多线程 🚀

多线程 🚀

总结：多线程就是多个线程分时复用CPU，从外部看起来好像是多个任务在同时运行。线程之间一般也需要同步，比如看电影的时候，视频线程、音频线程人有同步了正常播放。另外，多线程技术中虚拟线程的使用，在I/O密集型任务中可以自动挂起并切换其他虚拟线程，减少CPU等待时间，提升系统整体效率。

现代操作系统（Windows，MacOS，Linux）都可以执行多任务，多任务就是同时运行多个任务。

CPU执行代码都是一条一条顺序执行的，但是，即使是单核CPU，也可以同时运行多个任务。因为操作系统执行多任务实际上就是让CPU对多个任务轮流交替执行。

例如，假设我们有语文、数学、英语3门作业要做，每个作业需要30分钟。我们把这3门作业看成是3个任务，可以做1分钟语文作业，再做1分钟数学作业，再做1分钟英语作业。这样轮流做下去，在某些人眼里看来，做作业的速度就非常快，看上去就像同时在做3门作业一样。

类似的，操作系统轮流让多个任务交替执行，例如，让浏览器执行0.001秒，让QQ执行0.001秒，再让音乐播放器执行0.001秒，在人看来，CPU就是在同时执行多个任务。

即使是多核CPU，因为通常任务的数量远远多于CPU的核数，所以任务也是交替执行的。

Java语言内置了多线程支持：一个Java程序实际上是一个JVM进程，JVM进程用一个主线程来执行main()方法，在main()方法内部，我们又可以启动多个线程。此外，JVM还有负责垃圾回收的其他工作线程等。

因此，对于大多数Java程序来说，我们说多任务，实际上是说如何使用多线程实现多任务。

和单线程相比，多线程编程的特点在于：

• 多线程经常需要读写共享数据，并且需要同步。例如，播放电影时，就必须由一个线程播放视频，另一个线程播放音频，两个线程需要协调运行，否则画面和声音就不同步。因此，多线程编程的复杂度高，调试更困难。

Java多线程编程的特点又在于：

• 多线程模型是Java程序最基本的并发模型；
• 后续读写网络、数据库、Web开发等都依赖Java多线程模型。

因此，必须掌握Java多线程编程才能继续深入学习其他内容。

进程 🚀

总结：进程相当于总任务，线程相当于子任务，比如一个运行中的Java程序就是一个JVM进程，JVM进程中由主线程执行main方法，在main方法里又可以创建子线程来执行小的任务。当所有非守护线程运行结束后，进程也就结束了。

在计算机中，我们把一个任务称为一个进程，浏览器就是一个进程，视频播放器是另一个进程，类似的，音乐播放器和Word都是进程。

某些进程内部还需要同时执行多个子任务。例如，我们在使用Word时，Word可以让我们一边打字，一边进行拼写检查，同时还可以在后台进行打印，我们把子任务称为线程。

进程和线程的关系就是：一个进程可以包含一个或多个线程，但至少会有一个线程。

                        ┌──────────┐
                        │Process   │
                        │┌────────┐│
            ┌──────────┐││ Thread ││┌──────────┐
            │Process   ││└────────┘││Process   │
            │┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐│
┌──────────┐││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
│Process   ││└────────┘││└────────┘││└────────┘│
│┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐│
││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
│└────────┘││└────────┘││└────────┘││└────────┘│
└──────────┘└──────────┘└──────────┘└──────────┘
┌──────────────────────────────────────────────┐
│               Operating System               │
└──────────────────────────────────────────────┘

操作系统调度的最小任务单位其实不是进程，而是线程。常用的Windows、Linux等操作系统都采用抢占式多任务，如何调度线程完全由操作系统决定，程序自己不能决定什么时候执行，以及执行多长时间。

因为同一个应用程序，既可以有多个进程，也可以有多个线程，因此，实现多任务的方法，有以下几种：

多进程模式（每个进程只有一个线程）：

┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐
│Process   │ │Process   │ │Process   │
│┌────────┐│ │┌────────┐│ │┌────────┐│
││ Thread ││ ││ Thread ││ ││ Thread ││
│└────────┘│ │└────────┘│ │└────────┘│
└──────────┘ └──────────┘ └──────────┘

多线程模式（一个进程有多个线程）：

┌────────────────────┐
│Process             │
│┌────────┐┌────────┐│
││ Thread ││ Thread ││
│└────────┘└────────┘│
│┌────────┐┌────────┐│
││ Thread ││ Thread ││
│└────────┘└────────┘│
└────────────────────┘

多进程＋多线程模式（复杂度最高）：

┌──────────┐┌──────────┐┌──────────┐
│Process   ││Process   ││Process   │
│┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐│
││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
│└────────┘││└────────┘││└────────┘│
│┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐│
││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
│└────────┘││└────────┘││└────────┘│
└──────────┘└──────────┘└──────────┘

进程 vs 线程 🚀

总结：进程与线程是包含与被包含的关系，一个进程里可以创建多个线程。进程的创建与进程间通信开销大，但进程间彼此独立互不影响，稳定性更好一些。

进程和线程是包含关系，但是多任务既可以由多进程实现，也可以由单进程内的多线程实现，还可以混合多进程＋多线程。

具体采用哪种方式，要考虑到进程和线程的特点。

和多线程相比，多进程的缺点在于：

• 创建进程比创建线程开销大，尤其是在Windows系统上；
• 进程间通信比线程间通信要慢，因为线程间通信就是读写同一个变量，速度很快。

而多进程的优点在于：

• 多进程稳定性比多线程高，因为在多进程的情况下，一个进程崩溃不会影响其他进程，而在多线程的情况下，任何一个线程崩溃会直接导致整个进程崩溃。

创建新线程 🚀

总结：

• Java创建 Thread 类有两种常用方式，一种是基于集成Thread类，一种是实现Runnable接口。
• Java用Thread对象表示一个线程，通过调用start()启动一个新线程；
• 一个线程对象只能调用一次start()方法；
• 线程的执行代码写在run()方法中；
• 线程调度由操作系统决定，程序本身无法决定调度顺序；
• Thread.sleep()可以把当前线程暂停一段时间。

Java语言内置了多线程支持。当Java程序启动的时候，实际上是启动了一个JVM进程，然后，JVM启动主线程来执行main()方法。在main()方法中，我们又可以启动其他线程。

要创建一个新线程非常容易，我们需要实例化一个Thread实例，然后调用它的start()方法：

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread();
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

但是这个线程启动后实际上什么也不做就立刻结束了。我们希望新线程能执行指定的代码，有以下几种方法：

方法一：从Thread派生一个自定义类，然后覆写run()方法 🚀

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new MyThread();
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start new thread!");
    }
}

执行上述代码，注意到start()方法会在内部自动调用实例的run()方法。

方法二：创建Thread实例时，传入一个Runnable实例 🚀

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(new MyRunnable());
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start new thread!");
    }
}

或者用 Java 8 引入的 lambda 语法进一步简写为：

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("start new thread!");
        });
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

有童鞋会问，使用线程执行的打印语句，和直接在main()方法执行有区别吗？区别大了去了。我们看以下代码：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main start...");
        Thread t = new Thread() {
            public void run() {
                System.out.println("thread run...");
                System.out.println("thread end.");
            }
        };
        t.start();
        System.out.println("main end...");
    }
}

main线程（主线程）执行的代码有4行，首先打印main start，然后创建Thread对象，紧接着调用start()启动新线程。当start()方法被调用时，JVM就创建了一个新线程，我们通过实例变量t来表示这个新线程对象，并开始执行。

接着，main线程继续执行打印main end语句，而t线程在main线程执行的同时会并发执行，打印thread run和thread end语句。

当run()方法结束时，新线程就结束了。而main()方法结束时，主线程也结束了。

我们再来看线程的执行顺序：

1. main线程肯定是先打印main start，再打印main end；
2. t线程肯定是先打印thread run，再打印thread end。

但是，除了可以肯定，main start会先打印外，main end打印在thread run之前、thread end之后或者之间，都无法确定。因为从t线程开始运行以后，两个线程就开始同时运行了，并且由操作系统调度，程序本身无法确定线程的调度顺序。

要模拟并发执行的效果，我们可以在线程中调用Thread.sleep()，强迫当前线程暂停一段时间：

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main start...");
        Thread t = new Thread() {
            public void run() {
                System.out.println("thread run...");
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {}
                System.out.println("thread end.");
            }
        };
        t.start();
        try {
            Thread.sleep(20);
        } catch (InterruptedException e) {}
        System.out.println("main end...");
    }
}

sleep()传入的参数是毫秒。调整暂停时间的大小，我们可以看到main线程和t线程执行的先后顺序。

要特别注意：直接调用Thread实例的run()方法是无效的：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new MyThread();
        t.run();
    }
}

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

直接调用run()方法，相当于调用了一个普通的Java方法，当前线程并没有任何改变，也不会启动新线程。上述代码实际上是在main()方法内部又调用了run()方法，打印hello语句是在main线程中执行的，没有任何新线程被创建。

必须调用Thread实例的start()方法才能启动新线程，如果我们查看Thread类的源代码，会看到start()方法内部调用了一个private native void start0()方法，native修饰符表示这个方法是由JVM虚拟机内部的C代码实现的，不是由Java代码实现的。

线程的优先级 🚀

可以对线程设定优先级，设定优先级的方法是：

Thread.setPriority(int n) // 1~10, 默认值5

JVM自动把1（低）~10（高）的优先级映射到操作系统实际优先级上（不同操作系统有不同的优先级数量）。

优先级高的线程被操作系统调度的优先级较高，操作系统对高优先级线程可能调度更频繁，但我们决不能通过设置优先级来确保高优先级的线程一定会先执行。

线程的状态 🚀

总结：

Java线程对象Thread的状态包括：New、Runnable、Blocked、Waiting、Timed Waiting和Terminated；

通过对另一个线程对象调用join()方法可以等待其执行结束；

可以指定等待时间，超过等待时间线程仍然没有结束就不再等待；

对已经运行结束的线程调用join()方法会立刻返回。

在Java程序中，一个线程对象只能调用一次start()方法启动新线程，并在新线程中执行run()方法。一旦run()方法执行完毕，线程就结束了。因此，Java线程的状态有以下几种：

