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【Java笔记+踩坑汇总】Java基础+JavaWeb+SSM+SpringBoot+SpringCloud+瑞吉外卖/谷粒商城/学成在线+设计模式+面试题汇总+性能调优/架构设计+源码解析
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目录
11.5.2.4 知识加油站：synchronized锁的原理
十一、多线程
11.1 基本介绍
11.1.1 线程和进程的关系
进程：是操作系统分配资源的基本单位，有独立的地址空间（内存空间的一部分，用于存储进程中的代码、数据和堆栈等信息）和内存空间，进程之间不能共享资源，上下文切换慢，并发低，能独立执行（有程序入口、执行序列、出口），更健壮（因为进程崩溃后不会影响其他进程）。
线程：是操作系统调度的基本单位，没有独立的地址空间和内存空间（只有自己的堆栈和局部变量，只能共享所在进程的内存空间），线程之间可以共享进程内的资源，上下文切换快，并发高，不能独立执行（应用程序控制多线程执行，进程通过管理线程优先级间接控制线程执行），不健壮（因为一个线程崩溃会导致整个进程崩溃）。
关系：一个程序运行后至少包括一个进程，一个进程至少有一个线程。
运行时数据区包括本地方法栈、虚拟机栈、方法区、堆、程序计数器。每个线程都有独自的本地方法栈、虚拟机栈、程序计数器。各线程共享进程的方法区和堆。
JVM运行时数据区参考：
什么是JVM的内存模型？详细阐述Java中局部变量、常量、类名等信息在JVM中的存储位置_jvm中主要用于存储类的元数据(类型信息(类的描述信息 类的元数据))、静态变量、常-CSDN博客
11.1.2 多线程
一个程序运行后至少包括一个进程，一个进程至少有一个线程，一个进程下有多个线程并发地处理任务，称为多线程。
多线程的好处：当一个线程进入阻塞或者等待状态时，其他的线程可以获取CPU的执行权，提高了CPU的利用率。
多线程的缺点：
- 死锁：多个进程或线程相互等待对方释放所持有的资源，从而无法继续执行的情况。若无外力作用，它们都将无法推进下去。死锁用占用CPU、内存等系统资源，导致资源浪费，死锁会导致程序无法正常退出，导致系统性能差。
- 上下文频繁切换：频繁的上下文切换可能会造成资源的浪费；
- 串行：如果因为资源的限制，多线程串行执行，可能速度会比单线程更慢。
线程的优先级：java是抢占式调度模型，每一个 Java 线程都有一个优先级，优先级是一个整数，其取值范围是 1 （Thread.MIN_PRIORITY ） - 10 （Thread.MAX_PRIORITY ）。
默认情况下，每一个线程都会分配一个优先级 NORM_PRIORITY（5）。
注意：优先级高的线程只是获取CPU时间片的几率高，但并不能保证先执行。
11.2 创建线程方法
11.2.0 简介
创建线程有4种方式：
- 继承Thread类：继承Thread类，重写run()方法；然后创建线程对象调用start()方法开启线程。start()方法里包括了run()方法，用于开启线程。注意如果直接调用run()方法的话，将是普通方法调用，无法起到开启线程的效果
- 实现Runnable接口：实现Runnable接口并重写run()方法，将实现类作为构造参数创建Thread对象。推荐，因为Java是单继承，线程类实现接口的同时，还可以继承其他类实现其他接口。
- 实现Callable：实现Callable<T>接口，重写带返回值的call()方法；将实现类对象作为构造参数创建FutureTask<T>对象；将FutureTask对象作为构造参数创建Thread对象。所以此方法可以获取线程执行完后的返回值，而前两种方式不能。
- ExecutorService的submit或execute方法：execute和submit都是ExecutorService接口的方法，用于线程池提交任务。所有线程池都直接或间接实现ExecutorService接口。
- execute：参数只能是Runnable，没有返回值
- submit：参数可以是Runnable、Callable，返回值是FutureTask
11.2.1 方法1：继承Thread类
创建并启动线程的步骤：
- 创建一个继承了 Thread类的线程类，重写的run()方法是线程执行体。
- 创建这个类的对象。
- 调用线程对象的start()方法来启动该线程（之后Java虚拟机会调用该线程run方法）。
run()和start()区别：
- run()：封装线程执行的代码，直接调用相当于普通方法的调用。
- start()：启动线程，虚拟机调用该线程的run()方法。
构造方法：
- Thread(): 创建一个新的线程对象。
- Thread(String name): 创建一个新的线程对象并将其名称设置为指定的名称。
- Thread(Runnable target): 创建一个新的线程对象并将其目标设置为指定的 Runnable 对象。主要用于后面通过Runable接口创建线程。
- Thread(Runnable target, String name): 创建一个新的线程对象，将其目标设置为指定的 Runnable 对象，并将其名称设置为指定的名称。
常用方法：
- void start(): 使线程开始执行；Java 虚拟机调用此线程的 run 方法。
- void run(): 如果此线程是使用独立的 Runnable 运行对象构造的，则调用该 Runnable 对象的 run 方法；否则，此方法不执行任何操作并返回。
- void join():等待该线程执行完成。A线程调用B线程的join()方法，A线程将被阻塞，直到B线程执行完。可以用于线程之间的通信。
- void join(long millis): 等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒。
- void join(long millis, int nanos): 等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒 + nanos 纳秒。
- void interrupt(): 中断该线程。
- boolean isInterrupted(): 测试当前线程是否已中断。
- boolean isAlive(): 测试线程是否处于活动状态。
- static void sleep(long millis): 使当前正在执行的线程休眠（暂停执行）指定的毫秒数。
- static void sleep(long millis, int nanos): 使当前正在执行的线程休眠（暂停执行）指定的毫秒数加指定的纳秒数。
属性方法：
- void setName(String name): 改变线程名称，使之与参数 name 相同。
- String getName(): 返回该线程的名称。
- void setPriority(int newPriority): 更改该线程的优先级。
- int getPriority(): 返回该线程的优先级。
- Thread.State getState(): 返回该线程的状态。
- void setDaemon(boolean on): 将该线程标记为守护线程或用户线程。
- boolean isDaemon(): 测试该线程是否为守护线程。用户线程是普通的线程，它们通常是应用程序执行任务的主要线程。守护线程为其他线程提供后台支持。当所有用户线程结束时，JVM 会自动退出，无论守护线程是否仍在运行。
代码示例1：主线程设置名字并查看：
public static void main(String[] args) { Thread.currentThread().setName("主线程"); System.out.println(Thread.currentThread().getName()); }
编辑
代码示例2：创建并启动线程
线程类：
/** * @Author: vince * @CreateTime: 2024/07/16 * @Description: 打印数字线程类 * @Version: 1.0 */ public class PrintNumberThread extends Thread{ /** * 打印1-100 */ @Override public void run(){ for(int i=0;i<100;i++) { System.out.println(getName()+":"+i); } } /** * 构造方法 * @param name 线程名 */ public PrintNumberThread(String name) { super(name); } }
