关于多线程的理解

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前言

Java多线程是Java编程中一个非常重要的概念，它允许程序同时执行多个任务。这对于提高程序的效率、响应速度和实现复杂的并发处理至关重要。

一、线程的基本概念？

线程

线程是程序执行流的最小单元。一个进程中可以包含多个线程，每个线程都运行在进程的上下文中，并共享进程的资源（如内存、文件句柄等）。

并发与并行

并发是指两个或多个事件在同一时间段内发生，而并行是指两个或多个事件在同一时刻同时发生。在多核CPU上，线程可以真正并行执行；在单核CPU上，通过时间片轮转，实现了线程的并发执行。

线程创建

继承Thread类；实现Runnable接口；实现Callable接口

线程同步

由于多个线程共享进程资源，可能会引发数据不一致的问题，因此需要线程同步机制来控制对共享资源的访问。Java提供了以下几种同步机制：
synchronized关键字 可以用于方法或代码块，确保同一时间只有一个线程可以执行该段代码。
Lock接口 java.util.concurrent.locks.Lock提供比synchronized更灵活的锁定机制，允许尝试锁定、定时锁定以及公平性锁等

线程间通信

wait(), notify(), notifyAll() 这些方法用于线程间的等待/通知机制，必须在同步代码块或同步方法中使用。
join() 让当前线程等待调用join方法的线程结束后再继续执行。
线程池 通过ExecutorService接口和它的实现类（如ThreadPoolExecutor）来管理和控制线程，以提高资源利用率和响应速度

线程状态

新建（New） 线程被创建但尚未启动。
可运行（Runnable） 线程可以在任何时刻被JVM选中执行。
阻塞（Blocked） 等待获取监视器锁，以便进入同步区域执行。
等待（Waiting） 无限期等待直到被其他线程显式唤醒，或者调用了Object.wait()。
超时等待（Timed Waiting） 类似于等待状态，但可以在指定时间内自行返回，如通过Thread.sleep(long millis)。
终止（Terminated） 线程已结束执行。

二、创建线程的方式

1.继承Thread类

创建一个新的类继承Thread类，重写其run()方法，在这个方法中定义需要并行执行的代码。然后创建该类的实例，并调用start()方法启动线程。

代码如下（示例）：

class MyThread extends Thread {public void run() {System.out.println("通过继承Thread类创建线程");}
}MyThread t = new MyThread();
t.start();

2.实现Runnable接口

创建一个类实现Runnable接口，实现run()方法，然后将该类的实例作为参数传递给Thread类的构造器，创建Thread对象后调用start()方法启动线程。

代码如下（示例）：

class MyRunnable implements Runnable {public void run() {System.out.println("通过实现Runnable接口创建线程");}
}Thread t = new Thread(new MyRunnable());
t.start();

3.实现Callable接口

在Java中，除了继承Thread类和实现Runnable接口之外，还可以通过实现Callable接口结合Future和ExecutorService来创建线程。这种方式相比前两者提供了更强大的功能，特别是能够获取线程执行的结果并且可以处理异常。

Callable接口类似于Runnable，但提供了返回结果和抛出异常的能力。它有一个抽象方法call()，该方法可以返回结果并声明抛出异常。

import java.util.concurrent.Callable;public class MyCallable implements Callable<Integer> {@Overridepublic Integer call() throws Exception {int sum = 0;for (int i = 0; i < 100; i++) {sum += i;}return sum; // 可以返回计算结果}
}

Future接口
Future接口代表异步计算的结果。它提供了检查计算是否完成、获取计算结果、取消计算等方法。

ExecutorService接口
ExecutorService是一个更高级的线程管理工具，它是java.util.concurrent.Executor接口的实现，可以用来管理Runnable和Callable任务的执行。

下面是如何使用Callable、Future和ExecutorService创建并执行线程的例子：

代码如下（示例）：

import java.util.concurrent.*;public class CallableAndFutureExample {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {// 创建一个线程池ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();// 提交Callable任务并获取Future对象Future<Integer> future = executorService.submit(new MyCallable());// 在这里，主线程可以继续执行其他任务，不必等待计算完成// 获取并打印结果，如果计算未完成则会阻塞直到有结果System.out.println("结果为: " + future.get());// 关闭线程池executorService.shutdown();}
}