• New：新创建的线程，尚未执行；
• Runnable：运行中的线程，正在执行run()方法的Java代码；
• Blocked：运行中的线程，因为某些操作被阻塞而挂起；
• Waiting：运行中的线程，因为某些操作在等待中；
• Timed Waiting：运行中的线程，因为执行sleep()方法正在计时等待；
• Terminated：线程已终止，因为run()方法执行完毕。

用一个状态转移图表示如下：

         ┌─────────────┐
         │     New     │
         └─────────────┘
                │
                ▼
┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐
 ┌─────────────┐ ┌─────────────┐
││  Runnable   │ │   Blocked   ││
 └─────────────┘ └─────────────┘
│┌─────────────┐ ┌─────────────┐│
 │   Waiting   │ │Timed Waiting│
│└─────────────┘ └─────────────┘│
 ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─
                │
                ▼
         ┌─────────────┐
         │ Terminated  │
         └─────────────┘

当线程启动后，它可以在Runnable、Blocked、Waiting和Timed Waiting这几个状态之间切换，直到最后变成Terminated状态，线程终止。

线程终止的原因有：

• 线程正常终止：run()方法执行到return语句返回；
• 线程意外终止：run()方法因为未捕获的异常导致线程终止；
• 对某个线程的Thread实例调用stop()方法强制终止（强烈不推荐使用）。

一个线程还可以等待另一个线程直到其运行结束。例如，main线程在启动t线程后，可以通过t.join()等待t线程结束后再继续运行：

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("hello");
        });
        System.out.println("start");
        t.start(); // 启动t线程
        t.join(); // 此处main线程会等待t结束
        System.out.println("end");
    }
}

当main线程对线程对象t调用join()方法时，主线程将等待变量t表示的线程运行结束，即join就是指等待该线程结束，然后才继续往下执行自身线程。

所以，上述代码打印顺序可以肯定是main线程先打印start，t线程再打印hello，main线程最后再打印end。

如果t线程已经结束，对实例t调用join()会立刻返回。

此外，join(long)的重载方法也可以指定一个等待时间，超过等待时间后就不再继续等待。

中断线程 🚀

总结：

对目标线程调用interrupt()方法可以请求中断一个线程，目标线程通过检测isInterrupted()标志获取自身是否已中断。如果目标线程处于等待状态，该线程会捕获到InterruptedException；

目标线程检测到isInterrupted()为true或者捕获了InterruptedException都应该立刻结束自身线程；

通过标志位判断需要正确使用volatile关键字；

volatile关键字解决了共享变量在线程间的可见性问题。

如果线程需要执行一个长时间任务，就可能需要能中断线程。中断线程就是其他线程给该线程发一个信号，该线程收到信号后结束执行run()方法，使得自身线程能立刻结束运行。

我们举个栗子：假设从网络下载一个 100 MB 的文件，如果网速很慢，用户等得不耐烦，就可能在下载过程中点“取消”，这时，程序就需要中断下载线程的执行。

中断一个线程非常简单，只需要在其他线程中对目标线程调用interrupt()方法，目标线程需要反复检测自身状态是否是interrupted状态，如果是，就立刻结束运行。

我们还是看示例代码：

// 中断线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1); // 暂停1毫秒
        t.interrupt(); // 中断t线程
        t.join(); // 等待t线程结束
        System.out.println("end");
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        int n = 0;
        while (! isInterrupted()) {
            n ++;
            System.out.println(n + " hello!");
        }
    }
}

仔细看上述代码，main线程通过调用t.interrupt()方法中断t线程，但是要注意，interrupt()方法仅仅向t线程发出了“中断请求”，至于t线程是否能立刻响应，要看具体代码。而t线程的while循环会检测isInterrupted()，所以上述代码能正确响应interrupt()请求，使得自身立刻结束运行run()方法。

如果线程处于等待状态，例如，t.join()会让main线程进入等待状态，此时，如果对main线程调用interrupt()，join()方法会立刻抛出InterruptedException，因此，目标线程只要捕获到join()方法抛出的InterruptedException，就说明有其他线程对其调用了interrupt()方法，通常情况下该线程应该立刻结束运行。

我们来看下面的示例代码：

// 中断线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        t.interrupt(); // 中断t线程
        t.join(); // 等待t线程结束
        System.out.println("end");
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        Thread hello = new HelloThread();
        hello.start(); // 启动hello线程
        try {
            hello.join(); // 等待hello线程结束
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("interrupted!");
        }
        hello.interrupt();
    }
}

class HelloThread extends Thread {
    public void run() {
        int n = 0;
        while (!isInterrupted()) {
            n++;
            System.out.println(n + " hello!");
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                break;
            }
        }
    }
}

main线程通过调用t.interrupt()从而通知t线程中断，而此时t线程正位于hello.join()的等待中，此方法会立刻结束等待并抛出InterruptedException。由于我们在t线程中捕获了InterruptedException，因此，就可以准备结束该线程。在t线程结束前，对hello线程也进行了interrupt()调用通知其中断。如果去掉这一行代码，可以发现hello线程仍然会继续运行，且JVM不会退出。

另一个常用的中断线程的方法是设置标志位。我们通常会用一个running标志位来标识线程是否应该继续运行，在外部线程中，通过把HelloThread.running置为false，就可以让线程结束：

// 中断线程
public class Main {
    public static void main(String[] args)  throws InterruptedException {
        HelloThread t = new HelloThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1);
        t.running = false; // 标志位置为false
    }
}

class HelloThread extends Thread {
    public volatile boolean running = true;
    public void run() {
        int n = 0;
        while (running) {
            n ++;
            System.out.println(n + " hello!");
        }
        System.out.println("end!");
    }
}

注意到HelloThread的标志位boolean running是一个线程间共享的变量。线程间共享变量需要使用volatile关键字标记，确保每个线程都能读取到更新后的变量值。

为什么要对线程间共享的变量用关键字volatile声明？这涉及到Java的内存模型。在Java虚拟机中，变量的值保存在主内存中，但是，当线程访问变量时，它会先获取一个副本，并保存在自己的工作内存中。如果线程修改了变量的值，虚拟机会在某个时刻把修改后的值回写到主内存，但是，这个时间是不确定的！

┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐
           Main Memory
│                               │
   ┌───────┐┌───────┐┌───────┐
│  │ var A ││ var B ││ var C │  │
   └───────┘└───────┘└───────┘
│     │ ▲               │ ▲     │
 ─ ─ ─│─│─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─│─│─ ─ ─
      │ │               │ │
┌ ─ ─ ┼ ┼ ─ ─ ┐   ┌ ─ ─ ┼ ┼ ─ ─ ┐
      ▼ │               ▼ │
│  ┌───────┐  │   │  ┌───────┐  │
   │ var A │         │ var C │
│  └───────┘  │   │  └───────┘  │
   Thread 1          Thread 2
└ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┘   └ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┘

这会导致如果一个线程更新了某个变量，另一个线程读取的值可能还是更新前的。例如，主内存的变量a = true，线程1执行a = false时，它在此刻仅仅是把变量a的副本变成了false，主内存的变量a还是true，在JVM把修改后的a回写到主内存之前，其他线程读取到的a的值仍然是true，这就造成了多线程之间共享的变量不一致。

因此，volatile关键字的目的是告诉虚拟机：

• 每次访问变量时，总是获取主内存的最新值；
• 每次修改变量后，立刻回写到主内存。

volatile关键字解决的是可见性问题：当一个线程修改了某个共享变量的值，其他线程能够立刻看到修改后的值。

如果我们去掉volatile关键字，运行上述程序，发现效果和带volatile差不多，这是因为在x86的架构下，JVM回写主内存的速度非常快，但是，换成ARM的架构，就会有显著的延迟。

示例 🚀

// File: QS/Workstation/src/test/java/j2se/ThreadInterruptTest.java
package j2se;

import com.alibaba.fastjson2.JSONArray;
import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;


@Slf4j
public class ThreadInterruptTest {
    public static void main(String[] args) {
        String[] filePaths = new String[]{
                "https://qinshan.top/download/file1.zip",
                "https://qinshan.top/download/file2.zip",
                "https://qinshan.top/download/file3.zip",
                "https://qinshan.top/download/file4.zip",
                "https://qinshan.top/download/file5.zip"
        };
        DownloadFiles downloadFiles = new DownloadFiles(filePaths);
        downloadFiles.download();
    }

    @Data
    @AllArgsConstructor
    @NoArgsConstructor
    static class DownloadFiles {
        private String[] filePaths = new String[0];
        public static Map<String, Thread> downloadThreadMap = new ConcurrentHashMap<>();

        public void download() {
            log.info("批量下载文件开始, filenames={}", JSONArray.toJSONString(filePaths));
            final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(filePaths.length);
            for (String filePath : filePaths) {
                Thread thread = new Thread(() -> {
                    int partsNum = 3;
                    for (int i = 0; i < partsNum; i++) {
                        if (Thread.interrupted()) {
                            // TODO: Delete bytes already downloaded
                            log.info("终止下载文件：{}", filePath);
                            countDownLatch.countDown();
                            return;
                        }
                        DownloadUtils.downloadPart(filePath, i);
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                });
                thread.start();
                downloadThreadMap.put(filePath, thread);
            }

            while (countDownLatch.getCount() > 0) {
                String file = "https://qinshan.top/download/file4.zip";
                if (DownloadFiles.downloadThreadMap.containsKey(file)) {
                    Thread thread = downloadThreadMap.get(file);
                    String status = thread.getState().toString();
                    if (!status.equals("NEW")) {
                        log.info("发现需要取消的文件（{}），调用interrupt", file);
                        thread.interrupt();
                        DownloadFiles.downloadThreadMap.remove(file);
                    }

                }
            }

            log.info("批量下载文件结束");
        }
    }

    static class DownloadUtils {
        public static void downloadPart(String filePath, int partNo) {
            log.info("下载文件片段, filePath={}, partNo={}", filePath, partNo);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

守护线程 🚀

总结：

守护线程是为其他线程服务的线程；

所有非守护线程都执行完毕后，虚拟机退出，守护线程随之结束；

守护线程不能持有需要关闭的资源（如打开文件等）。

Java程序入口就是由JVM启动main线程，main线程又可以启动其他线程。当所有线程都运行结束时，JVM退出，进程结束。

如果有一个线程没有退出，JVM进程就不会退出。所以，必须保证所有线程都能及时结束。

但是有一种线程的目的就是无限循环，例如，一个定时触发任务的线程：

class TimerThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            System.out.println(LocalTime.now());
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                break;
            }
        }
    }
}

