前言

多核的機(jī)器，現(xiàn)在已經(jīng)非常常見了。即使是一塊手機(jī)，也都配備了強(qiáng)勁的多核處理器。通過多進(jìn)程和多線程的手段，就可以讓多個(gè)CPU同時(shí)工作，來加快任務(wù)的執(zhí)行。

多線程，是編程中一個(gè)比較高級(jí)的話題。由于它涉及到共享資源的操作，所以在編碼時(shí)非常容易出現(xiàn)問題。Java的concurrent包，提供了非常多的工具，來幫助我們簡(jiǎn)化這些變量的同步，但學(xué)習(xí)應(yīng)用之路依然充滿了曲折。

本篇文章，將簡(jiǎn)單的介紹一下Java中多線程的基本知識(shí)。然后著重介紹一下初學(xué)者在多線程編程中一些最容易出現(xiàn)問題的地方，很多都是血淚經(jīng)驗(yàn)。規(guī)避了這些坑，就相當(dāng)于規(guī)避了90%兇殘的多線程bug。

1. 多線程基本概念

1.1 輕量級(jí)進(jìn)程

在JVM中，一個(gè)線程，其實(shí)是一個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程（LWP）。所謂的輕量級(jí)進(jìn)程，其實(shí)是用戶進(jìn)程調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核，所提供的一套接口。實(shí)際上，它還要調(diào)用更加底層的內(nèi)核線程（KLT）。

實(shí)際上，JVM的線程創(chuàng)建銷毀以及調(diào)度等，都是依賴于操作系統(tǒng)的。如果你看一下Thread類里面的多個(gè)函數(shù)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)很多都是native的，直接調(diào)用了底層操作系統(tǒng)的函數(shù)。

下圖是JVM在Linux上簡(jiǎn)單的線程模型。

可以看到，不同的線程在進(jìn)行切換的時(shí)候，會(huì)頻繁在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。這種切換的代價(jià)是比較大的，也就是我們平常所說的上下文切換（Context Switch）。

1.2 JMM

在介紹線程同步之前，我們有必要介紹一個(gè)新的名詞，那就是JVM的內(nèi)存模型JMM。

JMM并不是說堆、metaspace這種內(nèi)存的劃分，它是一個(gè)完全不同的概念，指的是與線程相關(guān)的Java運(yùn)行時(shí)線程內(nèi)存模型。

由于Java代碼在執(zhí)行的時(shí)候，很多指令都不是原子的，如果這些值的執(zhí)行順序發(fā)生了錯(cuò)位，就會(huì)獲得不同的結(jié)果。比如，i++的動(dòng)作就可以翻譯成以下的字節(jié)碼。

getfield      // Field value:I
iconst_1
iadd
putfield      // Field value:I

這還只是代碼層面的。如果再加上CPU每核的各級(jí)緩存，這個(gè)執(zhí)行過程會(huì)變得更加細(xì)膩。如果我們希望執(zhí)行完i++之后，再執(zhí)行i--，僅靠初級(jí)的字節(jié)碼指令，是無法完成的。我們需要一些同步手段。

上圖就是JMM的內(nèi)存模型，它分為主存儲(chǔ)器（Main Memory）和工作存儲(chǔ)器（Working Memory）兩種。我們平常在Thread中操作這些變量，其實(shí)是操作的主存儲(chǔ)器的一個(gè)副本。當(dāng)修改完之后，還需要重新刷到主存儲(chǔ)器上，其他的線程才能夠知道這些變化。

1.3 Java中常見的線程同步方式

為了完成JMM的操作，完成線程之間的變量同步，Java提供了非常多的同步手段。

1. Java的基類Object中，提供了wait和notify的原語，來完成monitor之間的同步。不過這種操作我們?cè)跇I(yè)務(wù)編程中很少遇見
2. 使用synchronized對(duì)方法進(jìn)行同步，或者鎖住某個(gè)對(duì)象以完成代碼塊的同步
3. 使用concurrent包里面的可重入鎖。這套鎖是建立在AQS之上的
4. 使用volatile輕量級(jí)同步關(guān)鍵字，實(shí)現(xiàn)變量的實(shí)時(shí)可見性
5. 使用Atomic系列，完成自增自減
6. 使用ThreadLocal線程局部變量，實(shí)現(xiàn)線程封閉
7. 使用concurrent包提供的各種工具，比如LinkedBlockingQueue來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者。本質(zhì)還是AQS
8. 使用Thread的join，以及各種await方法，完成并發(fā)任務(wù)的順序執(zhí)行
   