在这个例子中，我们创建了一个MyCallable类实现了Callable接口，用于计算0到99的和。然后通过ExecutorService的submit(Callable task)方法提交任务并立即返回一个Future对象。我们可以使用future.get()来获取异步计算的结果，此方法会阻塞直到结果可用。最后，记得关闭ExecutorService来释放资源。

通过这种方式，Java提供了更灵活、功能更全面的多线程编程模型，特别适合需要获取线程执行结果或需要处理线程中抛出异常的场景。

三、synchronized和volatile区别？

volatile和synchronized都是Java中用于实现线程同步和保证数据一致性的关键字，但它们的工作机制、使用场景和提供的保证各不相同：

volatile

作用范围： volatile只能应用于变量，不能用于方法或代码块。
保证特性： 它保证了变量的可见性和有序性，但不保证原子性。这意味着一旦一个线程修改了volatile变量，其他线程可以立即看到这个修改。同时，可以防止指令重排优化，确保程序按照预期的顺序执行。
性能： 相比于synchronized，使用volatile变量通常具有更好的性能，因为它不会引起线程的阻塞。
适用场景： 适用于那些读多写少、只需保证可见性而不涉及复杂同步操作的场景，比如标志位、双重检查锁定中的非volatile变量初始化检查等。

synchronized

作用范围： synchronized可以应用于方法、代码块或者静态方法，范围更广泛。
保证特性： synchronized不仅保证了可见性和有序性，还确保了原子性，即在synchronized代码块或方法内的操作不会被其他线程打断，实现了线程安全。
==性能：==由于其通过互斥锁机制实现同步，可能会导致线程的阻塞和上下文切换，因此在某些情况下性能不如volatile。
内存开销与阻塞： 使用synchronized会有额外的内存开销，因为它涉及到锁的获取与释放。当一个线程获取到锁时，其他请求锁的线程将会阻塞，直到锁被释放。
适用场景：适用于需要保护的临界区操作，如对集合的修改、多线程间的协作控制等复杂同步逻辑。

四、synchronized和lock（CAS）的区别和案例场景

synchronized和基于CAS（Compare and Swap）的Lock机制（如ReentrantLock）在Java中都是用于实现线程同步和解决并发问题的工具，但它们在实现原理、使用方式和特性上有所不同。

区别

实现机制
synchronized是Java语言层面的原生支持，基于JVM层面的Monitor对象来实现，通过进入和退出Monitor来实现同步控制。
基于CAS的Lock，如ReentrantLock，是Java并发包java.util.concurrent.locks中的接口实现，它依赖于AbstractQueuedSynchronizer（AQS）框架，使用自旋、阻塞队列等技术，并通过CPU级别的CAS指令来实现乐观锁，以达到线程同步的目的。

锁的获取与释放
synchronized自动管理锁的获取和释放。对于非静态同步方法或同步代码块，锁与对象实例相关联；对于静态同步方法，锁与类的Class对象关联。当同步块或方法执行完毕，无论是正常结束还是异常结束，JVM都会自动释放锁。
使用Lock接口（如ReentrantLock），需要手动调用lock()获取锁，unlock()释放锁。这要求程序员必须在合适的时机手动释放锁，否则可能导致死锁。

公平性
synchronized锁默认是非公平的，即等待的线程获取锁的顺序不确定，可能会导致某些线程长时间等待（饥饿现象）。
ReentrantLock允许选择公平策略，通过构造函数指定是否为公平锁。公平锁会按照线程等待的先后顺序分配锁，减少饥饿现象，但可能会影响性能。

性能与可中断性
synchronized在早期版本中性能较差，但在Java 6之后有了显著优化，如偏向锁、轻量级锁等机制，性能与Lock差距缩小。
Lock提供了更灵活的锁等待机制，如tryLock()方法尝试获取锁而不阻塞，以及支持可中断的等待（tryLock(long time, TimeUnit unit)），提高了并发控制的灵活性和响应性。

案例场景

synchronized场景
当需要简单的线程同步，且锁的生命周期与同步代码块或方法紧密相关时，使用synchronized更为简洁便利。例如，保护一个共享资源的读写操作，防止数据不一致问题。

Lock（如ReentrantLock）场景
当需要更细粒度的锁控制，如尝试获取锁、可中断的等待、公平锁等高级特性时，选择Lock更为合适。例如，在构建高性能的并发组件、需要控制锁的持有时间以减少阻塞时，或者需要精确控制锁的释放时机，比如在finally块中释放锁以确保异常安全。