如果这个线程不结束，JVM进程就无法结束。问题是，由谁负责结束这个线程？

然而这类线程经常没有负责人来负责结束它们。但是，当其他线程结束时，JVM进程又必须要结束，怎么办？

答案是使用守护线程（Daemon Thread）。

守护线程是指为其他线程服务的线程。在JVM中，所有非守护线程都执行完毕后，无论有没有守护线程，虚拟机都会自动退出。

因此，JVM退出时，不必关心守护线程是否已结束。

如何创建守护线程呢？方法和普通线程一样，只是在调用start()方法前，调用setDaemon(true)把该线程标记为守护线程：

Thread t = new MyThread();
t.setDaemon(true);
t.start();

在守护线程中，编写代码要注意：守护线程不能持有任何需要关闭的资源，例如打开文件等，因为虚拟机退出时，守护线程没有任何机会来关闭文件，这会导致数据丢失。

线程同步：同步方法 🚀

总结：

用synchronized修饰方法可以把整个方法变为同步代码块，synchronized方法加锁对象是this；

通过合理的设计和数据封装可以让一个类变为“线程安全”；

一个类没有特殊说明，默认不是thread-safe；

多线程能否安全访问某个非线程安全的实例，需要具体问题具体分析。

我们知道Java程序依靠synchronized对线程进行同步，使用synchronized的时候，锁住的是哪个对象非常重要。

让线程自己选择锁对象往往会使得代码逻辑混乱，也不利于封装。更好的方法是把synchronized逻辑封装起来。例如，我们编写一个计数器如下：

public class Counter {
    private int count = 0;

    public void add(int n) {
        synchronized(this) {
            count += n;
        }
    }

    public void dec(int n) {
        synchronized(this) {
            count -= n;
        }
    }

    public int get() {
        return count;
    }
}

这样一来，线程调用add()、dec()方法时，它不必关心同步逻辑，因为synchronized代码块在add()、dec()方法内部。并且，我们注意到，synchronized锁住的对象是this，即当前实例，这又使得创建多个Counter实例的时候，它们之间互不影响，可以并发执行：

var c1 = Counter();
var c2 = Counter();

// 对c1进行操作的线程:
new Thread(() -> {
    c1.add();
}).start();
new Thread(() -> {
    c1.dec();
}).start();

// 对c2进行操作的线程:
new Thread(() -> {
    c2.add();
}).start();
new Thread(() -> {
    c2.dec();
}).start();

现在，对于Counter类，多线程可以正确调用。

如果一个类被设计为允许多线程正确访问，我们就说这个类就是“线程安全”的（thread-safe），上面的Counter类就是线程安全的。Java标准库的java.lang.StringBuffer也是线程安全的。

还有一些不变类，例如String，Integer，LocalDate，它们的所有成员变量都是final，多线程同时访问时只能读不能写，这些不变类也是线程安全的。

最后，类似Math这些只提供静态方法，没有成员变量的类，也是线程安全的。

除了上述几种少数情况，大部分类，例如ArrayList，都是非线程安全的类，我们不能在多线程中修改它们。但是，如果所有线程都只读取，不写入，那么ArrayList是可以安全地在线程间共享的。

提示：没有特殊说明时，一个类默认是非线程安全的。

我们再观察Counter的代码：

public class Counter {
    public void add(int n) {
        synchronized(this) {
            count += n;
        }
    }
    ...
}

当我们锁住的是this实例时，实际上可以用synchronized修饰这个方法。下面两种写法是等价的：

public void add(int n) {
    synchronized(this) { // 锁住this
        count += n;
    } // 解锁
}

写法二：

public synchronized void add(int n) { // 锁住this
    count += n;
} // 解锁

因此，用synchronized修饰的方法就是同步方法，它表示整个方法都必须用this实例加锁。

我们再思考一下，如果对一个静态方法添加synchronized修饰符，它锁住的是哪个对象？

public synchronized static void test(int n) {
    ...
}

对于static方法，是没有this实例的，因为static方法是针对类而不是实例。但是我们注意到任何一个类都有一个由JVM自动创建的Class实例，因此，对static方法添加synchronized，锁住的是该类的Class实例。上述synchronized static方法实际上相当于：

public class Counter {
    public static void test(int n) {
        synchronized(Counter.class) {
            ...
        }
    }
}

我们再考察Counter的get()方法：

public class Counter {
    private int count;

    public int get() {
        return count;
    }
    ...
}

它没有同步，因为读一个int变量不需要同步。

然而，如果我们把代码稍微改一下，返回一个包含两个int的对象：

public class Counter {
    private int first;
    private int last;

    public Pair get() {
        Pair p = new Pair();
        p.first = first;
        p.last = last;
        return p;
    }
    ...
}

就必须要同步了。

线程同步：死锁 🚀

总结

Java的synchronized锁是可重入锁；

死锁产生的条件是多线程各自持有不同的锁，并互相试图获取对方已持有的锁，导致无限等待；

避免死锁的方法是多线程获取锁的顺序要一致。

Java的线程锁是可重入的锁。什么是可重入的锁？我们还是来看例子：

public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void add(int n) {
        if (n < 0) {
            dec(-n);
        } else {
            count += n;
        }
    }

    public synchronized void dec(int n) {
        count += n;
    }
}

观察synchronized修饰的add()方法，一旦线程执行到add()方法内部，说明它已经获取了当前实例的this锁。如果传入的n < 0，将在add()方法内部调用dec()方法。由于dec()方法也需要获取this锁，现在问题来了：

对同一个线程，能否在获取到锁以后继续获取同一个锁？答案是肯定的。

JVM允许同一个线程重复获取同一个锁，这种能被同一个线程反复获取的锁，就叫做可重入锁。

由于Java的线程锁是可重入锁，所以，获取锁的时候，不但要判断是否是第一次获取，还要记录这是第几次获取。每获取一次锁，记录+1，每退出synchronized块，记录-1，减到0的时候，才会真正释放锁。

死锁 🚀

一个线程可以获取一个锁后，再继续获取另一个锁。例如：

public void add(int m) {
    synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁
        this.value += m;
        synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁
            this.another += m;
        } // 释放lockB的锁
    } // 释放lockA的锁
}

public void dec(int m) {
    synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁
        this.another -= m;
        synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁
            this.value -= m;
        } // 释放lockA的锁
    } // 释放lockB的锁
}

在获取多个锁的时候，不同线程获取多个不同对象的锁可能导致死锁。对于上述代码，线程1和线程2如果分别执行add()和dec()方法时：

• 线程1：进入add()，获得lockA；
• 线程2：进入dec()，获得lockB。

随后：

• 线程1：准备获得lockB，失败，等待中；
• 线程2：准备获得lockA，失败，等待中。

此时，两个线程各自持有不同的锁，然后各自试图获取对方手里的锁，造成了双方无限等待下去，这就是死锁。

死锁发生后，没有任何机制能解除死锁，只能强制结束JVM进程。

因此，在编写多线程应用时，要特别注意防止死锁。因为死锁一旦形成，就只能强制结束进程。

那么我们应该如何避免死锁呢？答案是：线程获取锁的顺序要一致。即严格按照先获取lockA，再获取lockB的顺序，改写dec()方法如下：

public void dec(int m) {
    synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁
        this.value -= m;
        synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁
            this.another -= m;
        } // 释放lockB的锁
    } // 释放lockA的锁
}

线程同步：wait和notify 🚀

总结：wait和notify用于多线程协调运行：

• 在synchronized内部可以调用wait()使线程进入等待状态；
• 必须在已获得的锁对象上调用wait()方法；
• 在synchronized内部可以调用notify()或notifyAll()唤醒其他等待线程；
• 必须在已获得的锁对象上调用notify()或notifyAll()方法；
• 已唤醒的线程还需要重新获得锁后才能继续执行。

在Java程序中，synchronized解决了多线程竞争的问题。例如，对于一个任务管理器，多个线程同时往队列中添加任务，可以用synchronized加锁：

class TaskQueue {
    Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public synchronized void addTask(String s) {
        this.queue.add(s);
    }
}

但是synchronized并没有解决多线程协调的问题。

仍然以上面的TaskQueue为例，我们再编写一个getTask()方法取出队列的第一个任务：

class TaskQueue {
    Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public synchronized void addTask(String s) {
        this.queue.add(s);
    }

    public synchronized String getTask() {
        while (queue.isEmpty()) {
        }
        return queue.remove();
    }
}

上述代码看上去没有问题：getTask()内部先判断队列是否为空，如果为空，就循环等待，直到另一个线程往队列中放入了一个任务，while()循环退出，就可以返回队列的元素了。

但实际上while()循环永远不会退出。因为线程在执行while()循环时，已经在getTask()入口获取了this锁，其他线程根本无法调用addTask()，因为addTask()执行条件也是获取this锁。

因此，执行上述代码，线程会在getTask()中因为死循环而100%占用CPU资源。

如果深入思考一下，我们想要的执行效果是：

• 线程1可以调用addTask()不断往队列中添加任务；
• 线程2可以调用getTask()从队列中获取任务。如果队列为空，则getTask()应该等待，直到队列中至少有一个任务时再返回。

因此，多线程协调运行的原则就是：当条件不满足时，线程进入等待状态；当条件满足时，线程被唤醒，继续执行任务。

对于上述TaskQueue，我们先改造getTask()方法，在条件不满足时，线程进入等待状态：

public synchronized String getTask() {
    while (queue.isEmpty()) {
        this.wait();
    }
    return queue.remove();
}

当一个线程执行到getTask()方法内部的while循环时，它必定已经获取到了this锁，此时，线程执行while条件判断，如果条件成立（队列为空），线程将执行this.wait()，进入等待状态。

这里的关键是：wait()方法必须在当前获取的锁对象上调用，这里获取的是this锁，因此调用this.wait()。

调用wait()方法后，线程进入等待状态，wait()方法不会返回，直到将来某个时刻，线程从等待状态被其他线程唤醒后，wait()方法才会返回，然后，继续执行下一条语句。