创建并启动线程 ：
public class Test { public static void main(String[] args) { PrintNumberThread a = new PrintNumberThread ("a"), b = new PrintNumberThread ("b"); a.start(); b.start(); } }
运行结果：
可以看到两个线程是随机交替打印的，因为它们获取CPU的调度是随机的：
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11.2.2 方法2：实现 Runnable 接口
Runnable翻译：可运行的
步骤：
- 定义Runnable接口的实现类,并实现该接口的run()方法,该方法将作为线程执行体。
- 创建Runnable实现类的实例,并将其作为参数来创建Thread对象,Thread对象为线程对象。
- 调用线程对象的start()方法来启动该线程。
这种办法更好，优点：
- 避免Java 单继承局限性：Java是单继承，使用这种方法，线程类实现接口的同时，还可以继承其他类、实现其他接口。
- 逻辑和数据更好分离：通过实现 Runnable 接口的方法创建多线程更加适合同一个资源被多段业务逻辑并行处理的场景。在同一个资源被多个线程逻辑异步、并行处理的场景中，通过实现 Runnable 接口的方式设计多个 target 执行目标类可以更加方便、清晰地将执行逻辑和数据存储分离，更好地体现了面向对象的设计思想。
示例：
/** * @Author: vince * @CreateTime: 2024/07/16 * @Description: 打印数字Runnable * @Version: 1.0 */ public class PrintNumberRunnable implements Runnable{ @Override public void run(){ for(int i=0;i<100;i++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i); } } }
public class Test { public static void main(String[] args) { // 方法1：使用普通方式实现Runnable接口 PrintNumberRunnable runnable = new PrintNumberRunnable(); Thread a = new Thread(runnable, "a"), b = new Thread(runnable, "b"); // 方法2：使用Lambda表达式实现Runnable接口，无需再创建PrintNumberRunnable类 Thread d = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 100; i++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i); } },"d"); a.start(); b.start(); d.start(); } }
运行结果：
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11.2.3 方法3：实现Callable接口
通过实现Callable接口来创建线程的步骤如下
- 实现Callable<T>接口，重写带返回值的call()方法；
- 将实现类对象作为构造参数创建FutureTask<T>对象；
- 将FutureTask对象作为构造参数创建Thread对象。
相比于前两种方法，此方法可以获取线程执行完后的返回值，而前两种方式不能，因为call()方法是有返回值的。
代码示例：
class MyCallable implements Callable { @Override public Object call() throws Exception { return null; } }
FutureTask task = new FutureTask(new MyCallable()); new Thread(task).start();
11.2.4 方法4：线程池
线程池（Thread Pool）是一种多线程处理方式，用于减少创建和销毁线程的开销，提高系统资源利用率和处理效率。
线程池作用：
- 管理线程数量：它可以管理线程的数量,可以避免无节制的创建线程,导致超出系统负荷直至崩溃。
- 让线程复用：它还可以让线程复用,可以大大地减少创建和销毁线程所带来的开销。
线程池的两种创建方法：
- 执行器工具类Executors；
- 自定义线程池ThreadPoolExecutor
线程池两种提交任务的方法：
execute和submit都是ExecutorService接口的方法，用于线程池提交任务。所有线程池都直接或间接实现ExecutorService接口。
- execute：参数只能是Runnable，没有返回值
- submit：参数可以是Runnable、Callable，返回值是FutureTask
代码示例：
两种创建线程池的方法：
线程池工具类，创建固定大小的线程池：
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10); executorService.execute(new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("当前线程"+Thread.currentThread()); } });
自定义线程池（腿姐）：
ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor( 5, //核心线程数 200, //最大线程数量，控制资源并发 10, //存活时间 TimeUnit.SECONDS, //时间单位 new LinkedBlockingDeque<>( 100000), //任务队列，大小100000个 Executors.defaultThreadFactory(), //线程的创建工厂 new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()); //拒绝策略 // 任务1 executor.execute(() -> { try { Thread.sleep(3 * 1000); System.out.println("--helloWorld_001--" + Thread.currentThread().getName()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } });
11.3 知识加油站
11.3.1 线程生命周期
Java线程在运行的生命周期中,在任意给定的时刻,只能处于下列6种状态之一：
- NEW ：初始状态,线程被创建,但是还没有调用start方法。
- RUNNABLE：可运行状态,等待调度或运行。线程正在JVM中执行,但是有可能在等待操作系统的调度。
- BLOCKED ：阻塞状态,线程正在等待获取监视器锁。
- WAITING ：等待状态,线程正在等待其他线程的通知或中断。线程等待状态不占用 CPU 资源，被唤醒后进入可运行状态（等待调度或运行）。
- TIMED_WAITING：超时等待状态,在WAITING的基础上增加了超时时间,即超出时间自动返回。Thread.sleep(1000);让线程超时等待1s。
- TERMINATED：终止状态,线程已经执行完毕。
线程的运行过程：
线程在创建之后默认为NEW（初始状态），在调用start方法之后进入RUNNABLE（可运行状态）。
注意：
可运行状态不代表线程正在运行，它有可能正在等待操作系统的调度。
WAITING （等待状态）的线程需要其他线程的通知才能返回到可运行状态，而TIMED_WAITING（超时等待状态）相当于在等待状态的基础上增加了超时限制，除了他线程的唤醒，在超时时间到达时也会返回运行状态。
此外，线程在执行同步方法时，在没有获取到锁的情况下，会进入到BLOCKED（阻塞状态）。线程在执行完run方法之后，会进入到TERMINATED（终止状态）。