從上面的描述可以看出，多線程編程要學(xué)的東西可實(shí)在太多了。幸運(yùn)的是，同步方式雖然千變?nèi)f化，但我們創(chuàng)建線程的方式卻沒幾種。

第一類就是Thread類。大家都知道有兩種實(shí)現(xiàn)方式。第一可以繼承Thread覆蓋它的run方法；第二種是實(shí)現(xiàn)Runnable接口，實(shí)現(xiàn)它的run方法；而第三種創(chuàng)建線程的方法，就是通過線程池。

其實(shí)，到最后，就只有一種啟動(dòng)方式，那就是Thread。線程池和Runnable，不過是一種封裝好的快捷方式罷了。

多線程這么復(fù)雜，這么容易出問題，那常見的都有那些問題，我們又該如何避免呢？下面，我將介紹10個(gè)高頻出現(xiàn)的坑，并給出解決方案。

2. 避坑指南

2.1. 線程池打爆機(jī)器

首先，我們聊一個(gè)非常非常低級(jí)，但又產(chǎn)生了嚴(yán)重后果的多線程錯(cuò)誤。

通常，我們創(chuàng)建線程的方式有Thread，Runnable和線程池三種。隨著Java1.8的普及，現(xiàn)在最常用的就是線程池方式。

有一次，我們線上的服務(wù)器出現(xiàn)了僵死，就連遠(yuǎn)程ssh，都登錄不上，只能無奈的重啟。大家發(fā)現(xiàn)，只要啟動(dòng)某個(gè)應(yīng)用，過不了幾分鐘，就會(huì)出現(xiàn)這種情況。最終定位到了幾行讓人啼笑皆非的代碼。

有位對(duì)多線程不太熟悉的同學(xué)，使用了線程池去異步處理消息。通常，我們都會(huì)把線程池作為類的靜態(tài)變量，或者是成員變量。但是這位同學(xué)，卻將它放在了方法內(nèi)部。也就是說，每當(dāng)有一個(gè)請(qǐng)求到來的時(shí)候，都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的線程池。當(dāng)請(qǐng)求量一增加，系統(tǒng)資源就被耗盡，最終造成整個(gè)機(jī)器的僵死。

void realJob(){
    ThreadPoolExecutor exe = new ThreadPoolExecutor(...);
    exe.submit(new Runnable(){...})
}

這種問題如何去避免？只能通過代碼review。所以多線程相關(guān)的代碼，哪怕是非常簡(jiǎn)單的同步關(guān)鍵字，都要交給有經(jīng)驗(yàn)的人去寫。即使沒有這種條件，也要非常仔細(xì)的對(duì)這些代碼進(jìn)行review。

2.2. 鎖要關(guān)閉

相比較synchronized關(guān)鍵字加的獨(dú)占鎖，concurrent包里面的Lock提供了更多的靈活性?？梢愿鶕?jù)需要，選擇公平鎖與非公平鎖、讀鎖與寫鎖。

但Lock用完之后是要關(guān)閉的，也就是lock和unlock要成對(duì)出現(xiàn)，否則就容易出現(xiàn)鎖泄露，造成了其他的線程永遠(yuǎn)了拿不到這個(gè)鎖。

如下面的代碼，我們?cè)谡{(diào)用lock之后，發(fā)生了異常，try中的執(zhí)行邏輯將被中斷，unlock將永遠(yuǎn)沒有機(jī)會(huì)執(zhí)行。在這種情況下，線程獲取的鎖資源，將永遠(yuǎn)無法釋放。

private final Lock lock = new ReentrantLock();
void doJob(){
    try{
        lock.lock();
        //發(fā)生了異常
        lock.unlock();
    }catch(Exception e){
    }
}