有些仔细的童鞋会指出：即使线程在getTask()内部等待，其他线程如果拿不到this锁，照样无法执行addTask()，肿么办？

这个问题的关键就在于wait()方法的执行机制非常复杂。首先，它不是一个普通的Java方法，而是定义在Object类的一个native方法，也就是由JVM的C代码实现的。其次，必须在synchronized块中才能调用wait()方法，因为wait()方法调用时，会释放线程获得的锁，wait()方法返回时，线程又会重新试图获得锁。

因此，只能在锁对象上调用wait()方法。因为在getTask()中，我们获得了this锁，因此，只能在this对象上调用wait()方法：

public synchronized String getTask() {
    while (queue.isEmpty()) {
        // 释放this锁:
        this.wait();
        // 重新获取this锁
    }
    return queue.remove();
}

当一个线程在this.wait()等待时，它就会释放this锁，从而使得其他线程能够在addTask()方法获得this锁。

现在我们面临第二个问题：如何让等待的线程被重新唤醒，然后从wait()方法返回？答案是在相同的锁对象上调用notify()方法。我们修改addTask()如下：

public synchronized void addTask(String s) {
    this.queue.add(s);
    this.notify(); // 唤醒在this锁等待的线程
}

注意到在往队列中添加了任务后，线程立刻对this锁对象调用notify()方法，这个方法会唤醒一个正在this锁等待的线程（就是在getTask()中位于this.wait()的线程），从而使得等待线程从this.wait()方法返回。

我们来看一个完整的例子：

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        var q = new TaskQueue();
        var ts = new ArrayList<Thread>();
        for (int i=0; i<5; i++) {
            var t = new Thread() {
                public void run() {
                    // 执行task:
                    while (true) {
                        try {
                            String s = q.getTask();
                            System.out.println("execute task: " + s);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            return;
                        }
                    }
                }
            };
            t.start();
            ts.add(t);
        }
        var add = new Thread(() -> {
            for (int i=0; i<10; i++) {
                // 放入task:
                String s = "t-" + Math.random();
                System.out.println("add task: " + s);
                q.addTask(s);
                try { Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e) {}
            }
        });
        add.start();
        add.join();
        Thread.sleep(100);
        for (var t : ts) {
            t.interrupt();
        }
    }
}

class TaskQueue {
    Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public synchronized void addTask(String s) {
        this.queue.add(s);
        this.notifyAll();
    }

    public synchronized String getTask() throws InterruptedException {
        while (queue.isEmpty()) {
            this.wait();
        }
        return queue.remove();
    }
}

这个例子中，我们重点关注addTask()方法，内部调用了this.notifyAll()而不是this.notify()，使用notifyAll()将唤醒所有当前正在this锁等待的线程，而notify()只会唤醒其中一个（具体哪个依赖操作系统，有一定的随机性）。这是因为可能有多个线程正在getTask()方法内部的wait()中等待，使用notifyAll()将一次性全部唤醒。通常来说，notifyAll()更安全。有些时候，如果我们的代码逻辑考虑不周，用notify()会导致只唤醒了一个线程，而其他线程可能永远等待下去醒不过来了。

但是，注意到wait()方法返回时需要重新获得this锁。假设当前有3个线程被唤醒，唤醒后，首先要等待执行addTask()的线程结束此方法后，才能释放this锁，随后，这3个线程中只能有一个获取到this锁，剩下两个将继续等待。

再注意到我们在while()循环中调用wait()，而不是if语句：

public synchronized String getTask() throws InterruptedException {
    if (queue.isEmpty()) {
        this.wait();
    }
    return queue.remove();
}

这种写法实际上是错误的，因为线程被唤醒时，需要再次获取this锁。多个线程被唤醒后，只有一个线程能获取this锁，此刻，该线程执行queue.remove()可以获取到队列的元素，然而，剩下的线程如果获取this锁后执行queue.remove()，此刻队列可能已经没有任何元素了，所以，要始终在while循环中wait()，并且每次被唤醒后拿到this锁就必须再次判断：

while (queue.isEmpty()) {
    this.wait();
}

所以，正确编写多线程代码是非常困难的，需要仔细考虑的条件非常多，任何一个地方考虑不周，都会导致多线程运行时不正常。

线程同步：ReentrantLock 🚀

总结：

ReentrantLock可以替代synchronized进行同步；

ReentrantLock获取锁更安全；

必须先获取到锁，再进入try {...}代码块，最后使用finally保证释放锁；

可以使用tryLock()尝试获取锁。

从Java 5开始，引入了一个高级的处理并发的java.util.concurrent包，它提供了大量更高级的并发功能，能大大简化多线程程序的编写。

我们知道Java语言直接提供了synchronized关键字用于加锁，但这种锁一是很重，二是获取时必须一直等待，没有额外的尝试机制。

java.util.concurrent.locks包提供的ReentrantLock用于替代synchronized加锁，我们来看一下传统的synchronized代码：

public class Counter {
    private int count;

    public void add(int n) {
        synchronized(this) {
            count += n;
        }
    }
}

如果用ReentrantLock替代，可以把代码改造为：

public class Counter {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private int count;

    public void add(int n) {
        lock.lock();
        try {
            count += n;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

因为synchronized是Java语言层面提供的语法，所以我们不需要考虑异常，而ReentrantLock是Java代码实现的锁，我们就必须先获取锁，然后在finally中正确释放锁。

顾名思义，ReentrantLock是可重入锁，它和synchronized一样，一个线程可以多次获取同一个锁。

和synchronized不同的是，ReentrantLock可以尝试获取锁：

if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
    try {
        ...
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

上述代码在尝试获取锁的时候，最多等待1秒。如果1秒后仍未获取到锁，tryLock()返回false，程序就可以做一些额外处理，而不是无限等待下去。

所以，使用ReentrantLock比直接使用synchronized更安全，线程在tryLock()失败的时候不会导致死锁。

线程同步：Condition 🚀

总结：

Condition可以替代wait和notify；

Condition对象必须从Lock对象获取。

使用ReentrantLock比直接使用synchronized更安全，可以替代synchronized进行线程同步。

但是，synchronized可以配合wait和notify实现线程在条件不满足时等待，条件满足时唤醒，用ReentrantLock我们怎么编写wait和notify的功能呢？

答案是使用Condition对象来实现wait和notify的功能。

我们仍然以TaskQueue为例，把前面用synchronized实现的功能通过ReentrantLock和Condition来实现：

class TaskQueue {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    private Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public void addTask(String s) {
        lock.lock();
        try {
            queue.add(s);
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String getTask() {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.isEmpty()) {
                condition.await();
            }
            return queue.remove();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

可见，使用Condition时，引用的Condition对象必须从Lock实例的newCondition()返回，这样才能获得一个绑定了Lock实例的Condition实例。

Condition提供的await()、signal()、signalAll()原理和synchronized锁对象的wait()、notify()、notifyAll()是一致的，并且其行为也是一样的：

• await()会释放当前锁，进入等待状态；
• signal()会唤醒某个等待线程；
• signalAll()会唤醒所有等待线程；
• 唤醒线程从await()返回后需要重新获得锁。

此外，和tryLock()类似，await()可以在等待指定时间后，如果还没有被其他线程通过signal()或signalAll()唤醒，可以自己醒来：

if (condition.await(1, TimeUnit.SECOND)) {
    // 被其他线程唤醒
} else {
    // 指定时间内没有被其他线程唤醒
}

可见，使用Condition配合Lock，我们可以实现更灵活的线程同步。

线程同步：ReadWriteLock 🚀

总结：

使用ReadWriteLock可以提高读取效率：

• ReadWriteLock只允许一个线程写入；
• ReadWriteLock允许多个线程在没有写入时同时读取；
• ReadWriteLock适合读多写少的场景。

前面讲到的ReentrantLock保证了只有一个线程可以执行临界区代码：

public class Counter {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private int[] counts = new int[10];

    public void inc(int index) {
        lock.lock();
        try {
            counts[index] += 1;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int[] get() {
        lock.lock();
        try {
            return Arrays.copyOf(counts, counts.length);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

但是有些时候，这种保护有点过头。因为我们发现，任何时刻，只允许一个线程修改，也就是调用inc()方法是必须获取锁，但是，get()方法只读取数据，不修改数据，它实际上允许多个线程同时调用。

实际上我们想要的是：允许多个线程同时读，但只要有一个线程在写，其他线程就必须等待：

线程1\线程2	读	写
读	允许	不允许
写	不允许	不允许

使用ReadWriteLock可以解决这个问题，它保证：

• 只允许一个线程写入（其他线程既不能写入也不能读取）；
• 没有写入时，多个线程允许同时读（提高性能）。

用ReadWriteLock实现这个功能十分容易。我们需要创建一个ReadWriteLock实例，然后分别获取读锁和写锁：

public class Counter {
    private final ReadWriteLock rwlock = new ReentrantReadWriteLock();
    // 注意: 一对读锁和写锁必须从同一个rwlock获取:
    private final Lock rlock = rwlock.readLock();
    private final Lock wlock = rwlock.writeLock();
    private int[] counts = new int[10];

    public void inc(int index) {
        wlock.lock(); // 加写锁
        try {
            counts[index] += 1;
        } finally {
            wlock.unlock(); // 释放写锁
        }
    }

    public int[] get() {
        rlock.lock(); // 加读锁
        try {
            return Arrays.copyOf(counts, counts.length);
        } finally {
            rlock.unlock(); // 释放读锁
        }
    }
}

把读写操作分别用读锁和写锁来加锁，在读取时，多个线程可以同时获得读锁，这样就大大提高了并发读的执行效率。

使用ReadWriteLock时，适用条件是同一个数据，有大量线程读取，但仅有少数线程修改。

例如，一个论坛的帖子，回复可以看做写入操作，它是不频繁的，但是，浏览可以看做读取操作，是非常频繁的，这种情况就可以使用ReadWriteLock。

线程同步：StampedLock 🚀

总结：

StampedLock提供了乐观读锁，可取代ReadWriteLock以进一步提升并发性能；

StampedLock是不可重入锁。

前面介绍的ReadWriteLock可以解决多线程同时读，但只有一个线程能写的问题。

如果我们深入分析ReadWriteLock，会发现它有个潜在的问题：如果有线程正在读，写线程需要等待读线程释放锁后才能获取写锁，即读的过程中不允许写，这是一种悲观的读锁。

