Java复习笔记（3）——多线程与并发（1）

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一：线程的实现

1. 继承 Thread 类

Thread 类本质上是实现了 Runnable 接口的一个实例，代表一个线程的实例。启动线程的唯一方法就是通过 Thread 类的 start()实例方法。start()方法是一个 native 方法，它将启动一个新线程，并执行 run()方法。

public class MyThread extends Thread { 
	public void run() { 
		System.out.println("MyThread.run()"); 
	}
}

//启动 MyThread，调用start()方法
	MyThread myThread1 = new MyThread(); 
	myThread1.start(); 

2. 实现 Runnable 接口

实现不需要返回值的任务，不能抛出异常，需要自己处理

• 适合多个相同的程序代码的线程去处理同一个资源
• 可以避免 java 中的单继承的限制
• 增加程序的健壮性，代码可以被多个线程共享，代码和数据独立
• 线程池只能放入实现 Runnable 或 callable 类线程，不能直接放入继承 Thread 的类
• Runnable 实现线程可以对线程进行复用，因为 Runnable 是轻量级的对象，重复 new 不会耗费太大资源，而 Thread 则不然，它是重量级对象，而且线程执行完就完了，无法再次利用

public class MyThread extends OtherClass implements Runnable { 
	public void run() { 
		System.out.println("MyThread.run()"); 
	} 
} 

//启动 MyThread，需要首先实例化一个 Thread，并传入自己的 MyThread 实例：
	MyThread myThread = new MyThread(); 
	Thread thread = new Thread(myThread); 
	thread.start(); 

3. 实现 Callable 接口

实现需要返回值的任务，可以抛出异常。

可以通过获取一个Future的对象，在该对象上调用get得到Callable任务返回的Object了，get方法是阻塞的

public class MyThread extends OtherClass implements Callable<Integer> { 
	public Integer call() throws Exception { 
		System.out.println("MyThread.run()"); 
		return 0;
	} 
} 

//启动 MyThread，需要首先实例化一个 Thread，并传入自己的 MyThread 实例：
	MyThread callableThread= new MyThread(); 
	FutureTask<Integer> myThread= new FutureTask<Integer>(callableThread);
	Thread thread = new Thread(myThread); 
	thread.start(); 
	System.out.println(myThread.get());

4. 基于线程池

使用缓存的策略，也就是使用线程池

// 创建线程池
	ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10); 	
	MyThread myThread1 = new MyThread(); 
//使用线程池的服务
	threadPool.execute(myThread1);

5. 有返回值线程=ExecutorService+Callable+Future

有返回值的任务实现 Callable 接口，执行Callable 任务后，可以获取一个 Future 的对象，在该对象上调用 get 就可以获取到 Callable 任务返回的 Object 了，再结合线程池接口 ExecutorService 就可以实现有返回结果的多线程了

//创建一个线程池
	ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(taskSize);
// 创建多个有返回值的任务
	List<Future> list = new ArrayList<Future>(); 
	for (int i = 0; i < taskSize; i++) { 
		Callable c = new MyCallable(i + " "); 
		// 执行任务并获取 Future 对象
		Future f = pool.submit(c); 
		list.add(f); 
	} 
// 关闭线程池
	pool.shutdown(); 
// 获取所有并发任务的运行结果
	for (Future f : list) { 
	// 从 Future 对象上获取任务的返回值，并输出到控制台
		System.out.println("res：" + f.get().toString()); 
		} 

二：线程的生命周期

在线程的生命周期中，线程要经过新建(New)、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞(Blocked)和死亡(Dead)5 种状态。当线程启动以后，它不可能一直"霸占"着 CPU 独自运行，所以 CPU 需要在多条线程之间切换，于是线程状态也会多次在运行、阻塞之间切换

1. 新建状态（NEW）

当程序使用 new 关键字创建了一个线程之后，该线程就处于新建状态，此时仅由 JVM 为其分配内存，并初始化其成员变量的值

2. 就绪状态（RUNNABLE）

当线程对象调用了 start()方法之后，该线程处于就绪状态。Java 虚拟机会为其创建方法调用栈和程序计数器，等待调度运行。

start 与 run 区别：

• 用 start() 方法来启动线程，真正实现了多线程运行。这时无需等待 run 方法体代码执行完毕，可以直接继续执行主线程下面的代码。 通过调用 Thread 类的 start()方法来启动一个线程时，此线程是处于就绪状态， 并没有运行。
• 方法 run() 称为线程体，它包含了要执行的这个线程的内容。当线程进入运行状态时运行 run 函数当中的代码。 Run 方法运行结束， 此线程终止。然后 CPU 再调度其它线程

3. 运行状态（RUNNING）

如果处于就绪状态的线程获得了 CPU，开始执行 run()方法的线程执行体，则该线程处于运行状态。

4. 阻塞状态（BLOCKED）：

线程因为某种原因放弃了 cpu 使用权，也即让出了 cpu timeslice，暂时停止运行。直到线程进入可运行(runnable)状态，才有机会再次获得 cpu timeslice 转到运行(running)状
态

（1）等待阻塞（wait->等待对列）：

运行中的线程执行 wait()方法，JVM 会把该线程放入等待队列(waitting queue)中。

（2）同步阻塞(lock->锁池)