正確的做法，就是將unlock函數(shù)，放到finally塊中，確保它總是能夠執(zhí)行。

由于lock也是一個(gè)普通的對(duì)象，是可以作為函數(shù)的參數(shù)的。如果你把lock在函數(shù)之間傳來傳去的，同樣會(huì)有時(shí)序邏輯混亂的情況。在平時(shí)的編碼中，也要避免這種把lock當(dāng)參數(shù)的情況。

2.3. wait要包兩層

Object作為Java的基類，提供了四個(gè)方法wait wait(timeout) notify notifyAll ，用來處理線程同步問題，可以看出wait等函數(shù)的地位是多么的高大。在平常的工作中，寫業(yè)務(wù)代碼的同學(xué)使用這些函數(shù)的機(jī)率是比較小的，所以一旦用到很容易出問題。

但使用這些函數(shù)有一個(gè)非常大的前提，那就是必須使用synchronized進(jìn)行包裹，否則會(huì)拋出IllegalMonitorStateException。比如下面的代碼，在執(zhí)行的時(shí)候就會(huì)報(bào)錯(cuò)。

final Object condition = new Object();
public void func(){
 condition.wait();
}

類似的方法，還有concurrent包里的Condition對(duì)象，使用的時(shí)候也必須出現(xiàn)在lock和unlock函數(shù)之間。

為什么在wait之前，需要先同步這個(gè)對(duì)象呢？因?yàn)镴VM要求，在執(zhí)行wait之時(shí)，線程需要持有這個(gè)對(duì)象的monitor，顯然同步關(guān)鍵字能夠完成這個(gè)功能。

但是，僅僅這么做，還是不夠的，wait函數(shù)通常要放在while循環(huán)里才行，JDK在代碼里做了明確的注釋。

重點(diǎn)：這是因?yàn)?，wait的意思，是在notify的時(shí)候，能夠向下執(zhí)行邏輯。但在notify的時(shí)候，這個(gè)wait的條件可能已經(jīng)是不成立的了，因?yàn)樵诘却倪@段時(shí)間里條件條件可能發(fā)生了變化，需要再進(jìn)行一次判斷，所以寫在while循環(huán)里是一種簡(jiǎn)單的寫法。

final Object condition = new Object();
public void func(){
 synchronized(condition){
  while(<條件成立>){
   condition.wait();
  }
 }
}

帶if條件的wait和notify要包兩層，一層synchronized，一層while，這就是wait等函數(shù)的正確用法。

2.4. 不要覆蓋鎖對(duì)象

使用synchronized關(guān)鍵字時(shí)，如果是加在普通方法上的，那么鎖的就是this對(duì)象；如果是加載static方法上的，那鎖的就是class。除了用在方法上，synchronized還可以直接指定要鎖定的對(duì)象，鎖代碼塊，達(dá)到細(xì)粒度的鎖控制。

如果這個(gè)鎖的對(duì)象，被覆蓋了會(huì)怎么樣？比如下面這個(gè)。

List listeners = new ArrayList();

void add(Listener listener, boolean upsert){
    synchronized(listeners){
        List results = new ArrayList();
        for(Listener ler:listeners){
        ...
        }
        listeners = results;
    }
}

上面的代碼，由于在邏輯中，強(qiáng)行給鎖listeners對(duì)象進(jìn)行了重新賦值，會(huì)造成鎖的錯(cuò)亂或者失效。

為了保險(xiǎn)起見，我們通常把鎖對(duì)象聲明成final類型的。

final List listeners = new ArrayList();

或者直接聲明專用的鎖對(duì)象，定義成普通的Object對(duì)象即可。

final Object listenersLock = new Object();

2.5. 處理循環(huán)中的異常

在異步線程里處理一些定時(shí)任務(wù)，或者執(zhí)行時(shí)間非常長(zhǎng)的批量處理，是經(jīng)常遇到的需求。我就不止一次看到小伙伴們的程序執(zhí)行了一部分就停止的情況。

排查到這些中止的根本原因，就是其中的某行數(shù)據(jù)發(fā)生了問題，造成了整個(gè)線程的死亡。

我們還是來看一下代碼的模板。

volatile boolean run = true;
void loop(){
    while(run){
     for(Task task: taskList){
            //do . sth
            int a = 1/0;
     }
    }
}