要进一步提升并发执行效率，Java 8引入了新的读写锁：StampedLock。

StampedLock和ReadWriteLock相比，改进之处在于：读的过程中也允许获取写锁后写入！这样一来，我们读的数据就可能不一致，所以，需要一点额外的代码来判断读的过程中是否有写入，这种读锁是一种乐观锁。

乐观锁的意思就是乐观地估计读的过程中大概率不会有写入，因此被称为乐观锁。反过来，悲观锁则是读的过程中拒绝有写入，也就是写入必须等待。显然乐观锁的并发效率更高，但一旦有小概率的写入导致读取的数据不一致，需要能检测出来，再读一遍就行。

我们来看例子：

public class Point {
    private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();

    private double x;
    private double y;

    public void move(double deltaX, double deltaY) {
        long stamp = stampedLock.writeLock(); // 获取写锁
        try {
            x += deltaX;
            y += deltaY;
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
        }
    }

    public double distanceFromOrigin() {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 获得一个乐观读锁
        // 注意下面两行代码不是原子操作
        // 假设x,y = (100,200)
        double currentX = x;
        // 此处已读取到x=100，但x,y可能被写线程修改为(300,400)
        double currentY = y;
        // 此处已读取到y，如果没有写入，读取是正确的(100,200)
        // 如果有写入，读取是错误的(100,400)
        if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 检查乐观读锁后是否有其他写锁发生
            stamp = stampedLock.readLock(); // 获取一个悲观读锁
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
            }
        }
        return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
    }
}

和ReadWriteLock相比，写入的加锁是完全一样的，不同的是读取。注意到首先我们通过tryOptimisticRead()获取一个乐观读锁，并返回版本号。接着进行读取，读取完成后，我们通过validate()去验证版本号，如果在读取过程中没有写入，版本号不变，验证成功，我们就可以放心地继续后续操作。如果在读取过程中有写入，版本号会发生变化，验证将失败。在失败的时候，我们再通过获取悲观读锁再次读取。由于写入的概率不高，程序在绝大部分情况下可以通过乐观读锁获取数据，极少数情况下使用悲观读锁获取数据。

可见，StampedLock把读锁细分为乐观读和悲观读，能进一步提升并发效率。但这也是有代价的：一是代码更加复杂，二是StampedLock是不可重入锁，不能在一个线程中反复获取同一个锁。

StampedLock还提供了更复杂的将悲观读锁升级为写锁的功能，它主要使用在if-then-update的场景：即先读，如果读的数据满足条件，就返回，如果读的数据不满足条件，再尝试写。

线程同步：Semaphore 🚀

总结：

如果要对某一受限资源进行限流访问，可以使用Semaphore，保证同一时间最多N个线程访问受限资源。

Semaphore：美[ˈseməfɔːr]，n. 旗语; 信号标。

前面我们讲了各种锁的实现，本质上锁的目的是保护一种受限资源，保证同一时刻只有一个线程能访问（ReentrantLock），或者只有一个线程能写入（ReadWriteLock）。

还有一种受限资源，它需要保证同一时刻最多有N个线程能访问，比如同一时刻最多创建100个数据库连接，最多允许10个用户下载等。

这种限制数量的锁，如果用Lock数组来实现，就太麻烦了。

这种情况就可以使用Semaphore，例如，最多允许3个线程同时访问：

public class AccessLimitControl {
    // 任意时刻仅允许最多3个线程获取许可:
    final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

    public String access() throws Exception {
        // 如果超过了许可数量,其他线程将在此等待:
        semaphore.acquire();
        try {
            // TODO:
            return UUID.randomUUID().toString();
        } finally {
            semaphore.release();
        }
    }
}

使用Semaphore先调用acquire()获取，然后通过try ... finally保证在finally中释放。

调用acquire()可能会进入等待，直到满足条件为止。也可以使用tryAcquire()指定等待时间：

if (semaphore.tryAcquire(3, TimeUnit.SECONDS)) {
    // 指定等待时间3秒内获取到许可:
    try {
        // TODO:
    } finally {
        semaphore.release();
    }
}

Semaphore本质上就是一个信号计数器，用于限制同一时间的最大访问数量。

线程同步：Concurrent集合 🚀

总结：

使用java.util.concurrent包提供的线程安全的并发集合可以大大简化多线程编程：

多线程同时读写并发集合是安全的；

尽量使用Java标准库提供的并发集合，避免自己编写同步代码。

我们在前面已经通过ReentrantLock和Condition实现了一个BlockingQueue：

public class TaskQueue {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    private Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public void addTask(String s) {
        lock.lock();
        try {
            queue.add(s);
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String getTask() {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.isEmpty()) {
                condition.await();
            }
            return queue.remove();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

BlockingQueue的意思就是说，当一个线程调用这个TaskQueue的getTask()方法时，该方法内部可能会让线程变成等待状态，直到队列条件满足不为空，线程被唤醒后，getTask()方法才会返回。

因为BlockingQueue非常有用，所以我们不必自己编写，可以直接使用Java标准库的java.util.concurrent包提供的线程安全的集合：ArrayBlockingQueue。

除了BlockingQueue外，针对List、Map、Set、Deque等，java.util.concurrent包也提供了对应的并发集合类。我们归纳一下：

interface	non-thread-safe	thread-safe
List	ArrayList	CopyOnWriteArrayList
Map	HashMap	ConcurrentHashMap
Set	HashSet / TreeSet	CopyOnWriteArraySet
Queue	ArrayDeque / LinkedList	ArrayBlockingQueue / LinkedBlockingQueue
Deque	ArrayDeque / LinkedList	LinkedBlockingDeque

使用这些并发集合与使用非线程安全的集合类完全相同。我们以ConcurrentHashMap为例：

Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
// 在不同的线程读写:
map.put("A", "1");
map.put("B", "2");
map.get("A", "1");

因为所有的同步和加锁的逻辑都在集合内部实现，对外部调用者来说，只需要正常按接口引用，其他代码和原来的非线程安全代码完全一样。即当我们需要多线程访问时，把：

Map<String, String> map = new HashMap<>();

改为：

Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();

就可以了。

java.util.Collections工具类还提供了一个旧的线程安全集合转换器，可以这么用：

Map unsafeMap = new HashMap();
Map threadSafeMap = Collections.synchronizedMap(unsafeMap);

但是它实际上是用一个包装类包装了非线程安全的Map，然后对所有读写方法都用synchronized加锁，这样获得的线程安全集合的性能比java.util.concurrent集合要低很多，所以不推荐使用。

线程同步：Atomic 🚀

总结：

使用java.util.concurrent.atomic提供的原子操作可以简化多线程编程：

• 原子操作实现了无锁的线程安全；
• 适用于计数器，累加器等。

Java的java.util.concurrent包除了提供底层锁、并发集合外，还提供了一组原子操作的封装类，它们位于java.util.concurrent.atomic包。

我们以AtomicInteger为例，它提供的主要操作有：

• 增加值并返回新值：int addAndGet(int delta)
• 加1后返回新值：int incrementAndGet()
• 获取当前值：int get()
• 用CAS方式设置：int compareAndSet(int expect, int update)

Atomic类是通过无锁（lock-free）的方式实现的线程安全（thread-safe）访问。它的主要原理是利用了CAS：Compare and Set。

如果我们自己通过CAS编写incrementAndGet()，它大概长这样：

public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
    int prev, next;
    do {
        prev = var.get();
        next = prev + 1;
    } while ( ! var.compareAndSet(prev, next));
    return next;
}

CAS是指，在这个操作中，如果AtomicInteger的当前值是prev，那么就更新为next，返回true。如果AtomicInteger的当前值不是prev，就什么也不干，返回false。通过CAS操作并配合do ... while循环，即使其他线程修改了AtomicInteger的值，最终的结果也是正确的。

我们利用AtomicLong可以编写一个多线程安全的全局唯一ID生成器：

class IdGenerator {
    AtomicLong var = new AtomicLong(0);

    public long getNextId() {
        return var.incrementAndGet();
    }
}

通常情况下，我们并不需要直接用do ... while循环调用compareAndSet实现复杂的并发操作，而是用incrementAndGet()这样的封装好的方法，因此，使用起来非常简单。

在高度竞争的情况下，还可以使用Java 8提供的LongAdder和LongAccumulator。

使用线程池 🚀

总结：线程创建需要消耗较多资源，可使用线程池让多个任务复用线程，减少不必要的开销。JDK提供了ExecutorService实现了线程池功能：

• 线程池内部维护一组线程，可以高效执行大量小任务；
• Executors提供了静态方法创建不同类型的ExecutorService；
• 必须调用shutdown()关闭ExecutorService；
• ScheduledThreadPool可以定期调度多个任务。

Java语言虽然内置了多线程支持，启动一个新线程非常方便。但是，创建线程需要操作系统资源（线程资源，栈空间等），频繁创建和销毁大量线程需要消耗大量时间。

如果可以复用一组线程：

┌─────┐ execute  ┌──────────────────┐
│Task1│─────────▶│ThreadPool        │
├─────┤          │┌───────┐┌───────┐│
│Task2│          ││Thread1││Thread2││
├─────┤          │└───────┘└───────┘│
│Task3│          │┌───────┐┌───────┐│
├─────┤          ││Thread3││Thread4││
│Task4│          │└───────┘└───────┘│
├─────┤          └──────────────────┘
│Task5│
├─────┤
│Task6│
└─────┘
  ...