运行中的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则 JVM 会把该线程放入锁池(lock pool)中。

（3）其他阻塞(sleep/join)

运行中的线程执行 Thread.sleep(long ms)或 t.join()方法，或者发出了 I/O 请求时，JVM 会把该线程置为阻塞状态。当 sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者 I/O处理完毕时，线程重新转入可运行状态。

sleep 与 wait 区别

• sleep()方法属于 Thread 类的静态方法，也就是说他只对当前对象有效；而 wait()方法属于Object 类的成员方法。
  sleep()方法导致了程序暂停执行指定的时间，让出 cpu 该其他线程，但是他的监控状态依然保持着，当指定的时间到了又会自动恢复运行状态。
• 在调用 sleep()方法的过程中，线程不会释放对象锁。而当调用 wait()方法的时候，线程会放弃对象锁，进入等待此对象的等待锁定池，只有针对此对象调用 notify()方法后本线程才进入对象锁定池准备获取对象锁进入运行状态。
• wait，notify 和 notifyAll 只能在同步控制方法或者同步控制块里面使用，而 sleep 可
  以在任何地方使用
• sleep 必须捕获异常，而 wait，notify 和 notifyAll 不需要捕获异常。在 sleep 的过程中过程中有可能被其他对象调用它的 interrupt(),产生 InterruptedException 异常，线程就会异常终止，进入 TERMINATED 状态，

5. 线程死亡（DEAD）

线程会以下面三种方式结束，结束后就是死亡状态。

• 正常结束：run()或 call()方法执行完成，线程正常结束。
• 异常结束：线程抛出一个未捕获的 Exception 或 Error。
• 调用 stop：直接调用该线程的 stop()方法来结束该线程。该方法通常容易导致死锁，不推荐使用。

终止线程的方式：

（1）正常运行结束

程序运行结束，线程自动结束。

（2）使用退出标志退出线程

一般 run()方法执行完，线程就会正常结束，然而，常常有些线程是伺服线程。它们需要长时间的运行，只有在外部某些条件满足的情况下，才能关闭这些线程。需要使用一个变量来控制循环

（3）Interrupt 方法结束线程

Thread.interupt()并不能使得线程被中断，线程还是会执行，应该使用标志位判断。使用 interrupt()方法来中断线程有两种情况：

• 线程处于阻塞状态：当调用线程的 interrupt()方法时，会抛出InterruptException 异常。阻塞中的那个方法抛出这个异常，通过代码捕获该异常，然后 break 跳出循环状态，从而让我们有机会结束这个线程的执行。 一定要先捕获 InterruptedException 异常之后通过 break 来跳出循环，才能正常结束 run 方法。
• 线程未处于阻塞状态：使用 isInterrupted()判断线程的中断标志来退出循环。当使用
  interrupt()方法时，中断标志就会置 true，和使用自定义的标志来控制循环是一样的道理。

（5）stop 方法终止线程（线程不安全）

程序中可以直接使用 thread.stop()来强行终止线程，但是可能会产生不可预料的结果，

thread.stop()调用之后，创建子线程的线程就会抛出 ThreadDeatherror 的错误，并且会释放子线程所持有的所有锁。

如果在调用thread.stop()后导致了该线程所持有的所有锁的突然释放(不可控制)，那么被保护数据就有可能呈现不一致性，其他线程在使用这些被破坏的数据时，有可能导致一些很奇怪的应用程序错误

三：后台线程

1. 定义

守护线程，也称“服务线程”，他是后台线程，它有一个特性，即为用户线程 提供公共服务，在没有用户线程可服务时会自动离开。

将一个用户线程设置为守护线程的方式是在线程对象创建之前用线程对象的 setDaemon 方法。

守护线程和用户线程的唯一的区别是判断虚拟机(JVM)何时离开，Daemon 是为其他线程提供服务，如果全部的 User Thread 已经撤离，Daemon 没有可服务的线程，JVM 撤离。

2. 优先级

守护线程的优先级比较低，用于为系统中的其它对象和线程提供服务。

3. 特点

• thread.setDaemon(true)必须在 thread.star()之前设置，不能把正在运行的常规线程设置为守护线程
• 在 Daemon 线程中产生的新线程也是 Daemon 的
• 线程是 JVM 级别的
• 守护线程应该永远不去访问固有资源，如文件、数据库，因为它会在任何时候甚至在一个操作的中间发生中断

5. 例子

垃圾回收线程就是一个经典的守护线程，当我们的程序中不再有任何运行的Thread,
程序就不会再产生垃圾，垃圾回收器也就无事可做，所以当垃圾回收线程是 JVM 上仅剩的线程时，垃圾回收线程会自动离开。它始终在低级别的状态中运行，用于实时监控和管理系统中的可回收资源。

6. 生命周期

守护进程（Daemon）是运行在后台的一种特殊进程。它独立于控制终端并且周期性地执行某种任务或等待处理某些发生的事件。也就是说守护线程不依赖于终端，但是依赖于系统，与系统“同生共死”。当 JVM 中所有的线程都是守护线程的时候，JVM 就可以退出了；如果还有一个或以上的非守护线程则 JVM 不会退出。