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等待状态如何被唤醒？
Object类：
- wait()方法让线程进入等待状态
- notify()唤醒该对象上的随机一个线程
- notifyAll()唤醒该对象上的所有线程。
这3个方法必须处于synchronized代码块或方法中，否则会抛出IllegalMonitorStateException异常。因为调用这三个方法之前必须拿要到当前锁对象的监视器（Monitor对象），synchronized基于对象头和Monitor对象。
另外，也可以通过Condition类的 await/signal/signalAll方法实现线程的等待和唤醒，从而实现线程的通信，令线程之间协作处理任务。这两个方法依赖于Lock对象。
11.3.2 线程的通信方式
线程通信：用于多个线程之间协作工作，共同完成某个任务。多个线程在并发执行的时候，他们在CPU中是随机切换执行的，这个时候我们想多个线程一起来完成一件任务，这个时候我们就需要线程之间的通信了，多个线程一起来完成一个任务。
编辑
线程通信方式：
- 通过 volatile 关键字：多个线程同时监听一个volatile变量，当这个变量发生变化的时候 ，线程能够感知并执行相应的业务。利用了volatile可见性，即一旦修改变量则立即刷新到共享内存中。
- 通过Object类的 wait/notify/notifyAll 方法：当我们使用synchronized同步时就会使用Monitor来实现线程通信，这里的Monitor其实就是锁对象，其利用Object类的wait，notify，notifyAll等方法来实现线程通信。Monitor是Java虚拟机实现锁的一种底层机制，用于控制线程对共享资源的访问。（Object类的wait()方法让线程进入等待状态，notify()唤醒该对象上的随机一个线程，notifyAll()唤醒该对象上的所有线程。这3个方法必须处于synchronized代码块或方法中，否则会抛出IllegalMonitorStateException异常。因为调用这三个方法之前必须拿要到当前锁对象的监视器（Monitor对象），synchronized基于对象头和Monitor对象。）
- 通过Condition类的 await/signal 方法：而使用Lock进行同步时就是使用Condition对象来实现线程通信，Condition对象通过Lock的lock.newCondition()方法创建，使用其await，sign或signAll方法实现线程通信。 Condition 是一个与锁 Lock 相关联的条件对象，可以让等待线程在某个条件被满足时被唤醒，从而达到线程协作的目的。
- 通过Semaphore的acquire/release方法： Semaphore是一个计数信号量，用于控制同时访问某个资源的线程数量。线程可以通过acquire()方法获取许可，release()方法释放许可。
- 通过Thread类的join()方法：join() 方法是等待该线程执行完成。A线程调用B线程的join()方法，A线程将被阻塞，直到B线程执行完。
应用场景：
- 线程交替打印：在多线程交替打印A/B、或者交替打印1到100时，需要在锁中使用线程通信。如果不使用lock.notify()和lock.wait()，可能导致当前线程释放锁后立刻又拿回锁（因为多线程是CPU随机切换的），从而达不到交替打印的效果
//第一个线程，例如打印A new Thread( () -> { while (true) { synchronized (lock) { // 1.临界值校验：到临界值唤醒其他线程，防止其他线程永远等待； // 2.打印判断：如果需要打印，则打印、操作原子类。 如果用的当前行值原子类，则加1；如果用的总行数原子类，则减1 // 4.线程通信：唤醒、等待。 // 如果删除下面两行代码，可能导致当前线程释放锁后立刻又拿到锁了，从而达不到交替打印的效果 lock.notifyAll(); try-catch{lock.wait();} } } } ).start(); //另一个线程，例如打印B...
11.3.3 线程池
11.3.3.1 作用
为了对多线程进行统一的管理，Java引入了线程池，它通过限制并发线程的数量、将待执行的线程放入队列、销毁空闲线程，来控制资源消耗，使线程更合理地运行，避免系统因为创建过多线程而崩溃。
线程池作用：
- 管理线程数量：它可以管理线程的数量,可以避免无节制的销毁、创建线程，导致额外的性格损耗、或者线程数超出系统负荷直至崩溃。
- 提高性能：当有新的任务到来时，可以直接从线程池中取出一个空闲线程来执行任务，而不需要等待创建新线程，从而减少了响应时间。
- 让线程复用：它还可以让线程复用,可以大大地减少创建和销毁线程所带来的开销。
- 合理的拒绝策略：线程池提供了多种拒绝策略，当线程池队列满了时，可以采用不同的策略进行处理，如抛出异常、丢弃任务或调用者运行等。
11.3.3.2 生命周期
生命周期：
通常线程池的生命周期包含5个状态，对应状态值分别是：-1、0、1、2、3，这些状态只能由小到大迁移，不可逆。
- RUNNING：运行。线程池处于正常状态，可以接受新的任务，同时会按照预设的策略来处理已有任务的执行。
- SHUTDOWN：关闭。线程池处于关闭状态，不再接受新的任务，但是会继续执行已有任务直到执行完成。执行线程池对象的shutdown()时进入该状态。
- STOP：停止。线程池处于关闭状态，不再接受新的任务，同时会中断正在执行的任务，清空线程队列。执行shutdownNow()时进入该状态。
- TIDYING：整理。所有任务已经执行完毕，线程池进入该状态会开始进行一些结尾工作，比如及时清理线程池的一些资源。
- TERMINATED：终止。线程池已经完全停止，所有的状态都已经结束了，线程池处于最终的状态。
11.3.3.3 创建线程池的方式1：线程池工具类
执行器工具类Executors创建线程池： 底层都是return new ThreadPoolExecutor(...)。一般不使用这种方式，参数配置死了不可控。
- newCachedThreadPool：缓存线程池（无限大）。
- 核心线程数是0，最大线程数无限大：最大线程数Integer.MAX_VALUE。线程数量可以无限扩大，所有线程都是非核心线程。
- 空闲线程存活时间60s：keepAliveTime为60S，空闲线程超过60s会被杀死。
- 同步队列：因为最大线程数无限大，所以也用不到阻塞队列，所以设为没有存储空间的SynchronousQueue同步队列。这意味着只要有请求到来，就必须要找到一条工作线程处理他，如果当前没有空闲的线程，那么就会再创建一条新的线程。
- newFixedThreadPool：固定大小的线程池。
- 核心线程数：所有线程都是核心线程（通过构造参数指定），最大线程数=核心线程数。
- 存活时间0s：因为所有线程都是核心线程，所以用不到存活时间，线程都会一直存活。keepAliveTime为0S。
- 链表阻塞队列：超出的线程会在LinkedBlockingQueue队列中等待。
- newScheduledThreadPool：定时任务线程池。创建一个定长线程池， 支持定时及周期性任务执行。可指定核心线程数，最大线程数。
- newSingleThreadExecutor：单线程化的线程池。核心线程数与最大线程数都只有一个，不回收。后台从LinkedBlockingQueue队列中获取任务。创建一个单线程化的线程池， 它只会用唯一的工作线程来执行任务， 保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10); //源码 FixedThredPool: new ThreadExcutor(n, n, 0L, ms, new LinkedBlockingQueue<Runable>() SingleThreadExecutor: new ThreadExcutor(1, 1, 0L, ms, new LinkedBlockingQueue<Runable>()) CachedTheadPool: new ThreadExcutor(0, max_valuem, 60L, s, new SynchronousQueue<Runnable>()); ScheduledThreadPoolExcutor: ScheduledThreadPool, SingleThreadScheduledExecutor.
