• 线程并发安全问题认知强化

• • 如何理解线程安全与不安全？

• 导致线程不安全的因素有哪些？

• 如何保证并发线程的安全性？

• 如何理解JAVA中的悲观锁和乐观锁？

• 如何理解线程的上下文切换？

• 如何理解死锁以及避免死锁问题？

• 线程通讯与进程通讯应用增强

• • 如何理解进程与线程通讯？

• 如何实现进程内部线程之间的通讯？

• • 基于wait/nofity/notifyall实现

• 基于Condition实现

• 如何实现进程之间间通讯（IPC）？

• 总结（Summary）

进程与线程认知强化

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如何理解进程与线程？

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• 进程：操作系统进行资源调度和分配的基本单位（例如浏览器，APP，JVM）。

• 线程：进程中的最小执行单位（可以理解为一个顺序的执行流）。

说明：同一个进程内的多个线程共享资源。

如何理解多线程中的并行与并发？

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并发：多线程抢占CPU，可能不同时执行，侧重于多个任务交替执行。

现在的操作系统无论是windows，linux还是macOS等其实都是多用户多任务分时操作系统，使用这些操作系统的的用户可以“同时”干多件事情。但实际上，对于单机CPU的计算机而言，在同一时间只能干一件事，为了看起来像是“同时干多件事”分时操作系统把CPU的时间划分成了长短进本相同的时间区间，即“时间片”，通过操作系统的管理，把时间片依次轮流的分配给各个线程任务使用。我们看似的“同时干多件事”，其实是通过CPU时间片技术并发完成的。例如：多个线程并发使用一个CPU资源并发执行任务的线程时序图。

并行：线程可以不共享CPU，可每个线程一个CPU同时执行多个任务。

总之：个人认为并行只出现在多CPU或多核CPU中，而并发可理解为并行中的一个子集。

如何理解线程的生命周期及状态变化？

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一个线程从创建，运行，到最后销毁的这个过程称之为线程的生命周期，在这个生命周期过程中线程可能会经历如下几个状态：

这些状态可归纳为：状态分别为新建状态，就绪状态，运行状态，阻塞状态，死亡状态。

线程并发安全问题认知强化

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如何理解线程安全与不安全？

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• 多个线程并发执行时，仍旧能够保证数据的正确性，这种现象称之为线程安全。

• 多个线程并发执行时，不能能够保证数据的正确性，这种现象称之为线程不安全。

案例分享：如何保证12306中的订票操作的安全。

第一步：编写售票任务类：

class TicketTask implements Runnable{

int ticket=10;

@Override

public void run() {

doTicket();

}

public void doTicket() {

while(true) {

if(ticket<=0)break;

System.out.println(ticket–);

}

}

}

第二步：编写售票测试方法：

public static void main(String[] args) {

TicketTask task=new TicketTask();

Thread t1=new Thread(task);

Thread t2=new Thread(task);

Thread t3=new Thread(task);

t1.start();

t2.start();

t3.start();

}

导致线程不安全的因素有哪些？

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1. 多个线程并发执行。

2. 多个线程并发执行时存在共享数据集(临界资源)。

3. 多个线程在共享数据集上的操作不是原子操作。

例如：现有一生产者消费者模型，生产者和消费者并发操作容器对象。

如何保证并发线程的安全性？

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第一；对共享进行限制访问（例如加锁：syncronized，Lock）

第二：基于CAS实现非阻塞同步（基于CPU硬件技术支持）

第三：取消共享，每个线程一个对象实例（例如threadlocal）

说明：Java中的线程安全问题的主要关注点有3个：可见性，有序性，原子性；

Java内存模型（JMM）解决了可见性和有序性问题，而解决了原子性问题。

如何理解JAVA中的悲观锁和乐观锁？

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JAVA中为了保证多线程并发访问的安全性，提供了基于锁的应用，大体可归纳为两大类，即悲观锁和乐观锁。

悲观锁&乐观锁定义说明：

1）悲观锁：假定会发生并发冲突，屏蔽一切可违反数据完整性的操作，例如java中可以基于syncronized,Lock，ReadWriteLock等实现。

2. 乐观锁实现：假设不会发生冲突，只在提交操作时检查是否违反数据完整性，例如java中可借助CAS（ Compare And Swap）算法实现(此算法依赖硬件CPU)。

悲观锁&乐观锁应用场景说明：

1)悲观锁适合写操作多的场景，先加锁可以保证写操作时数据正确。

2)乐观锁适合读操作多的场景，不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅提升

悲观锁&乐观锁应用案例分析

悲观锁实现计数器：

方案1：

class Counter{

private int count;

public synchronized int count() {

count++;

return count;

}

}

方案2：

class Counter{

private int count;

private Lock lock=new ReentrantLock();

public int count() {

lock.lock();

try {

count++;

return count;

}finally {

lock.unlock();

}

}

}

乐观锁实现计数器：

class Counter{

private AtomicInteger at=new AtomicInteger();

public int count() {

return at.incrementAndGet();

}

}

其中 AtomicInteger 是基于CAS算法实现。

如何理解线程的上下文切换？

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一个线程得到CPU执行的时间是有限的。当此线程用完为其分配的CPU时间以后，cpu会切换到下一个线程执行。但是在这之前，线程需要将当前的状态进行保存，以便下次再次获得CPU时间片时可以加载对应的状态以继续执行剩下的任务。而这个切换过程是需要耗费时间的，会影响多线程程序的执行效率，所以在在使用多线程时要减少线程的频繁切换。那如何实现呢？