四：线程的基本方法

线程通信方式

1. 同步：同步是指多个线程通过 synchronized 关键字这种方式来实现线程间的通信
2. wait/notify 机制
   

1. 线程等待（wait）

调用该方法的线程进入 WAITING 状态，只有等待另外线程的通知或被中断才会返回，会释放对象的锁，一般用在同步方法或同步代码块中。

2. 线程唤醒（notify）

Object 类中的 notify() 方法，唤醒在此对象监视器上等待的单个线程，如果所有线程都在此对象上等待，则会选择唤醒其中一个线程，选择是任意的，并在对实现做出决定时发生

当前线程通过调用其中一个 wait() 方法，在对象的监视器上等待，直到其他线程放弃此对象上的锁定，才能继续执行被唤醒的线程，被唤醒的线程将以常规方式与在该对象上主动同步的其他所有线程进行竞争。

类似的方法还有 notifyAll() ，唤醒再次监视器上等待的所有线程。

3. 线程睡眠（sleep）

sleep 导致当前线程休眠，与 wait 方法不同的是 sleep 不会释放当前占有锁，sleep(long)会导致线程进入 TIMED-WATING 状态，而 wait()方法会导致当前线程进入 WATING 状态

4. 线程让步（yield）

yield 会使当前线程让出 CPU 执行时间片，与其他线程一起重新竞争 CPU 时间片。一般情况下，优先级高的线程有更大的可能性成功竞争得到 CPU 时间片，但这又不是绝对的，有的操作系统对线程优先级并不敏感。

5. 线程中断（interrupt）

中断一个线程，其本意是给这个线程一个通知信号，会影响这个线程内部的一个中断标识位，这个线程本身并不会因此而改变状态(如阻塞，终止等)，也就是说处于 Running 状态的线程并不会因为被中断而被终止。

中断标识位

中断状态是线程固有的一个标识位，可以通过此标识位安全的终止线程。比如,你想终止一个线程 thread 的时候，可以调用 thread.interrupt()方法，在线程的 run 方法内部以根据 thread.isInterrupted()的值来优雅的终止线程。

InterruptedException

声明抛出 InterruptedException 的方法(如 Thread.sleep(long mills 方法))，抛出异常前，都会清除中断标识位，所以抛出异常后，调用 isInterrupted()方法将会返回 false。

若调用 sleep()而使线程处于 TIMED-WATING 状态，这时调用 interrupt()方法，会抛出InterruptedException，从而使线程提前结束 TIMED-WATING 状态。

6. 等待其他线程终止（Join）

join() 方法，等待其他线程终止，在当前线程中调用一个线程的 join() 方法，则当前线程转为阻塞状态，直到另一个线程结束，当前线程再由阻塞状态变为就绪状态，等待 cpu 的宠幸。

主线程需要在子线程结束后再结束，这时候就要用到 join() 方法。

7. 其他

• isAlive()： 判断一个线程是否存活。
• activeCount()： 程序中活跃的线程数。
• enumerate()： 枚举程序中的线程。
• currentThread()： 得到当前线程。
• isDaemon()： 一个线程是否为守护线程。
• setDaemon()： 设置一个线程为守护线程。(用户线程和守护线程的区别在于，是否等待主线程依赖于主线程结束而结束)
• setName()： 为线程设置一个名称。
• setPriority()： 设置一个线程的优先级。
• getPriority():：获得一个线程的优先级。

五：线程的上下文切换

1. 定义

巧妙地利用了时间片轮转的方式，CPU 给每个任务都服务一定的时间，然后把当前任务的状态保存下来，在加载下一任务的状态后，继续服务下一任务，任务的状态保存及再加载, 这段过程就叫做上下文切换。

时间片轮转的方式使多个任务在同一个 CPU 上执行变成了可能。

上下文的内容

某一时间点 CPU 寄存器和程序计数器的内容

• 寄存器：是 CPU 内部的数量较少但是速度很快的内存，寄存器通过对常用值（通常是运算的中间值）的快速访问来提高计算机程序运行的速度。
• 程序计数器：是一个专用的寄存器，用于表明指令序列中 CPU 正在执行的位置，存的值为正在执行的指令的位置或者下一个将要被执行的指令的位置

上下文的保存地点

上下文切换过程中的信息是保存在进程控制块（PCB）中的。PCB 还经常被称作“切换桢”（switchframe）。信息会一直保存到 CPU 的内存中，直到他们被再次使用。

2. 上下文切换的活动

1. 挂起一个进程，将这个进程在 CPU 中的状态（上下文）存储于内存中。
2. 在内存中检索下一个进程的上下文并将其在 CPU 的寄存器中恢复。
3. 跳转到程序计数器所指向的位置（即跳转到进程被中断时的代码行），以恢复该进程在程序中。

3. 引起线程上下文切换的原因

• 就绪：当前执行任务的时间片用完之后，系统 CPU 正常调度下一个任务；
• 阻塞：当前执行任务碰到 IO 阻塞；硬件中断
• 等待：多个任务抢占锁资源，当前任务没有抢到锁资源，被调度器挂起，继续下一任务；用户代码挂起当前任务，让出 CPU 时间

