java并发（一）：线程基础篇
线程的创建很简单，一般是集成Thread类或者实现Runnable接口，我就不细说了。然后，要牢记多线程的3大特性：多线程的三个特性：原子性、可见性、有序性 原子性：是指一个操作是不可中断的。即使是多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程干扰。比如，对于一个静态全局变量int i，两个线程同时对它赋值，线程A给他赋值为1，线程B给他赋值为-1。那么不管这两个线程以何种方式。何种步调工作，i的值要么是1，要么是-1.线程A和线程B之间是没有干扰的。这就是原子性的一个特点，不可被中断。 可见性：是指当一个线程修改了某一个共享变量的值，其他线程是否能够立即知道这个修改。显然，对于串行来说，可见性问题是不存在的。 有序性：在并发时，程序的执行可能会出现乱序。给人的直观感觉就是：写在前面的代码，会在后面执行。有序性问题的原因是因为程序在执行时，可能会进行指令重排，重排后的指令与原指令的顺序未必一致。 而共享变量的写操作出错，最重要的是原子性，一般多线程的问题主要抓住这个。 线程安全问题 一般多线程编程都会遇到线程安全的问题，线程安全总体来说是因为多个线程竞争共享资源造成的。比如： public class Test{ private int num = 0; public void add(int value){ this.num = this.num + value; } } 两个线程分别加了2和3到count变量上，两个线程执行结束后count变量的值应该等于5。如果两个线程同时执行这个对象的add()方法，会造成这种现象：线程A先读到num为0，此时恰好线程B也读到num为0，然后A，B同时执行加2和加3的操作，如果A先赋值num为2，然后B又赋值num为3，会造成最后结果为3；或者反过来，造成num为2，使得最后的结果无法预料。 如果线程并没有共享资源，那么多线程执行的代码是安全的，比如：类方法中局部变量或者局部对象引用 public class Test{ public void add(int value){ int num = 0; String a = new String("aa"); num = num + value; } } 还有一种安全的方法，就是每个线程都是执行同一个类不同对象的方法，虽然代码相同，但是不同的对象空间，也不会出现问题，如servlet。 线程状态 线程的状态实现通过 Thread.State 常量类实现，有 6 种线程状态：new（新建）、runnnable（可运行）、blocked（阻塞）、waiting（等待）、time waiting （定时等待）和 terminated（终止）。状态转换图如下： 线程状态流程大致如下： 线程创建后，进入 new 状态 调用 start 或者 run 方法，进入 runnable 状态 JVM 按照线程优先级及时间分片等执行 runnable 状态的线程。开始执行时，进入 running 状态 如果线程执行 sleep、wait、join，或者进入 IO 阻塞等。进入 wait 或者 blocked 状态 线程执行完毕后，线程被线程队列移除。最后为 terminated 状态。 ThreadLocal ThreadLocal与线程同步无关，它虽然提供了一种解决多线程环境下成员变量的问题，但是它并不是解决多线程共享变量的问题。 它的API介绍如下： 该类提供了线程局部 (thread-local) 变量。这些变量不同于它们的普通对应物，因为访问某个变量（通过其get 或 set 方法）的每个线程都有自己的局部变量，它独立于变量的初始化副本。ThreadLocal实例通常是类中的 private static 字段，它们希望将状态与某一个线程（例如，用户 ID 或事务 ID）相关联。 所以ThreadLocal与线程同步机制不同，线程同步机制是多个线程共享同一个变量，而ThreadLocal是为每一个线程创建一个单独的变量副本，故而每个线程都可以独立地改变自己所拥有的变量副本，而不会影响其他线程所对应的副本。可以说ThreadLocal为多线程环境下变量问题提供了另外一种解决思路。 ThreadLocal定义了四个方法： get()：返回此线程局部变量的当前线程副本中的值。 initialValue()：返回此线程局部变量的当前线程的“初始值”。 remove()：移除此线程局部变量当前线程的值。 set(T value)：将此线程局部变量的当前线程副本中的值设定为指定值。 除了这四个方法，ThreadLocal内部还有一个静态内部类ThreadLocalMap，该内部类才是实现线程隔离机制的关键，get()、set()、remove()都是基于该内部类操作。ThreadLocalMap提供了一种用键值对方式存储每一个线程的变量副本的方法，key为当前ThreadLocal对象，value则是对应线程的变量副本。 对于ThreadLocal需要注意的有两点： ThreadLocal实例本身是不存储值，它只是提供了一个在当前线程中找到副本值得key。 是ThreadLocal包含在Thread中，而不是Thread包含在ThreadLocal中，有些小伙伴会弄错他们的关系。 下图是Thread、ThreadLocal、ThreadLocalMap的关系 ThreadLocal示例 package com.xushu.multi; public class Test{ private static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>(){ // 实现initialValue() @Override protected Integer initialValue() { return 0; //这里返回了一个0 } }; public int nextSeq(){ count.set(count.get() + 1); return count.get(); } private static class SeqThread implements Runnable{ private Test te; SeqThread(Test te) { this.te = te; } @Override public void run() { for(int i = 0; i < 3; i++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " seqCount :" + te.nextSeq()); } } } public static void main(String[] args) { Test te = new Test(); Thread t1 = new Thread(new SeqThread(te)); Thread t2 = new Thread(new SeqThread(te)); Thread t3 = new Thread(new SeqThread(te)); Thread t4 = new Thread(new SeqThread(te)); t1.start(); t2.start(); t3.start(); t4.start(); } } 可以看出，每个线程都有自己的一个变量副本，所以从根本上避免了读同一个变量。但是，如果在initialValue()方法中，如果return的是一个共有变量，那就是所有的线程都访问同一个变量了，所以ThreadLocal就失效了。这篇文章有解析。 ThreadLocal源码解析 ThreadLocal虽然解决了这个多线程变量的复杂问题，但是它的源码实现却是比较简单的。ThreadLocalMap是实现ThreadLocal的关键，我们先从它入手。 ThreadLocalMap ThreadLocalMap其内部利用Entry来实现key-value的存储，如下： static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> { /** The value associated with this ThreadLocal. */ Object value; Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) { super(k); value = v; } } 从上面代码中可以看出Entry的key就是ThreadLocal，而value就是值。同时，Entry也继承WeakReference，所以说Entry所对应key（ThreadLocal实例）的引用为一个弱引用（关于弱引用这里就不多说了，感兴趣的可以关注这篇博客Java 理论与实践: 用弱引用堵住内存泄漏） ThreadLocalMap的源码稍微多了点，我们就看两个最核心的方法getEntry()、set(ThreadLocal> key, Object value)方法。