减少多线程上下文切换的方案如下：

• 无锁并发编程：锁的竞争会带来线程上下文的切换

• CAS算法：CAS算法在数据更新方面，可以达到锁的效果

• 使用最少线程：避免不必要的线程等待

• 使用协程：单线程完成多任务的调度和切换，避免多线程

如何理解死锁以及避免死锁问题？

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多个线程互相等待已经被对方线程正在占用的锁，导致陷入彼此等待对方释放锁的状态，这个过程称之为死锁。

如何避免死锁呢？

• 避免一个线程中同时获取多个锁

• 避免一个线程在一个锁中获取其他的锁资源

• 考虑使用定时锁来替换内部锁机制，如lock.tryLock(timeout)。

可能出现死锁的案例分享

class SyncThread implements Runnable {

private Object obj1;

private Object obj2;

public SyncThread(Object o1, Object o2) {

this.obj1 = o1;

this.obj2 = o2;

}

@Override

public void run() {

synchronized (obj1) {

work();

synchronized (obj2) {

work();

}

}

}

private void work() {

try {Thread.sleep(30000);} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

死锁测试

public class TestDeadLock01 {

public static void main(String[] args)throws Exception {

Object obj1 = new Object();

Object obj2 = new Object();

Thread t1 = new Thread(new SyncThread(obj1, obj2), “t1”);

Thread t2 = new Thread(new SyncThread(obj2, obj1), “t2”);

t1.start();

t2.start();

}

}

线程通讯与进程通讯应用增强

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如何理解进程与线程通讯？

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• 线程通讯：java中的多线程通讯主要是共享内存（变量）等方式。

• 进程通讯：java中进程通讯（IPC）主要是Socket，MQ等。

如何实现进程内部线程之间的通讯？

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基于wait/nofity/notifyall实现

wait()/notify()/notifyall（）方法定义说明：

• Wait:阻塞正在使用监视器对象的线程，同时释放监视器对象

• notify: 唤醒在监视器对象上等待的单个线程，但不释放监视器对象，此时调用该方法的代码继续执行，直到执行结束才释放对象锁

• notifyAll: 唤醒在监视器对象上等待的所有线程，但不释放监视器对象，此时调用该方法的代码继续执行，直到执行结束才释放对象锁

wait()/notify()/notifyall（）方法应用说明

1） 这些方法必须应用在同步代码块或同步方法中

2） 这些方法必须由监视器对象（对象锁）调用

说明：使用wait/notify/notifyAll的作用一般是为了避免轮询带来的性能损失。

wait()/notify()/notifyall()应用案例实现：

手动实现阻塞式队列，并基于wait()/notifyAll()方法实现实现线程在队列上的通讯。

/**

• 有界消息队列：用于存取消息

• 1)数据结构：数组(线性结构)

• 2)具体算法：FIFO(先进先出)-First in First out

*/

public class BlockContainer {//类泛型

/*用于存储数据的数组/

private Object[] array;

/*记录有效元素个数/

private int size;

public BlockContainer () {

this(16);//this(参数列表)表示调用本类指定参数的构造函数

}

public BlockContainer (int cap) {

array=new Object[cap];//每个元素默认值为null

}

}

向容器添加put方法，用于放数据。

/**

• 生产者线程通过put方法向容器放数据

• 数据永远放在size位置

• 说明：实例方法内部的this永远指向

• 调用此方法的当前对象(当前实例)

• 注意：静态方法中没有this，this只能

• 应用在实例方法，构造方法，实例代码块中

*/

public synchronized void put(T t){//同步锁：this

//1.判定容器是否已满，满了则等待

while(size==array.length)

try{this.wait();}catch(Exception e){}

//2.放数据

array[size]=t;

//3.有效元素个数加1

size++;

//4.通知消费者取数据

this.notifyAll();

}

向容器类添加take方法，用于从容器取数据。

/**

• 消费者通过此方法取数据

• 位置：永远取下标为0的位置的数据

• @return

*/

@SuppressWarnings(“unchecked”)

public synchronized T take(){

//1.判定容器是否为空，空则等待

while(size==0)

try{this.wait();}catch(Exception e){}

//2.取数据

Object obj=array[0];

//3.移动元素

System.arraycopy(

array,//src 原数组

1, //srcPos 从哪个位置开始拷贝

array, //dest 放到哪个数组

0, //destPost 从哪个位置开始放

size-1);//拷贝几个

//4.有效元素个数减1

size–;

//5.将size位置为null

array[size]=null;

//6.通知生产者放数据

this.notifyAll();//通知具备相同锁对象正在wait线程

return (T)obj;

}

基于Condition实现

Condition 类定义说明

Condition 是一个用于多线程间协同的工具类，基于此类可以方便的对持有锁的线程进行阻塞或唤醒阻塞的线程。它的强大之处在于它可以为多个线程间建立不同的Condition，通过signal()/signalall()方法指定要唤醒的不同线程。

Condition 类应用说明

1. 基于Lock对象获取Condition对象

2. 基于Condition对象的await()/signal()/signalall()方法实现线程阻塞或唤醒。

Condition类对象的应用案例实现：
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