那么我们就可以把很多小任务让一组线程来执行，而不是一个任务对应一个新线程。这种能接收大量小任务并进行分发处理的就是线程池。

简单地说，线程池内部维护了若干个线程，没有任务的时候，这些线程都处于等待状态。如果有新任务，就分配一个空闲线程执行。如果所有线程都处于忙碌状态，新任务要么放入队列等待，要么增加一个新线程进行处理。

ExecutorService

Java标准库提供了ExecutorService接口表示线程池，它的典型用法如下：

// 创建固定大小的线程池:
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 提交任务:
executor.submit(task1);
executor.submit(task2);
executor.submit(task3);
executor.submit(task4);
executor.submit(task5);

因为ExecutorService只是接口，Java标准库提供的几个常用实现类有：

• FixedThreadPool：线程数固定的线程池；
• CachedThreadPool：线程数根据任务动态调整的线程池；
• SingleThreadExecutor：仅单线程执行的线程池。

创建这些线程池的方法都被封装到Executors这个类中。我们以FixedThreadPool为例，看看线程池的执行逻辑：

// thread-pool
import java.util.concurrent.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池:
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(4);
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            es.submit(new Task("" + i));
        }
        // 关闭线程池:
        es.shutdown();
    }
}

class Task implements Runnable {
    private final String name;

    public Task(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start task " + name);
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        System.out.println("end task " + name);
    }
}

我们观察执行结果，一次性放入6个任务，由于线程池只有固定的4个线程，因此，前4个任务会同时执行，等到有线程空闲后，才会执行后面的两个任务。

线程池在程序结束的时候要关闭。使用shutdown()方法关闭线程池的时候，它会等待正在执行的任务先完成，然后再关闭。shutdownNow()会立刻停止正在执行的任务，awaitTermination()则会等待指定的时间让线程池关闭。

如果我们把线程池改为CachedThreadPool，由于这个线程池的实现会根据任务数量动态调整线程池的大小，所以6个任务可一次性全部同时执行。

如果我们想把线程池的大小限制在4～10个之间动态调整怎么办？我们查看Executors.newCachedThreadPool()方法的源码：

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(
            0, Integer.MAX_VALUE,
            60L, TimeUnit.SECONDS,
            new SynchronousQueue<Runnable>());
}

因此，想创建指定动态范围的线程池，可以这么写：

int min = 4;
int max = 10;
ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(
        min, max,
        60L, TimeUnit.SECONDS,
        new SynchronousQueue<Runnable>());

ScheduledThreadPool 🚀

还有一种任务，需要定期反复执行，例如，每秒刷新证券价格。这种任务本身固定，需要反复执行的，可以使用ScheduledThreadPool。放入ScheduledThreadPool的任务可以定期反复执行。

创建一个ScheduledThreadPool仍然是通过Executors类：

ScheduledExecutorService ses = Executors.newScheduledThreadPool(4);

我们可以提交一次性任务，它会在指定延迟后只执行一次：

// 1秒后执行一次性任务:
ses.schedule(new Task("one-time"), 1, TimeUnit.SECONDS);

如果任务以固定的每3秒执行，我们可以这样写：

// 2秒后开始执行定时任务，每3秒执行:
ses.scheduleAtFixedRate(new Task("fixed-rate"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);

如果任务以固定的3秒为间隔执行，我们可以这样写：

// 2秒后开始执行定时任务，以3秒为间隔执行:
ses.scheduleWithFixedDelay(new Task("fixed-delay"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);

注意FixedRate和FixedDelay的区别。FixedRate是指任务总是以固定时间间隔触发，不管任务执行多长时间：

│░░░░   │░░░░░░ │░░░    │░░░░░  │░░░  
├───────┼───────┼───────┼───────┼────▶
│◀─────▶│◀─────▶│◀─────▶│◀─────▶│

而FixedDelay是指，上一次任务执行完毕后，等待固定的时间间隔，再执行下一次任务：

│░░░│       │░░░░░│       │░░│       │░
└───┼───────┼─────┼───────┼──┼───────┼──▶
    │◀─────▶│     │◀─────▶│  │◀─────▶│

因此，使用ScheduledThreadPool时，我们要根据需要选择执行一次、FixedRate执行还是FixedDelay执行。

细心的童鞋还可以思考下面的问题：

• 在FixedRate模式下，假设每秒触发，如果某次任务执行时间超过1秒，后续任务会不会并发执行？
• 如果任务抛出了异常，后续任务是否继续执行？

Java标准库还提供了一个java.util.Timer类，这个类也可以定期执行任务，但是，一个Timer会对应一个Thread，所以，一个Timer只能定期执行一个任务，多个定时任务必须启动多个Timer，而一个ScheduledThreadPool就可以调度多个定时任务，所以，我们完全可以用ScheduledThreadPool取代旧的Timer。

使用Future 🚀

总结：对线程池提交一个Callable任务，可以获得一个Future对象；可以用Future在将来某个时刻获取结果。

在执行多个任务的时候，使用Java标准库提供的线程池是非常方便的。我们提交的任务只需要实现Runnable接口，就可以让线程池去执行：

class Task implements Runnable {
    public String result;

    public void run() {
        this.result = longTimeCalculation(); 
    }
}

Runnable接口有个问题，它的方法没有返回值。如果任务需要一个返回结果，那么只能保存到变量，还要提供额外的方法读取，非常不便。所以，Java标准库还提供了一个Callable接口，和Runnable接口比，它多了一个返回值：

class Task implements Callable<String> {
    public String call() throws Exception {
        return longTimeCalculation(); 
    }
}

并且Callable接口是一个泛型接口，可以返回指定类型的结果。

现在的问题是，如何获得异步执行的结果？

如果仔细看ExecutorService.submit()方法，可以看到，它返回了一个Future类型，一个Future类型的实例代表一个未来能获取结果的对象：

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4); 
// 定义任务:
Callable<String> task = new Task();
// 提交任务并获得Future:
Future<String> future = executor.submit(task);
// 从Future获取异步执行返回的结果:
String result = future.get(); // 可能阻塞

当我们提交一个Callable任务后，我们会同时获得一个Future对象，然后，我们在主线程某个时刻调用Future对象的get()方法，就可以获得异步执行的结果。在调用get()时，如果异步任务已经完成，我们就直接获得结果。如果异步任务还没有完成，那么get()会阻塞，直到任务完成后才返回结果。

一个Future<V>接口表示一个未来可能会返回的结果，它定义的方法有：

• get()：获取结果（可能会等待）
• get(long timeout, TimeUnit unit)：获取结果，但只等待指定的时间；
• cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：取消当前任务；
• isDone()：判断任务是否已完成。

使用CompletableFuture 🚀

使用Future获得异步执行结果时，要么调用阻塞方法get()，要么轮询看isDone()是否为true，这两种方法都不是很好，因为主线程也会被迫等待。

从Java 8开始引入了CompletableFuture，它针对Future做了改进，可以传入回调对象，当异步任务完成或者发生异常时，自动调用回调对象的回调方法。

我们以获取股票价格为例，看看如何使用CompletableFuture：

// CompletableFuture
import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建异步执行任务:
        CompletableFuture<Double> cf = CompletableFuture.supplyAsync(Main::fetchPrice);
        // 如果执行成功:
        cf.thenAccept((result) -> {
            System.out.println("price: " + result);
        });
        // 如果执行异常:
        cf.exceptionally((e) -> {
            e.printStackTrace();
            return null;
        });
        // 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
        Thread.sleep(200);
    }

    static Double fetchPrice() {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        if (Math.random() < 0.3) {
            throw new RuntimeException("fetch price failed!");
        }
        return 5 + Math.random() * 20;
    }
}

创建一个CompletableFuture是通过CompletableFuture.supplyAsync()实现的，它需要一个实现了Supplier接口的对象：

public interface Supplier<T> {
    T get();
}

这里我们用lambda语法简化了一下，直接传入Main::fetchPrice，因为Main.fetchPrice()静态方法的签名符合Supplier接口的定义（除了方法名外）。

紧接着，CompletableFuture已经被提交给默认的线程池执行了，我们需要定义的是CompletableFuture完成时和异常时需要回调的实例。完成时，CompletableFuture会调用Consumer对象：

public interface Consumer<T> {
    void accept(T t);
}

异常时，CompletableFuture会调用Function对象：

public interface Function<T, R> {
    R apply(T t);
}

这里我们都用lambda语法简化了代码。

可见CompletableFuture的优点是：

• 异步任务结束时，会自动回调某个对象的方法；
• 异步任务出错时，会自动回调某个对象的方法；
• 主线程设置好回调后，不再关心异步任务的执行。

如果只是实现了异步回调机制，我们还看不出CompletableFuture相比Future的优势。CompletableFuture更强大的功能是，多个CompletableFuture可以串行执行，例如，定义两个CompletableFuture，第一个CompletableFuture根据证券名称查询证券代码，第二个CompletableFuture根据证券代码查询证券价格，这两个CompletableFuture实现串行操作如下：

// CompletableFuture
import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 第一个任务:
        CompletableFuture<String> cfQuery = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return queryCode("中国石油");
        });
        // cfQuery成功后继续执行下一个任务:
        CompletableFuture<Double> cfFetch = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
            return fetchPrice(code);
        });
        // cfFetch成功后打印结果:
        cfFetch.thenAccept((result) -> {
            System.out.println("price: " + result);
        });
        // 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
        Thread.sleep(2000);
    }

    static String queryCode(String name) {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return "601857";
    }

    static Double fetchPrice(String code) {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return 5 + Math.random() * 20;
    }
}

除了串行执行外，多个CompletableFuture还可以并行执行。例如，我们考虑这样的场景：

同时从新浪和网易查询证券代码，只要任意一个返回结果，就进行下一步查询价格，查询价格也同时从新浪和网易查询，只要任意一个返回结果，就完成操作：

// CompletableFuture
import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 两个CompletableFuture执行异步查询:
        CompletableFuture<String> cfQueryFromSina = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return queryCode("中国石油", "https://finance.sina.com.cn/code/");
        });
        CompletableFuture<String> cfQueryFrom163 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return queryCode("中国石油", "https://money.163.com/code/");
        });

        // 用anyOf合并为一个新的CompletableFuture:
        CompletableFuture<Object> cfQuery = CompletableFuture.anyOf(cfQueryFromSina, cfQueryFrom163);

        // 两个CompletableFuture执行异步查询:
        CompletableFuture<Double> cfFetchFromSina = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
            return fetchPrice((String) code, "https://finance.sina.com.cn/price/");
        });
        CompletableFuture<Double> cfFetchFrom163 = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
            return fetchPrice((String) code, "https://money.163.com/price/");
        });

        // 用anyOf合并为一个新的CompletableFuture:
        CompletableFuture<Object> cfFetch = CompletableFuture.anyOf(cfFetchFromSina, cfFetchFrom163);