set(ThreadLocal> key, Object value) private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) { ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table; int len = tab.length; // 根据 ThreadLocal 的散列值，查找对应元素在数组中的位置 int i = key.threadLocalHashCode & (len-1); // 采用“线性探测法”，寻找合适位置 for (ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) { ThreadLocal<?> k = e.get(); // key 存在，直接覆盖 if (k == key) { e.value = value; return; } // key == null，但是存在值（因为此处的e != null），说明之前的ThreadLocal对象已经被回收了 if (k == null) { // 用新元素替换陈旧的元素 replaceStaleEntry(key, value, i); return; } } // ThreadLocal对应的key实例不存在也没有陈旧元素，new 一个 tab[i] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(key, value); int sz = ++size; // cleanSomeSlots 清楚陈旧的Entry（key == null） // 如果没有清理陈旧的 Entry 并且数组中的元素大于了阈值，则进行 rehash if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) rehash(); } 这个set()操作和我们在集合了解的put()方式有点儿不一样，虽然他们都是key-value结构，不同在于他们解决散列冲突的方式不同。集合Map的put()采用的是拉链法，而ThreadLocalMap的set()则是采用开放定址法（具体请参考散列冲突处理系列博客）。掌握了开放地址法该方法就一目了然了。 set()操作除了存储元素外，还有一个很重要的作用，就是replaceStaleEntry()和cleanSomeSlots()，这两个方法可以清除掉key == null 的实例，防止内存泄漏。在set()方法中还有一个变量很重要：threadLocalHashCode，定义如下： private final int threadLocalHashCode = nextHashCode(); 从名字上面我们可以看出threadLocalHashCode应该是ThreadLocal的散列值，定义为final，表示ThreadLocal一旦创建其散列值就已经确定了，生成过程则是调用nextHashCode()： private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger(); private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647; private static int nextHashCode() { return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT); } nextHashCode表示分配下一个ThreadLocal实例的threadLocalHashCode的值，HASH_INCREMENT则表示分配两个ThradLocal实例的threadLocalHashCode的增量，从nextHashCode就可以看出他们的定义。 private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) { int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1); Entry e = table[i]; if (e != null && e.get() == key) return e; else return getEntryAfterMiss(key, i, e); } 由于采用了开放定址法，所以当前key的散列值和元素在数组的索引并不是完全对应的，首先取一个探测数（key的散列值），如果所对应的key就是我们所要找的元素，则返回，否则调用getEntryAfterMiss()，如下： private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) { Entry[] tab = table; int len = tab.length; while (e != null) { ThreadLocal<?> k = e.get(); if (k == key) return e; if (k == null) expungeStaleEntry(i); else i = nextIndex(i, len); e = tab[i]; } return null; } 这里有一个重要的地方，当key == null时，调用了expungeStaleEntry()方法，该方法用于处理key == null，有利于GC回收，能够有效地避免内存泄漏。 get() 返回当前线程所对应的线程变量 public T get() { // 获取当前线程 Thread t = Thread.currentThread(); // 获取当前线程的成员变量 threadLocal ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) { // 从当前线程的ThreadLocalMap获取相对应的Entry ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); if (e != null) { @SuppressWarnings("unchecked") // 获取目标值 T result = (T)e.value; return result; } } return setInitialValue(); } 首先通过当前线程获取所对应的成员变量ThreadLocalMap，然后通过ThreadLocalMap获取当前ThreadLocal的Entry，最后通过所获取的Entry获取目标值result。 getMap()方法可以获取当前线程所对应的ThreadLocalMap，如下： ThreadLocalMap getMap(Thread t) { return t.threadLocals; } set(T value) 设置当前线程的线程局部变量的值。 public void set(T value) { Thread t = Thread.currentThread(); ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) map.set(this, value); else createMap(t, value); } 获取当前线程所对应的ThreadLocalMap，如果不为空，则调用ThreadLocalMap的set()方法，key就是当前ThreadLocal，如果不存在，则调用createMap()方法新建一个，如下： void createMap(Thread t, T firstValue) { t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue); } initialValue() 返回该线程局部变量的初始值。 protected T initialValue() { return null; } 该方法定义为protected级别且返回为null，很明显是要子类实现它的，所以我们在使用ThreadLocal的时候一般都应该覆盖该方法。该方法不能显示调用，只有在第一次调用get()或者set()方法时才会被执行，并且仅执行1次。 remove() 将当前线程局部变量的值删除。 public void remove() { ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread()); if (m != null) m.remove(this); } 该方法的目的是减少内存的占用。当然，我们不需要显示调用该方法，因为一个线程结束后，它所对应的局部变量就会被垃圾回收。 参考文献 1.并发编程网