一般要搭配计数器CountDownLatch，await(时间)让主线程等待，直到任务线程都执行完（计数器减为零），或者到达超时时间，防止无线等待。
11.3.3.4 创建线程池的方式2：自定义线程池（推荐）
线程池执行器ThreadPoolExecutor创建自定义线程池：
ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor= new ThreadPoolExecutor( 5, //核心线程数 200, //最大线程数量，控制资源并发 10, //存活时间 TimeUnit.SECONDS, //时间单位 new LinkedBlockingDeque<>( 100000), //任务队列，大小100000个 Executors.defaultThreadFactory(), //线程的创建工厂 new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()); //拒绝策略 CompletableFuture<Integer> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> { //开启异步编排，有返回值 return 1; }, threadPoolExecutor).thenApplyAsync(res -> { //串行化，接收参数并有返回值 return res+1; }, threadPoolExecutor); Integer integer = future.get(); //获取返回值
七个参数：
- corePoolSize：核心线程数。创建以后，会一直存活到线程池销毁，空闲时也不销毁。
- maximumPoolSize：最大线程数量。阻塞队列满了
- keepAliveTime： 存活时间。释放空闲时间超过“存活时间”的线程，仅留核心线程数量的线程。
- TimeUnitunit：时间单位
- workQueue： 任务队列。如果线程数超过核心数量，就把剩余的任务放到队列里。只要有线程空闲，就会去队列取出新的任务执行。new LinkedBlockingDeque()队列大小默认是Integer的最大值，内存不够，所以建议指定队列大小。
- SynchronousQueue是一个同步队列，这个阻塞队列没有存储空间，这意味着只要有请求到来，就必须要找到一条工作线程处理他，如果当前没有空闲的线程，那么就会再创建一条新的线程。
- LinkedBlockingQueue是一个无界队列，可以缓存无限多的任务。由于其无界特性，因此需要合理地处理好任务的生产速率和线程池中线程的数量，以避免内存溢出等异常问题。无限缓存，拒绝策略就能随意了。
- ArrayBlockingQueue是一个有界（容量固定）队列，只能缓存固定数量的任务。通过固定队列容量，可以避免任务过多导致线程阻塞，保证线程池资源的可控性和稳定性。推荐，有界队列能增加系统的稳定性和预警能力。可以根据需要设大一点，比如几千，新任务丢弃后未来重新入队。
- PriorityBlockingQueue是一个优先级队列，能够对任务按照优先级进行排序，当任务数量超过队列容量时，会根据元素的Comparable或Comparator排序规则进行丢弃或抛异常。
new PriorityBlockingQueue<>((o1, o2) -> o1.length() - o2.length());
- threadFactory：线程的创建工厂。可以使用默认的线程工厂Executors.defaultThreadFactory()，也可以自定义线程工厂（实现ThreadFactory接口）
- RejectedExecutionHandler handler：拒绝策略。如果任务队列和最大线程数量满了，按照指定的拒绝策略执行任务。
- Abort（默认）：直接抛异常（拒绝执行异常RejectedExecutionException）
- CallerRuns：直接同步调用线程run()方法，不创建线程了
- DiscardOldest：丢弃最老任务
- Discard：直接丢弃新任务
- 实现拒绝执行处理器接口（RejectedExecutionHandler），自定义拒绝策略。
11.3.3.5 如何为线程池设置合适的线程数
下面的参数只是一个预估值，适合初步设置，具体的线程数需要经过压测确定，压榨（更好的利用）CPU的性能。
CPU核心数为N；
核心线程数：
- CPU密集型：N+1。数量与CPU核数相近是为了不浪费CPU，并防止频繁的上下文切换，加1是为了有线程被阻塞后还能不浪费CPU的算力。
- I/O密集型：2N，或N/(1-阻塞系数)。I/O密集型任务CPU使用率并不是很高，可以让CPU在等待I/O操作的时去处理别的任务，充分利用CPU，所以数量就比CPU核心数高一倍。有些公司会考虑阻塞系数，阻塞系数是任务线程被阻塞的比例，一般是0.8~0.9。
- 实际开发中更适合的公式：N*((线程等待时间+线程计算时间)/线程计算时间)
最大线程数：设成核心线程数的2-4倍。数量主要由CPU和IO的密集性、处理的数据量等因素决定。
需要增加线程的情况：jstack打印线程快照，如果发现线程池中大部分线程都等待获取任务、则说明线程够用。如果大部分线程都处于运行状态，可以继续适当调高线程数量。
jstack：打印指定进程此刻的线程快照。定位线程长时间停顿的原因，例如死锁、等待资源、阻塞。如果有死锁会打印线程的互相占用资源情况。线程快照：该进程内每条线程正在执行的方法堆栈的集合。
11.3.3.6 线程池的原理
任务加入时判断的顺序：核心线程数 、阻塞队列、最大线程数、拒绝策略。
线程池执原理：
- 新加入任务，判断corePoolSize是否到最大值；如果没到最大值就创建核心线程执行新任务，如果到最大值就判断是否有空闲的核心线程；
- 如果有空闲的核心线程，则空闲核心线程执行新任务，如果没空闲的核心线程，则尝试加入FIFO阻塞队列；
- 若加入成功，则等待空闲核心线程将队头任务取出并执行，若加入失败（例如队列满了），则判断maximumPoolSize是否到最大值；
- 如果没到最大值就创建非核心线程执行新任务，如果到了最大值就执行丢弃策略，默认丢弃新任务；
- 线程数大于corePoolSize时，空闲线程将在keepAliveTime后回收，直到线程数等于核心线程数。这些核心线程也不会被回收。
实际上线程本身没有核心和非核心的概念，都是靠比较corePoolSize和当前线程数判断一个线程是不是能看作核心线程。
可能某个线程之前被看作是核心线程，等它空闲了，线程池又有corePoolSize个线程在执行任务，这个线程到keepAliveTime后还是会被回收。
11.3.4 练习：多线程交替打印A/B/C，每个打印3次
核心逻辑：创建线程，循环加锁，执行以下逻辑：
- 临界值判断：到达临界值后唤醒其他线程并结束锁；
- 打印判断：如果需要打印，则打印、操作原子类（只有打印后才操作原子类，否则就是不满足条件，需要下一步的唤醒等待后，进入下一轮的循环）；
- 线程通信：唤醒、等待。
坑点：
- 临界值判断不能放到while里：防止最后一个线程无法唤醒其他线程，从而导致死锁（其他线程没人唤醒了）。
- 必须用线程通信：防止当前线程释放锁后立刻又拿回锁（因为多线程是CPU随机切换的），从而达不到交替打印的效果
具体代码（Object类的wait()和notifyAll()方案、不抽取方法）：