在loop函數(shù)中，執(zhí)行我們真正的業(yè)務(wù)邏輯。當(dāng)執(zhí)行到某個(gè)task的時(shí)候，發(fā)生了異常。這個(gè)時(shí)候，線程并不會(huì)繼續(xù)運(yùn)行下去，而是會(huì)拋出異常直接中止。在寫普通函數(shù)的時(shí)候，我們都知道程序的這種行為，但一旦到了多線程，很多同學(xué)都會(huì)忘了這一環(huán)。

值得注意的是，即使是非捕獲類型的NullPointerException，也會(huì)引起線程的中止。所以，時(shí)刻把要執(zhí)行的邏輯，放在try catch中，是個(gè)非常好的習(xí)慣。

volatile boolean run = true;
void loop(){
    while(run){
     for(Task task: taskList){
      try{
                //do . sth
                int a = 1/0;
      }catch(Exception ex){
       //log
      }
     }
    }
}

2.6. HashMap正確用法

HashMap在多線程環(huán)境下，會(huì)產(chǎn)生死循環(huán)問題。這個(gè)問題已經(jīng)得到了廣泛的普及，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果：CPU跑滿，代碼無法執(zhí)行，jstack查看時(shí)阻塞在get方法上。

至于怎么提高HashMap效率，什么時(shí)候轉(zhuǎn)紅黑樹轉(zhuǎn)列表，這是陽春白雪的八股界話題，我們下里巴人只關(guān)注怎么不出問題。

網(wǎng)絡(luò)上有詳細(xì)的文章描述死循環(huán)問題產(chǎn)生的場(chǎng)景，大體因?yàn)镠ashMap在進(jìn)行rehash時(shí)，會(huì)形成環(huán)形鏈。某些get請(qǐng)求會(huì)走到這個(gè)環(huán)上。JDK并不認(rèn)為這是個(gè)bug，雖然它的影響比較惡劣。

如果你判斷你的集合類會(huì)被多線程使用，那就可以使用線程安全的ConcurrentHashMap來替代它。

HashMap還有一個(gè)安全刪除的問題，和多線程關(guān)系不大，但它拋出的是ConcurrentModificationException，看起來像是多線程的問題。我們一塊來看看它。

Map<String, String> map = new HashMap<>();
map.put("xjjdog0", "狗1");
map.put("xjjdog1", "狗2");
 
for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {
    String key = entry.getKey();
    if ("xjjdog0".equals(key)) {
       map.remove(key);
    }
}

上面的代碼會(huì)拋出異常，這是由于HashMap的Fail-Fast機(jī)制。如果我們想要安全的刪除某些元素，應(yīng)該使用迭代器。

Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = map.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
   Map.Entry<String, String> entry = iterator.next();
   String key = entry.getKey();
   if ("xjjdog0".equals(key)) {
       iterator.remove();
   }
}

2.7. 線程安全的保護(hù)范圍

使用了線程安全的類，寫出來的代碼就一定是線程安全的么？答案是否定的。

線程安全的類，只負(fù)責(zé)它內(nèi)部的方法是線程安全的。如我我們?cè)谕饷姘阉艘粚?，那么它是否能達(dá)到線程安全的效果，就需要重新探討。

比如下面這種情況，我們使用了線程安全的ConcurrentHashMap來存儲(chǔ)計(jì)數(shù)。雖然ConcurrentHashMap本身是線程安全的，不會(huì)再出現(xiàn)死循環(huán)的問題。但addCounter函數(shù)，明顯是不正確的，它需要使用synchronized函數(shù)包裹才行。

private final ConcurrentHashMap<String,Integer> counter;
public int addCounter(String name) {
    Integer current = counter.get(name);
    int newValue = ++current;
    counter.put(name,newValue);
    return newValue;
}

這是開發(fā)人員常踩的坑之一。要達(dá)到線程安全，需要看一下線程安全的作用范圍。如果更大維度的邏輯存在同步問題，那么即使使用了線程安全的集合，也達(dá)不到想要的效果。