六：同步锁、死锁、异常

1. 同步锁

当多个线程同时访问同一个数据时，很容易出现问题。为了避免这种情况出现，我们要保证线程同步互斥，就是指并发执行的多个线程，在同一时间内只允许一个线程访问共享数据。 Java 中可以使用 synchronized 关键字来取得一个对象的同步锁。

2. 死锁

所谓死锁是指多个进 程因竞争资源而造成的一种僵局（互相等待），若无外力作用，
这些进程都将无法向前推进。死锁产生的 4 个必要条件：

• 互斥条件：进程要求对所分配的资源（如打印机）进行排他性控制，即在一段时间
  内某资源仅为一个进程所占有。此时若有其他进程请求该资源，则请求进程只能等
  待。
• 不剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行夺走，即
  只能由获得该资源的进程自己来释放（只能是主动释放)。
• 请求和保持条件：进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该
  资源已被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放。
• 循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链，链中每一个进程已获得的资源同
  时被链中下一个进程所请求。

public class DeadLock implements Runnable {  
    public int flag = 1;  
    //静态对象是类的所有对象共享的  
    private static Object o1 = new Object(), o2 = new Object();  
    @Override  
    public void run() {  
        System.out.println("flag=" + flag);  
        if (flag == 1) {  
            synchronized (o1) {  
                try {  
                    Thread.sleep(500);  
                } catch (Exception e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                synchronized (o2) {  
                    System.out.println("1");  
                }  
            }  
        }  
        if (flag == 0) {  
            synchronized (o2) {  
                try {  
                    Thread.sleep(500);  
                } catch (Exception e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                synchronized (o1) {  
                    System.out.println("0");  
                }  
            }  
        }  
    }  
  
    public static void main(String[] args) {  
          
        DeadLock td1 = new DeadLock();  
        DeadLock td2 = new DeadLock();  
        td1.flag = 1;  
        td2.flag = 0;  
        //td1,td2都处于可执行状态，但JVM线程调度先执行哪个线程是不确定的。  
        //td2的run()可能在td1的run()之前运行  
        new Thread(td1).start();  
        new Thread(td2).start();  
  
    }  
}  

解决

1. 加锁顺序（线程按照一定的顺序加锁）
2. 加锁时限（线程尝试获取锁的时候加上一定的时限，超过时限则放弃对该锁的请求，并释放自己占有的锁）
3. 死锁检测
   

3. 线程发生异常

当单线程的程序发生一个未捕获的异常时我们可以采用 try.catch 进行异常的捕获，但
是在多线程环境中，线程抛出的异常是不能用 try.catch 捕获的，这样就有可能导致一
些问题的出现，比如异常的时候无法回收一些系统资源，或者没有关闭当前的连接等。

Thread.UncaughtExceptionHandler

用于处理未捕获异常造成线程突然中断情况的一个内嵌接口。当一个未捕获异常将造成线程中断的时候 JVM 会使用 Thread.getUncaughtExceptionHandler()来查询线程的 UncaughtExceptionHandler 并将线程和异常作为参数传递给 handler 的 uncaughtException()方法进行处理。

七：锁

参考文章：Java锁 - 导读

1. 乐观锁

乐观锁是一种乐观思想，即认为读多写少，遇到并发写的可能性低，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁。

但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，采取在写时先读出当前版本号，然后跟上一次的版本号进行比较

• 如果一样则更新
• 如果不一样则要重复 读-比较-写 的操作

java 中的乐观锁基本都是通过 CAS 操作实现的，CAS 是一种更新的原子操作，比较当前值跟传入值是否一样，一样则更新，否则失败。

2. 悲观锁

悲观锁是就是悲观思想，即认为写多，遇到并发写的可能性高，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在读写数据的时候都会上锁，这样别人想读写这个数据就会 block 直到拿到锁。

java中的悲观锁就是Synchronized

AQS框架下的锁则是先尝试 CAS 乐观锁去获取锁，获取不到，才会转换为悲观锁，如 RetreenLock

3. 自旋锁

参考文章：java 中的锁 – 偏向锁、轻量级锁、自旋锁、重量级锁
如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源，那么那些等待竞争锁的线程就不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态，它们只需要“等一等”（自旋），等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁，这样就避免用户线程和内核的切换的消耗。

线程自旋是需要消耗 CPU 的，如果一直获取不到锁，那线程也不能一直占用 CPU 自旋做无用功，所以需要设定一个自旋等待的最大时间。如果持有锁的线程执行的时间超过自旋等待的最大时间仍没有释放锁，就会导致其它争用锁的线程停止自旋，进入阻塞状态。

特点

自旋锁尽可能的减少线程的阻塞，这对于锁的竞争不激烈，且占用锁时间非常短的代码块来说大幅度提升了性能，因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起再唤醒的操作的消耗（导致线程发生两次上下文切换）

但是如果锁的竞争激烈，或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块，这时候就不适合使用自旋锁了。因为自旋锁在获取锁前一直都是占用 cpu 做无用功，同时有大量线程在竞争一个锁，会导致获取锁的时间很长，线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗，其它需要 CPU 的线程又不能获取到 CPU，造成 cpu 的浪费。所以这种情况下我们要关闭自旋锁