/** * @Author: vince * @CreateTime: 2024/05/13 * @Description: 多线交替打印A/B/C * @Version: 1.0 */ public class Test2 { /** * 当前行值 */ private static AtomicInteger index = new AtomicInteger(0); /** * 总打印行数 */ private static final int count = 9; public static void main(String[] args) { Object lock = new Object(); // 下面创建三个线程可以抽取成一个方法，这里方便理解所以拆开 new Thread(() -> { // tip：这里条件没必要index.get()<count，因为where不在锁里。 // 如果临界值判断加到这里，会导致最后一个线程无法唤醒其他线程，从而导致死锁（其他线程没人唤醒了）。 while (true) { synchronized (lock) { // 1.临界值判断：到达临界值后唤醒其他线程并结束锁； if(index.get()>=count){ lock.notifyAll(); break; } // 2.打印判断：如果需要打印，则打印、操作原子类 if (index.get() % 3 == 0) { System.out.println("A"); // 只有打印后才操作原子类，否则就是不满足条件，需要下一步的唤醒等待后，进入下一轮的循环 index.getAndIncrement(); } // 3.线程通信：唤醒、等待 // 3.1 唤醒其他线程：不管能不能整除，结束后都唤醒其他线程 // notifyAll()唤醒该对象上的所有线程 lock.notifyAll(); // 3.2 当前线程等待：Object类的wait()方法让线程进入等待状态，直到其他线程调用notify()或notifyAll()方法唤醒 try { lock.wait(); } catch (InterruptedException e) { throw new RuntimeException(e); } } } }, "线程1打印A").start(); new Thread(() -> { while (true) { synchronized (lock) { if(index.get()>=count){ lock.notifyAll(); break; } if (index.get() % 3 == 1) { System.out.println("B"); index.getAndIncrement(); } lock.notifyAll(); try { lock.wait(); } catch (InterruptedException e) { throw new RuntimeException(e); } } } }, "线程2打印B").start(); new Thread(() -> { while (true) { synchronized (lock) { if(index.get()>=count){ lock.notifyAll(); break; } if (index.get() % 3 == 2) { System.out.println("C"); index.getAndIncrement(); } lock.notifyAll(); try { lock.wait(); } catch (InterruptedException e) { throw new RuntimeException(e); } } } }, "线程3打印C").start(); } }
结果：
编辑
具体代码（创建和启动线程抽取方法）：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; /** * @Author: vince * @CreateTime: 2024/05/13 * @Description: 多线交替打印A/B/C * @Version: 1.0 */ public class Test2 { /** * 当前行值 */ private static AtomicInteger index = new AtomicInteger(0); /** * 总打印行数 */ private static final int count = 9; public static void main(String[] args) { Object lock = new Object(); createAndStartThread("线程1打印A", lock, 0, "A"); createAndStartThread("线程2打印B", lock, 1, "B"); createAndStartThread("线程3打印C", lock, 2, "C"); } private static void createAndStartThread(String threadName, Object lock, int remainder, String output) { new Thread(() -> { while (true) { synchronized (lock) { if (index.get() >= count) { lock.notifyAll(); break; } if (index.get() % 3 == remainder) { System.out.println(output); index.getAndIncrement(); } lock.notifyAll(); try { lock.wait(); } catch (InterruptedException e) { throw new RuntimeException(e); } } } }, threadName).start(); } }
其他线程通信方式：
- Object类的wait()和notifyAll()（采用）
- Conditon的await，sign或signAll方法：创建三个Conditon对象A/B/C，A.await()就是让A线程等待；
- Semaphore的acquire和release方法：使用三个Semaphore对象，分别初始化为1、0、0，表示A、B、C三个线程的初始许可数。每个线程在打印字母之前，需要调用对应的Semaphore对象的acquire方法，获取许可。每个线程在打印字母之后，需要调用下一个Semaphore对象的release方法，释放许可。
11.4 线程安全
11.4.1 基本介绍
线程安全：程序在多线程环境下可以持续进行正确的处理，不会产生数据竞争（例如死锁）和不一致的问题。解决方案：原子类、volatile、锁、线程安全的集合
线程安全的解决方案：按照资源占用情况由轻到重排列：
- 原子类：具有原子操作特征（化学中原子是最小单位、不可分割）的类，只能保证单个共享变量的线程安全
- volatile：只能保证单个共享变量的线程安全
- 锁：可以保证临界区内的多个共享变量线程安全。
11.4.2 原子类
原子类是具有原子操作特征（化学中原子是最小单位、不可分割）的类，原子是指一个操作是不可中断的。即使是在多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程干扰。
在java.util.concurrent.atomic包下，有一系列“Atomic”开头的类，统称为原子类。例如AtomicInteger替代int ，底层采用CAS原子指令实现，内部的存储值使用volatile修饰，因此多线程之间是修改可见的。
以AtomicInteger为例，某线程调用该对象的incrementAndGet()方式自增时采用CAS尝试修改它的值，若此时没有其他线程操作该值便修改成功否则反复执行CAS操作直到修改成功。
CAS：不断对变量进行原子性比较和交换，从而解决单个变量的线程安全问题。。比较内存中值和预期值，如果相等则交换，如果不相等就代表被其他线程改了则重试。
AtomicInteger常用方法：
- 构造方法：
- AtomicInteger (): 创建一个初始值为0的 AtomicInteger。
- AtomicInteger(int initialValue): 创建一个初始值为 initialValue 的 AtomicInteger。
