介绍

Java 线程同步和并发是复杂应用程序的各个设计阶段讨论最多的主题。线程和同步技术有很多方面可以在应用程序中实现出色的并发性。CPU 多年来的发展（多核处理器、寄存器、高速缓存和主内存 (RAM)）导致了一些通常开发人员容易忽视的领域，例如线程上下文、上下文切换、变量可见性、JVM 内存模型与 CPU 内存模型。

在本系列中，我们将讨论Java 内存模型的各个方面，包括它如何影响线程上下文、Java 中实现并发的同步技术、竞争条件等。在本文中，我们将重点讨论线程、同步的概念技术，以及 Java 和 CPU 的内存模型。

概括

我们先来看看与线程相关的术语和概念

锁——锁是一种线程同步机制。Java 中的每个对象都有一个与其关联的内在锁。线程使用对象的监视器来锁定或解锁。锁可以被视为逻辑上是内存中对象标头的一部分的数据。Java 中的每个对象都有同步方法，wait()和notify()，notifyAll()。调用这些方法的任何线程都使用其监视器获取该对象的锁。必须使用synchronized关键字调用，否则将抛出IllegealMonitorStateException。信号是一种通知线程应该继续执行的方法。这是使用对象方法wait()、notify()和来实现的notifyAll()。调用方法notify()或notifyAll()，向线程发出信号以唤醒后台的内容（通过调用方法wait()）。丢失信号- 方法notify()不notifyAll()保存方法调用，也不知道是否wait()已被其他线程调用。如果一个线程notify()在要发出信号的线程调用之前调用wait()，则等待线程将错过该信号。这可能会导致线程因为错过信号而无休止地等待。Runnable是一个函数式接口，可以由应用程序中的任何类实现，以便线程可以执行它。volatile是分配给变量以使类线程安全的另一个关键字。要理解该关键字的用法，必须了解 CPU 架构和 JVM 内存模型。我们稍后会介绍这一点。ThreadLocal允许创建只能由所有者线程读/写的变量。这用于使代码线程安全。线程池是线程的集合，线程将在其中执行任务。线程的创建和维护完全由服务控制。在 Java 中，线程池由ExecutorService的实例表示。ThreadGroup是一个该类提供了一种将多个线程收集到单个对象中的机制，并允许我们同时操作/控制这些线程。守护线程——这些线程在后台运行。守护线程的一个很好的例子是 Java 垃圾收集器。JVM 在退出之前不会等待守护线程完成其执行（而 JVM 会等待非守护线程或用户线程完成其执行）。synchronized — 当多个线程必须以并发模式执行同一功能时，用于控制单个线程的代码执行的关键字。该关键字可以应用于方法和代码块以实现线程安全。请注意，此关键字没有超时，因此可能会出现死锁情况。死锁- 一个或多个线程正在等待另一个线程释放对象锁的情况。导致死锁的可能情况是线程相互等待释放锁！notify()虚假唤醒 - 由于莫名其妙的原因，即使notify()和notifyAll()尚未被调用，线程也可能被唤醒。这是一个虚假的唤醒。为了解决这个问题，唤醒的线程围绕自旋锁中的条件旋转。

public synchronized doWait() {  // 自旋锁检查以避免虚假唤醒  while(!wasSignalled) {    wait();  }  // do something}    public synchronized doNotify() {  wasSignalled = true;  notify();}

当某个线程由于其他线程占用了所有 CPU 时间而未获得 CPU 时间时，就会发生线程饥饿。 （例如，等待某个对象（已调用 wait()）的线程会无限期地等待，因为其他线程会不断被唤醒（通过调用 notify()）。

为了避免这种情况，我们可以使用 Thread.setPriority(intpriority) 方法为线程设置优先级。优先级参数必须在 Thread.MIN_PRIORITY 到 Thread.MAX_PRIORITY 之间的设定范围内。有关线程优先级的更多信息，请查看官方线程文档。

Lock和Synchronized

1、同步块或方法中不可能存在超时。这可能会导致应用程序挂起、陷入死锁等情况。同步块必须仅包含在单个方法中。

2、Lock 接口的实例可以在单独的方法中调用lock() 和unlock()。此外，锁也可以有超时。与synchronized关键字相比，这是两个很大的好处。

以下是使用 wait() 和 notify() 方法的自定义锁类的简单实现。

class CustomLock {  private boolean isLocked = false;  public synchronized void lock() throws InterruptedException {    isLocked = true;    while(isLocked) {      // 获取锁       wait();    }  }  public synchronized void unlock() {    isLocked = false;    notify();//锁被释放，才会进入wait（）  }}