自旋锁时间阈值（1.6 引入了适应性自旋锁）

如果自旋执行时间太长，会有大量的线程处于自旋状态占用 CPU 资源，进而会影响整体系统的性能。因此自旋的周期额外重要

JVM 对于自旋周期的选择，在jdk1.5 这个限度是一定的，在 1.6 引入了适应性自旋锁。适应性自旋锁意味着自旋的时间不在是固定的了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者的状态来决定，基本认为一个线程上下文切换的时间是最佳时间

同时 JVM 还针对当前 CPU 的负荷情况做了较多的优化：

• 如果平均负载小于 CPUs 则一直自旋
• 如果有超过(CPUs/2)个线程正在自旋，则后来线程直接阻塞
• 如果正在自旋的线程发现 Owner 发生了变化则延迟自旋时间（自旋计数）或进入阻塞
• 如果 CPU 处于节电模式则停止自旋

自旋时间的最坏情况是 CPU的存储延迟（CPU A 存储了一个数据，到 CPU B 得知这个数据直接的时间差），自旋时会适当放弃线程优先级之间的差异。

自旋锁的开启：

• JDK1.6 中-XX:+UseSpinning 开启；-XX:PreBlockSpin=10 为自旋次数；
• JDK1.7 后，去掉此参数，由 jvm 控制；

4. Synchronized 同步锁

synchronized 它可以把任意一个非 NULL 的对象当作锁。他属于独占式的悲观锁，同时属于可重入锁。

Synchronized 作用范围

1. 作用于非静态方法时，锁住的是对象的实例(this)；
2. 作用于静态方法时，锁住的是Class实例，又因为Class的相关数据存储在永久带PermGen（jdk1.8 则是 metaspace），永久带是全局共享的，因此静态方法锁相当于类的一个全局锁，会锁住所有调用该方法的线程
3. 作用于一个对象实例时，锁住的是所有以该对象为锁的代码块。它有多个队列，当多个线程一起访问某个对象监视器的时候，对象监视器会将这些线程存储在不同的容器中。

特点

• synchronized 是非公平锁
  • 在线程进入 ContentionList 时会先尝试自旋获取锁，如果获取不到再进入，对于已经进入队列的线程是不公平的
  • 自旋获取锁的线程还可能直接抢占 OnDeck 线程的锁资源
• synchronized 是一个重量级操作，需要调用操作系统相关接口，性能是低效的，有可能给线程加锁消耗的时间比有用操作消耗的时间更多。
  • Java1.6，引入了适应自旋、锁消除、锁粗化。效率有了本质上的提高。默认开启偏向锁和轻量级锁，可以通过-XX:-UseBiasedLocking 来禁用偏向锁。
  • Java1.7 与 1.8 ，引入了偏向锁和轻量级锁，都是在对象头中有标记位，不需要经过操作系统加锁。
  • 锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级到重量级锁。这种过程叫做锁膨胀

原理

1：对象头

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Heather）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）(在 32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit）

• 如果对象是数组类型， 虚拟机用3个字宽存储对象头
• 如果对象是非数组类型，则用2个字宽存储对象头

对象头的结构：

对象头是实现synchronized 的基础，方法加锁是通过一个标记位来判断的

重量级锁的指针指向 monitor 对象（监视器锁）所以每一个对象都与一个 monitor 关联，当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。

2：monitor 对象

每个对象都有个 monitor 对象，加锁就是竞争 monitor 对象，monitor是由ObjectMonitor实现的，主要数据结构如下：

当多个线程同时请求某个对象监视器时，对象监视器会设置几种状态用来区分请求的线
程：

• Contention List：竞争队列，所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中；
• Entry List：Contention List 中那些有资格成为候选资源的线程被移动到 Entry List 中（并发情况下ContentionList 会被大量的并发线程进行 CAS 访问，可以降低线程对ContentionList 尾部元素的竞争）
• Wait Set：调用 wait 方法被阻塞的线程被放置在这里；
• OnDeck：任意时刻，最多只有一个线程正在竞争锁资源，该线程被成为 OnDeck；
• Owner：当前已经获取到所资源的线程被称为 Owner；
• !Owner：当前释放锁的线程。
  

1. Owner 线程会在 unlock 时，将 ContentionList 中的部分线程迁移到 EntryList 中，并指定EntryList 中的某个线程为 OnDeck 线程（一般是最先进去的那个线程）。
2. Owner 线程并不直接把锁传递给 OnDeck 线程，而是把锁竞争的权利交给 OnDeck，OnDeck 需要重新竞争锁。这样虽然牺牲了一些公平性，但是能极大的提升系统的吞吐量，在JVM 中，也把这种选择行为称之为“竞争切换”。
3. OnDeck 线程获取到锁资源后会变为 Owner 线程，而没有得到锁资源的仍然停留在 EntryList中。如果 Owner 线程被 wait 方法阻塞，则转移到 WaitSet 队列中，直到某个时刻通过 notify或者 notifyAll 唤醒，会重新进去 EntryList 中。
4. 处于 ContentionList、EntryList、WaitSet 中的线程都处于阻塞状态，该阻塞是由操作系统来完成的（Linux 内核下采用 pthread_mutex_lock 内核函数实现的）。