- 获取和设置：
- int get(): 获取当前的值。
- void set(int newValue): 设置为 newValue。
- int getAndSet(int newValue): 获取当前值，并设置为 newValue。
- 原子更新：
- boolean compareAndSet(int expect, int update): 如果当前值等于 expect，则更新为 update。
- int getAndIncrement(): 以原子方式将当前值加1，返回的是旧值。
- int incrementAndGet(): 以原子方式将当前值加1，返回的是新值。
- int getAndDecrement(): 以原子方式将当前值减1，返回的是旧值。
- int decrementAndGet(): 以原子方式将当前值减1，返回的是新值。
- int getAndAdd(int delta): 以原子方式将当前值加上 delta，返回的是旧值。
- int addAndGet(int delta): 以原子方式将当前值加上 delta，返回的是新值。
- 其他方法：
- int getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction): 获取当前值，并按更新函数计算新值设置。
- int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction): 按更新函数计算新值设置，并返回新值。
- int getAndAccumulate(int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction): 获取当前值，并按累加函数计算新值设置。
- int accumulateAndGet(int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction): 按累加函数计算新值设置，并返回新值。
验证原子类的线程安全：
/** * @Author: vince * @CreateTime: 2024/06/27 * @Description: 测试类 * @Version: 1.0 */ public class Test { public static int num=0; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0); // 创建10个线程，分别对atomicInteger进行操作 for (int i = 0; i < 10; i++) { new Thread(() -> { for (int j = 0; j < 10000; j++) { atomicInteger.incrementAndGet(); num++; } }).start(); } // 阻塞主线程1s，保证10个线程执行完毕 Thread.sleep(1000); System.out.println(atomicInteger); System.out.println(num); } }
可以看到原子类正常加到100000，而num没有：
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11.4.3 volatile关键字
volatile是一个关键字，被volatile声明的变量存在共享内存中，所有线程要读取、修改这个变量，都是从内存中读取、修改，并且修改操作是原子性的，所以它能保证线程安全。
volatile特性：
- 有序性：被volatile声明的变量之前的代码一定会比它先执行，而之后的代码一定会比它慢执行。底层是在生成字节码文件时，在指令序列中插入内存屏障防止指令重排序。
- 可见性：一旦修改变量则立即刷新到共享内存中，当其他线程要读取这个变量的时候，最终会去内存中读取，而不是从自己的工作空间中读取。每个线程自己的工作空间用于存放堆栈（存方法的参数和返回地址）和局部变量。
- 原子性：volatile变量不能保证完全的原子性，只能保证单次的读/写操作具有原子性（在同一时刻只能被一个线程访问和修改），自增减、复合操作（+=,/=等）则不具有原子性。这也是和synchronized的区别。
读写内存语义：
- 写内存语义：当写一个volatile变量时,JMM（Java内存模型）会把该线程本地内存中的共享变量的值刷新到主内存中。
- 读内存语义：当读一个volatile变量时,JMM会把该线程本地内存置为无效,使其从主内存中读取共享变量。
有序性实现机制：
volatile有序性是通过内存屏障来实现的。内存屏障就是在编译器生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。
机器指令：JVM包括类加载子系统、运行时数据区、执行引擎。 执行引擎负责将字节码指令转为操作系统能识别的本地机器指令。
指令重排序：处理器为了提高运算速度会对指令重排序，重排序分三种类型：编译器优化重排序、处理器指令级并行重排序、内存系统重排序。
- 编译器优化的重排序：编译器在不改变单线程程序的语义前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
- 指令级并行的重排序：现在处理器采用了指令集并行技术，将多条指令重叠执行。如果不存在依赖性，处理器可以改变语句对应的机器指令的执行顺序。
- 内存系统的重排序：由于处理器使用缓存和读写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。
11.4.4 锁
加锁的方式有两种,分别是synchronized关键字和Lock接口（在JUC包下）。
synchronized锁是互斥锁，可以作用于实例方法、静态方法、代码块，能够保证同一个时刻只有一个线程执行该段代码，保证线程安全。 在执行完或者出现异常时自动释放锁。synchronized锁基于对象头和Monitor对象，在1.6之后引入轻量级锁、偏向锁等优化。
lock锁接口可以通过lock、unlock方法锁住一段代码，Lock实现类都是基于AQS实现的。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。
11.4.5 线程安全的集合
- Collections工具类：Collections工具类的synchronizedXxx()方法，将ArrayList等集合类包装成线程安全的集合类。
- 古老api：java.util包下性能差的古老api，如Vector、Hashtable
- 降低锁粒度的并发容器：JUC包下Concurrent开头的、以降低锁粒度来提高并发性能的容器，如ConcurrentHashMap。
- 复制技术实现的并发容器：JUC包下以CopyOnWrite开头的、采用写时复制技术实现的并发容器，如CopyOnWriteArrayList。
11.5 线程同步
11.5.1 基本介绍
多条语句共享数据时，多线程程序会出现数据安全问题。
线程同步：即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作， 其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程又处于等待状态。
Java主要通过加锁的方式实现线程同步,而锁有两类,分别是synchronized关键字和Lock接口（在JUC包下）。
synchronized锁是互斥锁，可以作用于实例方法、静态方法、代码块，能够保证同一个时刻只有一个线程执行该段代码，保证线程安全。 在执行完或者出现异常时自动释放锁。synchronized锁基于对象头和Monitor对象，在1.6之后引入轻量级锁、偏向锁等优化。