在 Java 中我们可以通过两种方式执行线程。他们是：

1、扩展 Thread 类并调用 start() 方法。 （这不是从 Thread 子类化类的首选方法，因为它减少了添加类的更多功能的范围。）

2、实现 Runnable 或 Callable 接口。这两个接口都是函数式接口，这意味着它们都定义了一个抽象方法。 （作为类的首选方法将来也可以通过实现其他接口来扩展。）

RUNNABLE：这是线程执行特定任务的基本接口。该接口定义一个 run() 方法，其返回类型为 void。如果在线程中执行任何功能但不需要获取返回结果，则实现此接口。但是，在失败的情况下无法检索线程的结果或任何异常或错误。

CALLABLE：这是线程执行特定任务并获取执行结果的接口。该接口可以接受泛型。它定义了一个 call() 的方法，并根据实现此接口的类定义了返回结果。如果想在线程中执行任何功能并且捕获执行结果，可以实现此接口。

同步技术

如上所述，可以使用synchronized关键字或使用Lock的实例来同步线程。 Lock 接口的基本实现是 ReentrantLock 类。

此外，用于读/写操作的 Lock 接口也有多种变体。 这有助于应用程序在线程尝试读取或写入资源时实现更高的并发性。这个实现称为ReentrantReadWriteLock。这两个类之间的主要区别如下所示：

ReentrantLock

ReentrantReadWriteLock

仅允许 1 个线程进行读取或写入操作，但不能同时进行这两种操作。

如果操作正在读取资源，则一次允许访问多个/所有线程。

如果操作是写入，则一次只会授予一个线程访问权限。

锁定读和写操作的资源，使操作互斥。

具有单独的读和写操作锁。

即使对于读取操作，资源也会被锁定，从而降低性能。

在性能方面更好，因为它为所有想要执行读取操作的线程提供并发访问。

看下下面的 ReentrantReadWriteLock 示例，了解如何实现对资源的并发读取，同时只允许一个线程更新资源。

注意：资源可以是应用程序中的各个线程尝试同时访问的任何数据。

public class ConcurrentReadWriteResourceExample {    private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();    private ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();    private ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();        private void readResource() {        readLock.lock();        // 读取资源        // 多个线程都可以获取到资源        readLock.unlock();    }        private void writeResource(String value) {        writeLock.lock();        //修改写入资源        // 只能有一个线程访问        writeLock.unlock();    }}

下面我们将了解对象和变量如何存储在 Java 堆/线程堆栈中与实际的 CPU 内存中。现代 CPU 由寄存器组成，寄存器充当处理器本身的直接存储器，高速缓存 — 每个处理器都有一个高速缓存层来存储数据，最后是存储应用程序数据的RAM 或主内存。

通常，线程堆栈和堆都主存中。部分线程堆栈和堆有时可能存在于 CPU 高速缓存和内部寄存器中。以下是由于上述架构可能出现的问题：

1、线程对共享变量的更新（写入）的可见性不会立即被所有访问变量的线程看到。

2、读取、检查和更新共享变量数据时的竞争条件。

volatile

volatile 关键字是在 Java 5 中引入的，在实现线程安全方面具有重要作用。该关键字可用于基元和对象。在变量上使用 volatile 关键字可确保直接从主内存读取给定变量，并在更新时将其写回主内存。

ThreadLocal

最后一个话题是ThreadLocal。此类创建只能由同一线程读/写的变量。这为我们提供了一种通过定义线程局部变量来实现线程安全的简单方法。 ThreadLocal 在线程池或 ExecutorService 中具有重要用途，这样每个线程都能使用自己的某些资源或对象的实例。

例如，对于每个线程，需要单独的数据库连接，或者需要单独的计数器。在这种情况下，ThreadLocal 会有所帮助。这也用在 Spring Boot 应用程序中，为每个线程设置用户上下文，并且用户上下文将通过各种实例在线程流中共享。通常在以下情况下使用ThreadLocal：

1、获取每个线程的性能数据。

2、每个线程都有自己的数据

就是线程同步和相关概念。本文的第 2 部分将介绍并发性。