        // 最终结果:
        cfFetch.thenAccept((result) -> {
            System.out.println("price: " + result);
        });
        // 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
        Thread.sleep(200);
    }

    static String queryCode(String name, String url) {
        System.out.println("query code from " + url + "...");
        try {
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return "601857";
    }

    static Double fetchPrice(String code, String url) {
        System.out.println("query price from " + url + "...");
        try {
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return 5 + Math.random() * 20;
    }
}

上述逻辑实现的异步查询规则实际上是：

┌─────────────┐ ┌─────────────┐
│ Query Code  │ │ Query Code  │
│  from sina  │ │  from 163   │
└─────────────┘ └─────────────┘
       │               │
       └───────┬───────┘
               ▼
        ┌─────────────┐
        │    anyOf    │
        └─────────────┘
               │
       ┌───────┴────────┐
       ▼                ▼
┌─────────────┐  ┌─────────────┐
│ Query Price │  │ Query Price │
│  from sina  │  │  from 163   │
└─────────────┘  └─────────────┘
       │                │
       └────────┬───────┘
                ▼
         ┌─────────────┐
         │    anyOf    │
         └─────────────┘
                │
                ▼
         ┌─────────────┐
         │Display Price│
         └─────────────┘

除了anyOf()可以实现“任意个CompletableFuture只要一个成功”，allOf()可以实现“所有CompletableFuture都必须成功”，这些组合操作可以实现非常复杂的异步流程控制。

最后我们注意CompletableFuture的命名规则：

• xxx()：表示该方法将继续在已有的线程中执行；
• xxxAsync()：表示将异步在线程池中执行。

总结 🚀

CompletableFuture可以指定异步处理流程：

• thenAccept()处理正常结果；
• exceptional()处理异常结果；
• thenApplyAsync()用于串行化另一个CompletableFuture；
• anyOf()和allOf()用于并行化多个CompletableFuture。

使用ForkJoin 🚀

总结：

Fork/Join是一种基于“分治”的算法：通过分解任务，并行执行，最后合并结果得到最终结果。

ForkJoinPool线程池可以把一个大任务分拆成小任务并行执行，任务类必须继承自RecursiveTask或RecursiveAction。

使用Fork/Join模式可以进行并行计算以提高效率。

Java 7开始引入了一种新的Fork/Join线程池，它可以执行一种特殊的任务：把一个大任务拆成多个小任务并行执行。

我们举个例子：如果要计算一个超大数组的和，最简单的做法是用一个循环在一个线程内完成：

┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘

还有一种方法，可以把数组拆成两部分，分别计算，最后加起来就是最终结果，这样可以用两个线程并行执行：

┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘

如果拆成两部分还是很大，我们还可以继续拆，用4个线程并行执行：

┌─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┘
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┘
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┘
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┘

这就是Fork/Join任务的原理：判断一个任务是否足够小，如果是，直接计算，否则，就分拆成几个小任务分别计算。这个过程可以反复“裂变”成一系列小任务。

我们来看如何使用Fork/Join对大数据进行并行求和：

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建2000个随机数组成的数组:
        long[] array = new long[2000];
        long expectedSum = 0;
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            array[i] = random();
            expectedSum += array[i];
        }
        System.out.println("Expected sum: " + expectedSum);
        // fork/join:
        ForkJoinTask<Long> task = new SumTask(array, 0, array.length);
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        Long result = ForkJoinPool.commonPool().invoke(task);
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Fork/join sum: " + result + " in " + (endTime - startTime) + " ms.");
    }

    static Random random = new Random(0);

    static long random() {
        return random.nextInt(10000);
    }
}

class SumTask extends RecursiveTask<Long> {
    static final int THRESHOLD = 500;
    long[] array;
    int start;
    int end;

    SumTask(long[] array, int start, int end) {
        this.array = array;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Long compute() {
        if (end - start <= THRESHOLD) {
            // 如果任务足够小,直接计算:
            long sum = 0;
            for (int i = start; i < end; i++) {
                sum += this.array[i];
                // 故意放慢计算速度:
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
            return sum;
        }
        // 任务太大,一分为二:
        int middle = (end + start) / 2;
        System.out.println(String.format("split %d~%d ==> %d~%d, %d~%d", start, end, start, middle, middle, end));
        SumTask subtask1 = new SumTask(this.array, start, middle);
        SumTask subtask2 = new SumTask(this.array, middle, end);
        invokeAll(subtask1, subtask2);
        Long subresult1 = subtask1.join();
        Long subresult2 = subtask2.join();
        Long result = subresult1 + subresult2;
        System.out.println("result = " + subresult1 + " + " + subresult2 + " ==> " + result);
        return result;
    }
}

观察上述代码的执行过程，一个大的计算任务0~2000首先分裂为两个小任务0~1000和1000~2000，这两个小任务仍然太大，继续分裂为更小的0~500，500~1000，1000~1500，1500~2000，最后，计算结果被依次合并，得到最终结果。

因此，核心代码SumTask继承自RecursiveTask，在compute()方法中，关键是如何“分裂”出子任务并且提交子任务：

class SumTask extends RecursiveTask<Long> {
    protected Long compute() {
        // “分裂”子任务:
        SumTask subtask1 = new SumTask(...);
        SumTask subtask2 = new SumTask(...);
        // invokeAll会并行运行两个子任务:
        invokeAll(subtask1, subtask2);
        // 获得子任务的结果:
        Long subresult1 = subtask1.join();
        Long subresult2 = subtask2.join();
        // 汇总结果:
        return subresult1 + subresult2;
    }
}

Fork/Join线程池在Java标准库中就有应用。Java标准库提供的java.util.Arrays.parallelSort(array)可以进行并行排序，它的原理就是内部通过Fork/Join对大数组分拆进行并行排序，在多核CPU上就可以大大提高排序的速度。

🚀 使用ThreadLocal

多线程是Java实现多任务的基础，Thread对象代表一个线程，我们可以在代码中调用Thread.currentThread()获取当前线程。例如，打印日志时，可以同时打印出当前线程的名字：

// Thread
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        log("start main...");
        new Thread(() -> {
            log("run task...");
        }).start();
        new Thread(() -> {
            log("print...");
        }).start();
        log("end main.");
    }

    static void log(String s) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + s);
    }
}

对于多任务，Java标准库提供的线程池可以方便地执行这些任务，同时复用线程。

Web应用程序就是典型的多任务应用，每个用户请求页面时，我们都会创建一个任务，类似：

public void process(User user) {
    checkPermission();
    doWork();
    saveStatus();
    sendResponse();
}

然后，通过线程池去执行这些任务。

观察process()方法，它内部需要调用若干其他方法，同时，我们遇到一个问题：如何在一个线程内传递状态？

process()方法需要传递的状态就是User实例。有的童鞋会想，简单地传入User就可以了：

public void process(User user) {
    checkPermission(user);
    doWork(user);
    saveStatus(user);
    sendResponse(user);
}

但是往往一个方法又会调用其他很多方法，这样会导致User传递到所有地方：

void doWork(User user) {
    queryStatus(user);
    checkStatus();
    setNewStatus(user);
    log();
}

这种在一个线程中，横跨若干方法调用，需要传递的对象，我们通常称之为上下文（Context），它是一种状态，可以是用户身份、任务信息等。

给每个方法增加一个 context 参数非常麻烦，而且有些时候，如果调用链有无法修改源码的第三方库，User对象就传不进去了。

Java标准库提供了一个特殊的ThreadLocal，它可以在一个线程中传递同一个对象。

ThreadLocal实例通常总是以静态字段初始化如下：

static ThreadLocal<User> threadLocalUser = new ThreadLocal<>();

它的典型使用方式如下：

void processUser(user) {
    try {
        threadLocalUser.set(user);
        step1();
        step2();
        log();
    } finally {
        threadLocalUser.remove();
    }
}

通过设置一个User实例关联到ThreadLocal中，在移除之前，所有方法都可以随时获取到该User实例：

void step1() {
    User u = threadLocalUser.get();
    log();
    printUser();
}

void step2() {
    User u = threadLocalUser.get();
    checkUser(u.id);
}

void log() {
    User u = threadLocalUser.get();
    println(u.name);
}

注意到普通的方法调用一定是同一个线程执行的，所以，step1()、step2()以及log()方法内，threadLocalUser.get()获取的User对象是同一个实例。

实际上，可以把ThreadLocal看成一个全局Map<Thread, Object>：每个线程获取ThreadLocal变量时，总是使用Thread自身作为key：

Object threadLocalValue = threadLocalMap.get(Thread.currentThread());

因此，ThreadLocal相当于给每个线程都开辟了一个独立的存储空间，各个线程的ThreadLocal关联的实例互不干扰。

特别注意

ThreadLocal一定要在finally中清除，这是因为当前线程执行完相关代码后，很可能会被重新放入线程池中，如果ThreadLocal没有被清除，该线程执行其他代码时，会把上一次的状态带进去。

try {
    threadLocalUser.set(user);
    ...
} finally {
    threadLocalUser.remove();
}

为了保证能释放ThreadLocal关联的实例，我们可以通过AutoCloseable接口配合try (resource) {...}结构，让编译器自动为我们关闭。例如，一个保存了当前用户名的ThreadLocal可以封装为一个UserContext对象：

public class UserContext implements AutoCloseable {

    static final ThreadLocal<String> ctx = new ThreadLocal<>();

    public UserContext(String user) {
        ctx.set(user);
    }

    public static String currentUser() {
        return ctx.get();
    }

    @Override
    public void close() {
        ctx.remove();
    }
}

使用的时候，我们借助try (resource) {...}结构，可以这么写：

try (var ctx = new UserContext("Bob")) {
    // 可任意调用UserContext.currentUser():
    String currentUser = UserContext.currentUser();
} // 在此自动调用UserContext.close()方法释放ThreadLocal关联对象

这样就在UserContext中完全封装了ThreadLocal，外部代码在try (resource) {...}内部可以随时调用UserContext.currentUser()获取当前线程绑定的用户名。

🚀 总结

• 在一个线程中，横跨若干方法调用，需要传递的对象，我们通常称之为上下文（Context），它是一种状态，可以是用户身份、任务信息等。

• ThreadLocal表示线程的“局部变量”，它确保每个线程的ThreadLocal变量都是各自独立的；

• ThreadLocal适合在一个线程的处理流程中保持上下文（避免了同一参数在所有方法中传递）；

• 使用ThreadLocal要用try ... finally结构，并在finally中清除。

🚀 示例

// File: QS/Workstation/src/test/java/j2se/ThreadLocalTest.java
package j2se;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.Closeable;
import java.io.IOException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