代码块加锁是在前后分别加上 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现的，线程执行 monitorenter指令时会尝试获取monitor的所有权

• 如果monitor的进入数为0，则线程进入monitor，进入数设为1，该线程为monitor的所有者
• 如果线程已经占有monitor，只是重新进入，则进入数+1
• 如果其他线程已经占有monitor，则该线程进入阻塞状态，直到进入数为0，才可以重新尝试争夺

5. ReentrantLock 可重入锁

ReentantLock 继承接口 Lock 并实现了接口中定义的方法，他是一种可重入锁，除了能完成 synchronized 所能完成的所有工作外，还提供了诸如可响应中断锁、可轮询锁请求、定时锁等避免多线程死锁的方法

Lock 接口的主要方法

• void lock(): 执行此方法时, 如果锁处于空闲状态, 当前线程将获取到锁. 相反, 如果锁已经被其他线程持有, 将禁用当前线程, 直到当前线程获取到锁.
• boolean tryLock()：如果锁可用, 则获取锁, 并立即返回 true, 否则返回 false. 该方法和lock()的区别在于, tryLock()只是"试图"获取锁, 如果锁不可用, 不会导致当前线程被禁用, 当前线程仍然继续往下执行代码. 而 lock()方法则是一定要获取到锁, 如果锁不可用, 就一直等待, 在未获得锁之前,当前线程并不继续向下执行.
• tryLock(long timeout TimeUnit unit)：如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持，则获取该锁。
• lockInterruptibly（）：如果当前线程未被中断，获取锁
• void unlock()：执行此方法时, 当前线程将释放持有的锁. 锁只能由持有者释放, 如果线程并不持有锁, 却执行该方法, 可能导致异常的发生.
• Condition newCondition()：条件对象，获取等待通知组件。该组件和当前的锁绑定，当前线程只有获取了锁，才能调用该组件的 await()方法，而调用后，当前线程将释放锁
• getHoldCount() ：查询当前线程保持此锁的次数，也就是执行此线程执行 lock 方法的次数。
• getQueueLength（）：返回正等待获取此锁的线程估计数
• getWaitQueueLength：返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数
• hasWaiters(Condition condition)：查询是否有线程等待与此锁有关的给定条件
• hasQueuedThread(Thread thread)：查询给定线程是否等待获取此锁
• hasQueuedThreads()：是否有线程等待此锁
• isFair()：该锁是否公平锁
• isLock()：此锁是否有任意线程占用
• isHeldByCurrentThread()： 当前线程是否保持锁锁定，线程的执行 lock 方法的前后分别是 false 和 true

参考博客：ReentrantLock实现原理深入探究

lock：

可以获取锁：

无法获取锁：

final void lock() {
	//线程1独占锁,设置AbstractQueuedSynchronizer的state为1
    if (compareAndSetState(0, 1))
    	//设置AbstractOwnableSynchronizer的thread为当前线程 
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
     else
     	//线程2也要尝试获取同一个锁
         acquire(1);
 }
public final void acquire(int arg) {
	//先尝试获取一次锁，如果获取的结果为false即失败
	//走第二个判断条件添加FIFO等待队列
    if (!tryAcquire(arg) &&
    	acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

//第一个判断条件：tryAcquire(arg)
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    //再次判断一下能否持有锁
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    //已经拥有锁，可重入，让某个线程可以多次调用同一个ReentrantLock
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;	//同一个锁最多能重入Integer.MAX_VALUE
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        //不需要CAS设置状态，相当于一个偏向锁
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

//第二个判断条件：acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
//先加入等待队列
private Node addWaiter(Node mode) {
	//先创建一个当前线程的Node，模式为独占模式
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
  
    Node pred = tail;
    //再判断一下队列上有没有节点，有就加入等待队列
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    //没有就创建一个队列
    enq(node);
    return node;
}
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            Node h = new Node(); // Dummy header
            h.next = node;
            node.prev = h;
            if (compareAndSetHead(h)) {
                tail = node;
                return h;
            }
        }
        else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

//再次尝试获取，失败则阻塞
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            //再次判断一下线程2能不能获取锁（可能这段时间内线程1已经执行完了把锁释放了，state从1变为了0）
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } catch (RuntimeException ex) {
        cancelAcquire(node);
        throw ex;
    }
}

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int s = pred.waitStatus;
    //h的waitStatus，很明显是0
    if (s < 0)
        /*
         * This node has already set status asking a release
         * to signal it, so it can safely park
         */
        return true;
    if (s > 0) {
        /*
         * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
         * indicate retry.
         */
	    do { node.prev = pred = pred.prev;} 
	    while (pred.waitStatus > 0);
	    pred.next = node;
	}
	//设置为Noed.SIGNAL即-1并返回false
    else
        /*
         * Indicate that we need a signal, but don't park yet. Caller
         * will need to retry to make sure it cannot acquire before
         * parking.
         */
         compareAndSetWaitStatus(pred, 0, Node.SIGNAL);
    return false;
}

//调用LockSupport的park方法阻塞住了当前的线程
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}
public static void park(Object blocker) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    setBlocker(t, blocker);
    unsafe.park(false, 0L);
    setBlocker(t, null);
}

