
public class ConditionTest {
static LinkedList<Integer> queue = new LinkedList<>();
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
static Condition notEmpty = lock.newCondition();
static Condition notFull = lock.newCondition();
static class Consumer implements Runnable {
@Override
public void run() {
while(true) {
lock.lock();
try {
Thread.sleep(1000);
while (queue.size() == 0) {
notEmpty.await();
}
queue.pollLast();
notFull.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
}
static class Producer implements Runnable {
@Override
public void run() {
while(true) {
lock.lock();
try {
Thread.sleep(1000);
while (queue.size() == 10) {
notFull.await();
}
queue.offer(10);
notEmpty.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Producer(), "Producer-1").start();
new Thread(new Producer(), "Producer-2").start();
new Thread(new Consumer(), "Consumer>>>>>1").start();
new Thread(new Consumer(), "Consumer>>>>>2").start();
}
}
3.Wait/notify
要点：一把锁与 Synchronized 搭配使用，注意 While 自旋检查队列长度
public class WaitNotifyTest {
private static final Object lock = new Object();
private static LinkedList<Integer> queue = new LinkedList<>();
static class Producer implements Runnable {
@Override
public void run() {
while(true) {
synchronized (lock) {
while (queue.size() == 10) {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
queue.offer(1);
lock.notifyAll();
}
}
}
}
static class Consumer implements Runnable {
@Override
public void run() {
while(true) {
synchronized (lock) {
while (queue.size() == 0) {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
queue.pollLast();
lock.notifyAll();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Producer(),"Producer-1").start();
new Thread(new Producer(),"Producer-2").start();
new Thread(new Consumer(),"Consumer>>>1").start();
new Thread(new Consumer(),"Consumer>>>2").start();
}
}
7.为什么多线程会带来性能问题?
什么是性能问题？
表现为响应时间慢，吞吐量低，内存占用过高等
为什么多线程会带来性能问题？
1.调度开销(会发生上下文切换，和可能发生缓存失效)
上下文切换：在实际开发中，线程数远远高于 CPU 核数，为了尽量让每一个线程都得到执行，操作系统会按照调度算法给每一个线程分配时间片，让每一个线程都有机会得到执行。进行调度时就会引起上下文切换，上下文切换会挂起当前正在执行的线程并保存当前的状态，然后寻找下一处即将恢复执行的代码，唤醒下一个线程，以此类推，反复执行。但上下文切换带来的开销是比较大的
缓存失效：一旦进行了线程调度，切换到其他线程，CPU 就会去执行不同的代码，原有的缓存就很可能失效了，需要重新缓存新的数据，这也会造成一定的开销，所以线程调度器为了避免频繁地发生上下文切换，通常会给被调度到的线程设置最小的执行时间，也就是只有执行完这段时间之后，才可能进行下一次的调度，由此减少上下文切换的次数
2.协作开销
线程之间如果有共享数据，为了避免数据错乱，为了保证线程安全，就有可能禁止编译器和 CPU 对其进行重排序等优化，也可能出于同步的目的，反复把线程工作内存的数据 flush 到主存中，然后再从主内存 refresh 到其他线程的工作内存中，等等
那么什么情况会导致密集的上下文切换?
- 程序频繁地竞争锁，
- IO 读写等原因导致频繁阻塞
8.synchronized
Synchronized 不能使用的锁对象
String 常量，
Integer
Long 等基础数据类型
Synchronized 优化
细化锁，即减小锁的范围
锁对象发生变化，则锁失效
要避免将锁对象发生变化
锁定方法和非锁定方法是可以同时执行的
Synchronized 有锁升级的概念
偏向锁->自旋锁->重量级锁，因此 Synchronized 的性能在某些场景下性能并不比 Atomicxx 这些类差，反而可能更好
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