lock锁接口可以通过lock、unlock方法锁住一段代码，Lock实现类都是基于AQS实现的。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。
对比线程安全和线程同步：线程同步是实现线程安全的一种手段
- 线程安全：程序在多线程环境下可以持续进行正确的处理，不会产生数据竞争（例如死锁）和不一致的问题。解决方案：原子类、volatile、锁、线程安全的集合
- 线程同步：确保多个线程正确、有序地访问共享资源。解决方案：锁
11.5.2 synchronized锁
11.5.2.1 基本介绍
synchronized锁：
synchronized锁是互斥锁，可以作用于实例方法、静态方法、代码块，能够保证同一个时刻只有一个线程执行该段代码，保证线程安全。 在执行完或者出现异常时自动释放锁。synchronized锁基于对象头、CAS、Monitor对象，在1.6之后引入轻量级锁、偏向锁等优化。
作用于三个位置：
1.作用在静态方法上,则锁是当前类的Class对象。
2. 作用在普通方法上,则锁是当前的实例（this）。
3. 作用在代码块上,则需要在关键字后面的小括号里,显式指定锁对象，例如this、Xxx.class。
11.5.2.2 同步代码块
同步代码块作用在代码块上,则需要在关键字后面的小括号里,显式指定锁对象，例如this、Xxx.class。
同步代码块简单来说就是将一段代码用一把锁给锁起来, 只有获得了这把锁的线程才访问, 并且同一时刻, 只有一个线程能持有这把锁, 这样就保证了同一时刻只有一个线程能执行被锁住的代码.
synchronized(同步对象) { //多条语句操作共享数据的代码 }
同步代码块的好处：解决了多线程的数据安全问题
弊端：线程很多时，每个线程都会去判断锁，这是很耗费资源和时间的。
代码示例：共有100张票，三个窗口卖票，通过加锁防止超卖
public class SellTicket implements Runnable { private int tickets = 100; private final Object obj = new Object(); @Override public void run() { while (true) { synchronized (obj) { if (tickets > 0) { try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在出售第 " + tickets + " 张票"); tickets--; } else { break; } } } } public static void main(String[] args) { SellTicket sellTicket = new SellTicket(); Thread t1 = new Thread(sellTicket, "窗口1"); Thread t2 = new Thread(sellTicket, "窗口2"); Thread t3 = new Thread(sellTicket, "窗口3"); t1.start(); t2.start(); t3.start(); } }
11.5.2.3 同步方法
1.作用在静态方法上,则锁是当前类的Class对象。
2. 作用在普通方法上,则锁是当前的实例（this）。
非静态同步方法的锁对象为this。下面代码是相同功能的同步方法和同步代码块：
代码示例：
锁的粒度是当前对象：
// 方法1：实例方法，使用this对象锁 private void sellTicket1() { synchronized (this) { if (tickets > 0) { try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在出售第 " + tickets + " 张票"); tickets--; } } } // 方法2：实例方法，使用this对象锁 private void sellTicket2() { synchronized (this) { if (tickets > 0) { try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在出售第 " + tickets + " 张票"); tickets--; } } }
锁的粒度是真个类：
静态同步方法的锁对象为：类名.class。下面代码是相同功能的同步方法和同步代码块
// 方法3：静态方法，使用类对象锁 private static synchronized void sellTicket3() { if (tickets > 0) { try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在出售第 " + tickets + " 张票"); tickets--; } } // 方法4：静态方法，使用类对象锁 private static void sellTicket4() { synchronized (SellTicket.class) { if (tickets > 0) { try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在出售第 " + tickets + " 张票"); tickets--; } } }
11.5.2.4 知识加油站：synchronized锁的原理
synchronized锁：
synchronized锁是互斥锁，可以作用于实例方法、静态方法、代码块，能够保证同一个时刻只有一个线程执行该段代码，保证线程安全。 在执行完或者出现异常时自动释放锁。synchronized锁基于对象头、CAS、Monitor对象，在1.6之后引入轻量级锁、偏向锁等优化。
作用于三个位置：
1.作用在静态方法上,则锁是当前类的Class对象。
2. 作用在普通方法上,则锁是当前的实例（this）。
3. 作用在代码块上,则需要在关键字后面的小括号里,显式指定锁对象，例如this、Xxx.class。
对象头存储锁信息： synchronized的底层是采用对象头的Mark Word来存储锁信息的。Hotspot 虚拟机（JVM默认虚拟机）中每个对象都有一个对象头(Object Header)，包含Mark Word（标记字段） 和 Class Pointer（类型指针）。
- Mark Word（标记字段）：存储哈希码、GC分代年龄、锁信息、GC标记（标志位，标记可达对象或垃圾对象）等。锁信息包括：
- 锁标志位：64位的二进制数，通过末尾能判断锁状态。01未锁定、01可偏向、00轻量级锁、10重量级锁、11垃圾回收标记
- 偏向锁线程ID、时间戳等；
- 轻量级锁的指针：指向锁记录的指针
- 重量级锁的指针：指向Monitor锁的指针
- 类型指针：指向它的类元数据的指针，用于找到对象所在的类。
不考虑共享资源是类变量等特殊情况的话，有共享资源的多个线程通常都属于同一个对象。
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Monitor对象：每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，也称为监视器锁或Monitor锁。Monitor锁用于控制线程对共享资源的访问，开发人员不能直接访问Monitor对象。当一个线程获取了Monitor的锁后，其他试图获取该锁的线程就会被阻塞，直到当前线程释放锁为止。
当一个线程执行synchronized方法或代码块并升级成重量级锁时，当前对象会关联一个Monitor对象，线程必须先获得该对象的Monitor锁才能执行。Monitor有Owner、EntryList、WaitSet三个字段，分别表示Monitor的持有者线程(获得锁的线程)、阻塞队列、和等待队列。
线程通信：synchronized通过Monitor对象，利用Object的wait，notify，notifyAll等方法来实现线程通信。