公平锁在 CAS 获取锁失败后，和非公平锁一样都会进入到 tryAcquire 方法
在 tryAcquire 方法中，如果发现锁这个时候被释放了（state == 0），非公平锁会直接 CAS 抢锁

公平锁会判断等待队列是否有线程处于等待状态，即通过hasQueuedPredecessors()判断自己是否位于CLH同步队列中的第一个，如果是则获取锁。如果不是则不去抢锁，乖乖排到后面

unlock：

public void unlock() {
    sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
           unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

//先调用Sync的tryRelease尝试释放锁
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    //调用了多少次的lock()方法自然必须调用同样次数的unlock()方法才能把一个锁给全部解开。
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

//释放成功
private void unparkSuccessor(Node node) {
    /*
     * Try to clear status in anticipation of signalling.  It is
     * OK if this fails or if status is changed by waiting thread.
     */
    compareAndSetWaitStatus(node, Node.SIGNAL, 0);

    /*
     * Thread to unpark is held in successor, which is normally
     * just the next node.  But if cancelled or apparently null,
     * traverse backwards from tail to find the actual
     * non-cancelled successor.
     */
    Node s = node.next;
    //head的下一个node线程被取消
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        //从尾到头遍历，找出离head最近的一个node，对这个node进行unPark操作
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
   }
   //线程2被unPark了，得以运行
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

tryLock 和 lock 和 lockInterruptibly 的区别

• lock和tryLock：
  • tryLock 能获得锁就返回 true，不能就立即返回 false
  • tryLock(long timeout,TimeUnit unit)，可以增加时间限制，如果超过该时间段还没获得锁，返回 false
  • lock 能获得锁就返回 true，不能的话一直等待获得锁
• lock 和 lockInterruptibly：中断线程时，lock 不会抛出异常，而 lockInterruptibly 会抛出异常。

公平锁

ReentrantLock 在构造函数中提供了是否公平锁的初始化方式来定义公平锁，默认为非公平锁。

• 不公平锁：JVM 按随机、就近原则分配锁的机制则称为不公平锁
• 公平锁：锁的分配机制是公平的，通常先对锁提出获取请求的线程会先被分配到锁

非公平锁性能比公平锁高 5~10 倍，因为公平锁需要在多核的情况下维护一个队列

Java 中的 synchronized 是非公平锁，ReentrantLock 默认的 lock()方法采用的是非公平锁。

ReentrantLock 与 synchronized

两者的共同点：

1. 都是用来协调多线程对共享对象、变量的访问
2. 都是可重入锁，同一线程可以多次获得同一个锁
3. 都保证了可见性和互斥性

两者的不同点：

1. ReentrantLock 显示的获得、释放锁，synchronized 隐式获得释放锁
2. ReentrantLock 可响应中断、可轮回，synchronized 是不可以响应中断的，ReentrantLock 为处理锁的不可用性提供了更高的灵活性
3. ReentrantLock 是 API 级别的，synchronized 是 JVM 级别的
4. ReentrantLock 可以实现公平锁
5. ReentrantLock 通过 Condition 可以绑定多个条件
6. 底层实现不一样， synchronized 是同步阻塞，使用的是悲观并发策略，lock 是同步非阻塞，采用的是乐观并发策略
7. Lock 是一个接口，而 synchronized 是 Java 中的关键字，synchronized 是内置的语言实现
8. synchronized 在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而 Lock 在发生异常时，如果没有主动通过 unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用 Lock 时需要在 finally 块中释放锁。
9. Lock 可以让等待锁的线程响应中断，而 synchronized 却不行，使用 synchronized 时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断。
10. 通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁，而 synchronized 却无法办到。
11. Lock 可以提高多个线程进行读操作的效率，既就是实现读写锁等。

Condition 类和 Object 类的锁方法

1. Condition 类的 awiat 方法和 Object 类的 wait 方法等效
2. Condition 类的 signal 方法和 Object 类的 notify 方法等效
3. Condition 类的 signalAll 方法和 Object 类的 notifyAll 方法等效
4. ReentrantLock 类可以唤醒指定条件的线程，而 Object 类的唤醒是随机的

6. Semaphore 信号量

是一种基于计数的信号量。它可以设定一个阈值，多个线程竞争获取许可信号，做完自己的申请后归还，超过阈值后，线程申请许可信号将会被阻塞。

• Semaphore 可以用来构建一些对象池，资源池如数据库连接池
• 实现互斥锁（计数器为 1）：创建计数为 1 的 Semaphore，可以将其作为一种类似互斥锁的机制，这也叫二元信号量，表示两种互斥状态。

Semaphore 与 ReentrantLock

Semaphore 基本能完成 ReentrantLock 的所有工作，使用方法也与之类似，通过 acquire()与release()方法来获得和释放临界资源。

• Semaphone.acquire()方法默认为可响应中断锁，与 ReentrantLock.lockInterruptibly()作用效果一致，也就是说在等待临界资源的过程中可以被Thread.interrupt()方法中断。
• Semaphore 的锁释放操作release()也由手动进行，因此与 ReentrantLock 的unlock()一样，为避免线程因抛出异常而无法正常释放锁的情况发生，释放锁的操作也必须在 finally 代码块中完成。