@Slf4j
public class ThreadLocalTest implements Closeable {
    static final ThreadLocal<User> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    User getUser() {
        return ThreadLocalTest.threadLocal.get();
    }

    void setUser(User user) {
        ThreadLocalTest.threadLocal.set(user);
    }

    @Override
    public void close() throws IOException {
        log.info("Auto remove threadLocal");
        ThreadLocalTest.threadLocal.remove();
    }

    @Data
    @AllArgsConstructor
    @NoArgsConstructor
    static
    class User {
        private String name;
        private Integer age;
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 注意，线程池用完要关闭
        try (ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);) {
            // 手动清除threadLocal
            int i = 0;
            while (i++ < 10) {
                final int finalI = i;
                executorService.submit(() -> {
                    try {
                        ThreadLocalTest.threadLocal.set(new User("lichengbei1", finalI));
                        log.info(ThreadLocalTest.threadLocal.get().toString());
                    } finally {
                        log.info("Manual remove threadLocal");
                        ThreadLocalTest.threadLocal.remove();
                    }
                });
            }

            // 自动清除threadLocal
            i = 0;
            while (i++ < 10) {
                final int finalI = i;
                executorService.submit(() -> {
                    try (ThreadLocalTest threadLocalTest = new ThreadLocalTest()) {
                        threadLocalTest.setUser(new User("lichengbei2", finalI));
                        log.info(threadLocalTest.getUser().toString());
                    } catch (IOException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                });
            }
        }
    }
}

使用虚拟线程 🚀

虚拟线程（Virtual Thread）是Java 19引入的一种轻量级线程，它在很多其他语言中被称为协程、纤程、绿色线程、用户态线程等。

在理解虚拟线程前，我们先回顾一下线程的特点：

• 线程是由操作系统创建并调度的资源；
• 线程切换会耗费大量CPU时间；
• 一个系统能同时调度的线程数量是有限的，通常在几百至几千级别。

因此，我们说线程是一种重量级资源。在服务器端，对用户请求，通常都实现为一个线程处理一个请求。由于用户的请求数往往远超操作系统能同时调度的线程数量，所以通常使用线程池来尽量减少频繁创建和销毁线程的成本。

对于需要处理大量IO请求的任务来说，使用线程是低效的，因为一旦读写IO，线程就必须进入等待状态，直到IO数据返回。常见的IO操作包括：

• 读写文件；
• 读写网络，例如HTTP请求；
• 读写数据库，本质上是通过JDBC实现网络调用。

我们举个例子，一个处理HTTP请求的线程，它在读写网络、文件的时候就会进入等待状态：

Begin
────────
Blocking ──▶ Read HTTP Request
Wait...
Wait...
Wait...
────────
Running
────────
Blocking ──▶ Read Config File
Wait...
────────
Running
────────
Blocking ──▶ Read Database
Wait...
Wait...
Wait...
────────
Running
────────
Blocking ──▶ Send HTTP Response
Wait...
Wait...
────────
End

真正由CPU执行的代码消耗的时间非常少，线程的大部分时间都在等待IO。我们把这类任务称为IO密集型任务。

为了能高效执行IO密集型任务，Java从19开始引入了虚拟线程。虚拟线程的接口和普通线程是一样的，但是执行方式不一样。虚拟线程不是由操作系统调度，而是由普通线程调度，即成百上千个虚拟线程可以由一个普通线程调度。任何时刻，只能执行一个虚拟线程，但是，一旦该虚拟线程执行一个IO操作进入等待时，它会被立刻“挂起”，然后执行下一个虚拟线程。什么时候IO数据返回了，这个挂起的虚拟线程才会被再次调度。因此，若干个虚拟线程可以在一个普通线程中交替运行：

Begin
───────────
V1 Runing
V1 Blocking ──▶ Read HTTP Request
───────────
V2 Runing
V2 Blocking ──▶ Read HTTP Request
───────────
V3 Runing
V3 Blocking ──▶ Read HTTP Request
───────────
V1 Runing
V1 Blocking ──▶ Read Config File
───────────
V2 Runing
V2 Blocking ──▶ Read Database
───────────
V1 Runing
V1 Blocking ──▶ Read Database
───────────
V3 Runing
V3 Blocking ──▶ Read Database
───────────
V2 Runing
V2 Blocking ──▶ Send HTTP Response
───────────
V1 Runing
V1 Blocking ──▶ Send HTTP Response
───────────
V3 Runing
V3 Blocking ──▶ Send HTTP Response
───────────
End

如果我们单独看一个虚拟线程的代码，在一个方法中：

void register() {
    config = readConfigFile("./config.json"); // #1
    if (config.useFullName) {
        name = req.firstName + " " + req.lastName;
    }
    insertInto(db, name); // #2
    if (config.cache) {
        redis.set(key, name); // #3
    }
}

涉及到IO读写的#1、#2、#3处，执行到这些地方的时候（进入相关的JNI方法内部时）会自动挂起，并切换到其他虚拟线程执行。等到数据返回后，当前虚拟线程会再次调度并执行，因此，代码看起来是同步执行，但实际上是异步执行的。

使用虚拟线程 🚀

虚拟线程的接口和普通线程一样，唯一区别在于创建虚拟线程只能通过特定方法。

方法一：直接创建虚拟线程并运行：

// 传入Runnable实例并立刻运行:
Thread vt = Thread.startVirtualThread(() -> {
    System.out.println("Start virtual thread...");
    Thread.sleep(10);
    System.out.println("End virtual thread.");
});

方法二：创建虚拟线程但不自动运行，而是手动调用start()开始运行：

// 创建VirtualThread:
Thread vt = Thread.ofVirtual().unstarted(() -> {
    System.out.println("Start virtual thread...");
    try {
        Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
    System.out.println("End virtual thread.");
});
// 运行:
vt.start();

方法三：通过虚拟线程的ThreadFactory创建虚拟线程，然后手动调用start()开始运行：

// 创建ThreadFactory:
ThreadFactory tf = Thread.ofVirtual().factory();
// 创建VirtualThread:
Thread vt = tf.newThread(() -> {
    System.out.println("Start virtual thread...");
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println("End virtual thread.");
});
// 运行:
vt.start();

直接调用start()实际上是由ForkJoinPool的线程来调度的。我们也可以自己创建调度线程，然后运行虚拟线程：

// 创建调度器:
ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
// 创建大量虚拟线程并调度:
ThreadFactory tf = Thread.ofVirtual().factory();
for (int i=0; i<100000; i++) {
    Thread vt = tf.newThread(() -> { ... });
    executor.submit(vt);
    // 也可以直接传入Runnable或Callable:
    executor.submit(() -> {
        System.out.println("Start virtual thread...");
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("End virtual thread.");
        return true;
    });
}

由于虚拟线程属于非常轻量级的资源，因此，用时创建，用完就扔，不要池化虚拟线程。

最后注意，虚拟线程在Java 21正式发布，在Java 19/20是预览功能，默认关闭，需要添加参数--enable-preview启用：

java --source 19 --enable-preview Main.java

使用限制 🚀

注意到只有以虚拟线程方式运行的代码，才会在执行IO操作时自动被挂起并切换到其他虚拟线程。普通线程的IO操作仍然会等待，例如，我们在main()方法中读写文件，是不会有调度和自动挂起的。

可以自动引发调度切换的操作包括：

• 文件IO；
• 网络IO；
• 使用Concurrent库引发等待；
• Thread.sleep()操作。

这是因为JDK为了实现虚拟线程，已经对底层相关操作进行了修改，这样应用层的Java代码无需修改即可使用虚拟线程。无法自动切换的语言需要用户手动调用await来实现异步操作：

async function doWork() {
    await readFile();
    await sendNetworkData();
}

在虚拟线程中，如果绕过JDK的IO接口，直接通过JNI读写文件或网络是无法实现调度的。此外，在synchronized块内部也无法调度。

总结 🚀

• Java 19引入的虚拟线程是为了解决IO密集型任务的吞吐量，它可以高效通过少数线程去调度大量虚拟线程；
• 虚拟线程在执行到IO操作或Blocking操作时，会自动切换到其他虚拟线程执行，从而避免当前线程等待，能最大化线程的执行效率；
• 虚拟线程使用普通线程相同的接口，最大的好处是无需修改任何代码，就可以将现有的IO操作异步化获得更大的吞吐能力。
• 计算密集型任务不应使用虚拟线程，只能通过增加CPU核心解决，或者利用分布式计算资源。

示例 🚀

// File: QS/Workstation/src/test/java/j2se/VirtualThreadTest.java
package j2se;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.jupiter.api.Test;

import java.util.concurrent.ThreadFactory;

@Slf4j
public class VirtualThreadTest {

    /**
     * 使用虚拟线程方式一：直接创建虚拟线程并运行
     */
    @Test
    public void testStartVirtualThread() throws InterruptedException {
        // 传入Runnable实例并立刻运行:
        Thread vt = Thread.startVirtualThread(() -> {
            log.info("Start virtual thread...");
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            log.info("End virtual thread.");
        });
        vt.join();
    }

    /**
     * 使用虚拟线程方式二：创建虚拟线程但不自动运行，而是手动调用`start()`开始运行
     */
    @Test
    public void testStartVirtualThread2() throws InterruptedException {
        // 创建VirtualThread:
        Thread vt = Thread.ofVirtual().unstarted(() -> {
            log.info("Start virtual thread...");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            log.info("End virtual thread.");
        });
        // 运行:
        vt.start();
        vt.join();
    }

    /**
     * 使用虚拟线程方式三：通过虚拟线程的ThreadFactory创建虚拟线程，然后手动调用`start()`开始运行
     */
    @Test
    public void testStartVirtualThread3() throws InterruptedException {
        // 创建ThreadFactory:
        ThreadFactory threadFactory = Thread.ofVirtual().factory();
        // 创建VirtualThread:
        Thread vt = threadFactory.newThread(() -> {
            log.info("Start virtual thread...");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            log.info("End virtual thread.");
        });
        // 运行:
        vt.start();
        vt.join();
    }
}