五、sleep方法和wait方法有什么区别

sleep方法和wait方法在Java中都用于暂停线程的执行，但它们之间存在几个关键区别：

来源与所属
sleep方法属于Thread类，是一个静态方法，这意味着它可以被任何线程调用，且作用于当前执行该方法的线程。
wait方法属于Object类，是一个实例方法，必须在某个对象上调用。这意味着要调用wait，线程必须已经拥有了该对象的监视器（即执行同步代码块或方法时）。

锁的处理
当线程调用sleep方法时，它不会释放任何锁。即使在同步代码块或方法中调用sleep，当前线程仍会保持它所持有的锁。
调用wait方法会导致当前线程释放它所持有的对象的监视器锁，从而使其他等待该对象锁的线程有机会执行。这促进了线程间的交互与通信。

唤醒机制
sleep方法会根据指定的时间让线程暂停执行，时间结束后线程会自动恢复执行，无需其他线程干预。
wait方法使线程等待，直到其他线程调用同一个对象上的notify()或notifyAll()方法来唤醒它。如果没有指定等待时间，wait会一直等待，直到被通知。

异常处理
sleep方法声明抛出InterruptedException，当线程在等待期间被中断时会抛出此异常。调用者可以选择捕获并处理这个异常。
wait方法同样声明抛出InterruptedException，但实践中通常在调用wait时不需要显式捕获这个异常。

使用场景
sleep通常用于让当前线程暂停执行一段时间，以避免过于频繁的操作或让出CPU给其他线程，不涉及线程间的通信。
wait主要用于线程间的同步，当一个线程需要等待某个条件满足时（通常由其他线程改变该条件），会调用对象的wait方法，等待其他线程通过notify或notifyAll来唤醒。

总结来说，sleep主要用于让线程自身暂时休息，不涉及线程间的交互，而wait则是线程间同步和通信的重要手段，需要与notify/notifyAll一起使用来协调线程之间的执行顺序。

六、ThreadLocal作用和实现方式?ThreadLocal会不会发生内存泄漏?

ThreadLocal的作用

ThreadLocal主要用于创建线程局部变量。它的主要特点和作用包括：

线程隔离：每个线程都有自己的ThreadLocal变量副本，线程之间互不影响，这有助于避免多线程环境下的同步问题。
简化共享数据的访问：在多线程环境下，ThreadLocal可以为每个线程提供独立的变量副本，减少了线程间的数据传递和同步开销。
降低耦合度：它可以降低代码间尤其是跨类、跨层的耦合，使得变量的访问更加方便和安全。

实现方式

ThreadLocal的实现基于内部类ThreadLocalMap，这是一个定制化的哈希映射，键是ThreadLocal实例本身，值是各个线程需要保存的变量副本。每个线程都有一个这样的ThreadLocalMap，存储着属于自己的ThreadLocal变量副本。

当你通过ThreadLocal的set(value)方法设置值时，实际上是将这个值放入当前线程的ThreadLocalMap中，对应的键就是这个ThreadLocal实例。
当调用get()方法时，会从当前线程的ThreadLocalMap中根据ThreadLocal实例找到对应的值。
如果没有设置过值，通常get()会返回ThreadLocal的初始值（如果有提供的话）。

ThreadLocal与内存泄漏

ThreadLocal确实有可能引起内存泄漏，主要原因在于它的内部实现ThreadLocalMap。以下是可能导致内存泄漏的情况：

未清理的ThreadLocal引用
当ThreadLocal对象不再使用时，如果没有调用remove()方法，那么其对应的Entry（键值对）仍然会保留在ThreadLocalMap中。即使ThreadLocal实例本身被垃圾回收，但由于ThreadLocalMap的生命周期与线程相同，其Entry中的键（即弱引用的ThreadLocal实例）虽然会被回收，但value仍可能保持强引用状态，导致无法被垃圾回收。

线程池场景下的问题
在使用线程池的场景下，线程会被复用，如果ThreadLocal变量没有被正确清理，随着线程的反复使用，ThreadLocalMap中可能会积累大量不再使用的Entry，从而造成内存泄漏。

如何避免内存泄漏
ThreadLocalMap的设计中已经考虑到这种情况，也加上了一些防护措施：在ThreadLocal的get(),set(),remove()的时候都会清除线程ThreadLocalMap里所有key为null的value。