2.8. volatile作用有限

volatile關(guān)鍵字，解決了變量的可見性問題，可以讓你的修改，立馬讓其他線程給讀到。

雖然這個(gè)東西在面試的時(shí)候問的挺多的，包括ConcurrentHashMap中隊(duì)volatile的那些優(yōu)化。但在平常的使用中，你真的可能只會(huì)接觸到boolean變量的值修改。

volatile boolean closed;  
  
public void shutdown() {   
    closed = true;   
}  

千萬不要把它用在計(jì)數(shù)或者線程同步上，比如下面這樣。

volatile count = 0;
void add(){
    ++count;
}

這段代碼在多線程環(huán)境下，是不準(zhǔn)確的。這是因?yàn)関olatile只保證可見性，不保證原子性，多線程操作并不能保證其正確性。

直接用Atomic類或者同步關(guān)鍵字多好，你真的在乎這納秒級(jí)別的差異么？

2.9. 日期處理要小心

很多時(shí)候，日期處理也會(huì)出問題。這是因?yàn)槭褂昧巳值腃alendar,SimpleDateFormat等。當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行format函數(shù)的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。

SimpleDateFormat format = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");

Date getDate(String str){
    return format(str);
}

為了改進(jìn)，我們通常將SimpleDateFormat放在ThreadLocal中，每個(gè)線程一份拷貝，這樣可以避免一些問題。當(dāng)然，現(xiàn)在我們可以使用線程安全的DateTimeFormatter了。

static DateTimeFormatter FOMATTER = DateTimeFormatter.ofPattern("MM/dd/yyyy HH:mm:ss");
public static void main(String[] args) {
    ZonedDateTime zdt = ZonedDateTime.now();
    System.out.println(FOMATTER.format(zdt));
}

2.10. 不要在構(gòu)造函數(shù)中啟動(dòng)線程

在構(gòu)造函數(shù)，或者static代碼塊中啟動(dòng)新的線程，并沒有什么錯(cuò)誤。但是，強(qiáng)烈不推薦你這么做。

因?yàn)镴ava是有繼承的，如果你在構(gòu)造函數(shù)中做了這種事，那么子類的行為將變得非常魔幻。另外，this對(duì)象可能在構(gòu)造完畢之前，出遞到另外一個(gè)地方被使用，造成一些不可預(yù)料的行為。

所以把線程的啟動(dòng)，放在一個(gè)普通方法，比如start中，是更好的選擇。它可以減少bug發(fā)生的機(jī)率。

End

wait和notify是非常容易出問題的地方，

編碼格式要求非常嚴(yán)格。synchronized關(guān)鍵字相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，但同步代碼塊的時(shí)候依然有許多要注意的點(diǎn)。這些經(jīng)驗(yàn)，在concurrent包所提供的各種API中依然實(shí)用。我們還要處理多線程邏輯中遇到的各種異常問題，避免中斷，避免死鎖。規(guī)避了這些坑，基本上多線程代碼寫起來就算是入門了。

許多java開發(fā)，都是剛剛接觸多線程開發(fā)，在平常的工作中應(yīng)用也不是很多。如果你做的是crud的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，那么寫一些多線程代碼的時(shí)候就更少了。但總有例外，你的程序變得很慢，或者排查某個(gè)問題，你會(huì)直接參與到多線程的編碼中來。

我們的各種工具軟件，也在大量使用多線程。從Tomcat，到各種中間件，再到各種數(shù)據(jù)庫(kù)連接池緩存等，每個(gè)地方都充斥著多線程的代碼。

即使是有經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)，也會(huì)陷入很多多線程的陷阱。因?yàn)楫惒綍?huì)造成時(shí)序的混亂，必須要通過強(qiáng)制的手段達(dá)到數(shù)據(jù)的同步。多線程運(yùn)行，首先要保證準(zhǔn)確性，使用線程安全的集合進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；還要保證效率，畢竟使用多線程的目標(biāo)就是如此。

希望本文中的這些實(shí)際案例，讓你對(duì)多線程的理解，更上一層樓。

到此這篇關(guān)于Java多線程基本概念以及避坑指南的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java多線程概念及避坑內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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