Semaphore 也实现了可轮询的锁请求与定时锁的功能，除了方法名 tryAcquire 与 tryLock不同，其使用方法与 ReentrantLock 几乎一致。

Semaphore 也提供了公平与非公平锁的机制，也可在构造函数中进行设定。

7. AtomicXX 原子类

提供原子操作的类，包括AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference 等，他们的实现原理相同，区别在与运算对象类型的不同。

可以通过 AtomicReference< V >将一个对象的所有操作转化成原子操作。

在多线程程序中，通常我们会使用 synchronized 将线程不安全的操作变成一个原子操作，但 JVM 为此类操作特意提供了一些同步类，使得使用更方便，且使程序运行效率变得更高。

8. 递归锁（广义可重入锁）

指的是同一线程 外层函数获得锁之后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受
影响。在 JAVA 环境下 ReentrantLock 和 synchronized 都是 可重入锁。

9. ReadWriteLock 读写锁

为了提高性能，Java 提供了读写锁，在读的地方使用读锁，在写的地方使用写锁，灵活控制，如果没有写锁的情况下，读是无阻塞的,在一定程度上提高了程序的执行效率。

读写锁分为读锁和写锁，多个读锁不互斥，读锁与写锁互斥，这是由 jvm 自己控制的，只要上好相应的锁即可

• 读锁：如果你的代码只读数据，可以很多人同时读，但不能同时写，那就上读锁
• 写锁：如果你的代码修改数据，只能有一个人在写，且不能同时读取，那就上写锁

10. 共享锁和独占锁

java 并发包提供的加锁模式分为独占锁和共享锁。

• 独占锁（ReentrantLock）：独占锁模式下，每次只能有一个线程能持有锁， 就是以独占方式实现的互斥锁。独占锁是一种悲观保守的加锁策略，它避免了读/读冲突，可能会限制了不必要的并发性，因为读操作并不会影响数据的一致性。
• 共享锁（ReadWriteLock）：共享锁则允许多个线程同时获取锁，并发访问共享资源。共享锁则是一种乐观锁，它放宽了加锁策略，允许多个执行读操作的线程同时访问共享资源。

AQS 的内部类 Node 定义了两个常量 SHARED 和 EXCLUSIVE，他们分别标识 AQS 队列中等待线程的锁获取模式。

11. 重量级锁（Mutex Lock）和轻量级锁

锁的状态总共有四种：无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁（但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级）。

重量级锁

Synchronized 是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的，但是监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock 来实现的。而操作系统实现线程之间的切换这就需要从用户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么Synchronized 效率低的原因。

因此，这种依赖于操作系统 Mutex Lock 所实现的锁我们称之为“重量级锁”。JDK 中对 Synchronized 做的种种优化，其核心都是为了减少这种重量级锁的使用。

JDK1.6 以后，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，提高性能，引入了“轻量级锁”和“偏向锁”。

轻量级锁

“轻量级”是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的，但是轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用产生的性能消耗。

使用轻量级锁时，不需要申请互斥量，仅仅将Mark Word中的部分字节CAS更新指向线程栈中的Lock Record

• 如果更新成功，则轻量级锁获取成功，记录锁状态为轻量级锁
• 否则，说明已经有线程获得了轻量级锁，发生了锁竞争，接下来膨胀为重量级锁

轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的情况，如果存在同一时间访问同一锁的情况，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

12. 偏向锁

大多数情况下锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得。偏向锁的目的是在某个线程获得锁之后，消除这个线程锁重入(CAS)的开销，看起来让这个线程得到了偏护。

引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次 CAS 原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID 的时候依赖一次 CAS 原子指令（由于一旦出现多线程竞争的情况就必须撤销偏向锁，所以偏向锁的撤销操作的性能损耗必须小于节省下来的 CAS 原子指令的性能消耗）。

轻量级锁是为了在线程交替执行同步块时提高性能，而偏向锁则是在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能。

13. 分段锁

分段锁也并非一种实际的锁，而是一种思想.
ConcurrentHashMap 是学习分段锁的最好实践

14. 锁优化

• 减少锁持有时间:只用在有线程安全要求的程序上加锁
• 减小锁粒度:将大对象（这个对象可能会被很多线程访问），拆成小对象，大大增加并行度，降低锁的竞争，偏向锁，轻量级锁成功率才会提高。最最典型的减小锁粒度的案例就是ConcurrentHashMap。
• 锁分离:最常见的锁分离就是读写锁 ReadWriteLock，根据功能进行分离成读锁和写锁，这样读读不互斥，读写互斥，写写互斥，即保证了线程安全，又提高了性能。读写分离思想可以延伸，只要操作互不影响，锁就可以分离。比如LinkedBlockingQueue 从头部取出，从尾部放数据
• 锁粗化：通常情况下，为了保证多线程间的有效并发，会要求每个线程持有锁的时间尽量短，即在使用完公共资源后，应该立即释放锁。但是，凡事都有一个度，如果对同一个锁不停的进行请求、同步和释放，其本身也会消耗系统宝贵的资源，反而不利于性能的优化 。
• 锁消除：锁消除是在编译器级别的事情。在即时编译器时，如果发现不可能被共享的对象，则可以消除这些对象的锁操作，多数是因为程序员编码不规范引起。