锁升级：JDK6之前synchronized只有无锁和重量级锁两个状态，JDK6引入偏向锁、轻量级锁两个状态，锁可以根据竞争程度从无锁状态慢慢升级到重量级锁。当竞争小的时候，只需以较小的代价加锁，直到竞争加剧，才使用重量级锁，从而减小了加锁带来的开销。
- 锁升级顺序：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。
- 无锁：没有线程访问同步代码块时。没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并不断修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功，失败线程会不断重试。
- 偏向锁：当有一个线程访问同步代码块时升级为偏向锁。一段同步代码块一直被一个线程所访问，那么该线程id会CAS写入对象头，下次再访问同步代码块时对象头检查到该线程id，就不用加锁解锁了，降低获取锁的代价。
- 轻量级锁（自旋锁）：有锁竞争时升级为轻量级锁。其他线程会通过自旋的形式尝试通过CAS将对象头中Mark Word替换为指向线程栈帧里锁记录的指针，从而获得锁；同时线程锁记录里存放Mark Word信息。竞争的线程不会阻塞但会一直自旋，消耗CPU性能，但速度快。
- 重量级锁：锁膨胀（自旋失败10次）时升级为重量级锁。Mark Word中存储的是指向Monitor锁的指针，对象Mark Word信息也会保存在Monitor锁里，当一个线程获取了Monitor锁后，竞争线程会被阻塞，不再自旋，不消耗CPU，速度慢。
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11.5.3 Lock锁
Lock提供比同步方法和代码块更广泛的锁定操作。
- lock()：获取锁。如果锁不可用，则当前线程将被禁用，直到获取锁为止。
- tryLock()：尝试获取锁，如果锁可用，则获取并立即返回 true；如果锁不可用，则立即返回 false，不会等待。
- tryLock(long time, TimeUnit unit)：尝试在指定的时间内获取锁。如果锁可用，则获取并立即返回 true；如果在指定时间内锁不可用，则等待直到超时，然后返回 false。
- unlock()：释放锁。
- newCondition()：返回一个绑定到此 Lock 实例的新 Condition 实例，可以用于线程之间的协调等待。
代码示例：
import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class SellTicket implements Runnable { private int tickets = 100; private Lock lock = new ReentrantLock(); @Override public void run() { while (true) { try { lock.lock(); if (tickets > 0) { try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在出售第 " + tickets + " 张票"); tickets--; } else { break; } } finally { lock.unlock(); } } } public static void main(String[] args) { SellTicket sellTicket = new SellTicket(); Thread t1 = new Thread(sellTicket); Thread t2 = new Thread(sellTicket); Thread t3 = new Thread(sellTicket); t1.start(); t2.start(); t3.start(); } }
11.5.4 synchronized和Lock的区别
Lock和synchronized有以下几点不同：
- 接口和关键字。Lock是一个接口，而synchronized是Java中的关键字，synchronized是内置的语言实现；
- 死锁问题。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；
- 让等待锁的线程响应中断。Lock可以可以通过lockInterruptibly()获取锁的方法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；
- 得知是否成功获取锁。通过Lock可以通过tryLock()知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到。
- 性能对比。两者性能差不多。JDK6之前synchronized没有锁升级，线程竞争非常激烈时Lock的性能要远远优于synchronized；而JDK6引入锁升级后，线程竞争激烈时候两者性能也相差无几。
lock锁中断线程：若有线程已拿到锁，其他线程使用lock()获取锁时会阻塞，使用lockInterruptibly()获取锁时会直接中断抛出InterruptedException异常
lock锁编码习惯：加锁代码要放到try外面。如果放在try里面的话，加锁失败抛异常或者加锁前的代码抛异常后，执行finally里的解锁代码，而其实加锁都没成功，最终解锁就也不合适了。
lock.lock(); // 加锁 try{ // do something }finally{ lock.unlock(); // 解锁 } //不推荐 try{ int a=3/0;//这里抛异常会直接进入finally lock.lock(); // 加锁 // do something }finally{ lock.unlock(); // 解锁 }
分布式锁：SETNX、Redisson。Redisson基于Redis协议，可以实现可重入锁、公平锁、读写锁、信号量、闭锁（计数器），支持看门狗自动续期。
十二、 反射
12.1 基本介绍
反射：在程序运行期间动态地获取类的信息并对类进行操作的机制。
通过反射机制可以实现：
- 获取类或对象的Class对象：程序运行时,可以通过反射获得任意一个类的Class对象,并通过这个对象查看这个类的所有方法和属性（包括私有，私有需要给该字段调用setAccessible(true)方法开启私有权限）。注意类的class对象是运行时生成的，类的class字节码文件是编译时生成的。
- 创建实例：程序运行时,可以利用反射先创建类的Class对象再创建该类的实例,并访问该实例的成员；Xxx.class.newInstance() ;例如在Spring容器类源码里，Bean实例化就是通过Bean类的Class对象。Bean类的Class对象是从BeanDefinition对象的type成员变量取的。BeanDefinition对象存储一些Bean的类型、名称、作用域等声明信息。
- 生成动态代理类或对象：程序运行时,可以通过反射机制生成一个类的动态代理类或动态代理对象。例如JDK中Proxy类的newProxyInstance静态方法，可以通过它创建基于接口的动态代理对象。
类的字节码文件和Class对象的区别：
- 类的class字节码文件是编译时生成的，类的class对象是运行时生成的。
- 类的字节码文件是一个存储在电脑硬盘中的文件，例如Test.class；类的Class对象是存放在内存中的数据，可以快速获取其中的信息；
- 两者都存储类的各种信息；
获取类Class对象的JVM底层：如果该类没有被加载过，会首先通过JVM实现类的加载过程，即加载、链接（验证、准备、解析）、初始化，加载阶段会生成类的Class对象。
获取类Class对象的方法：dog.getClass();Dog.class;Class.forName("package1.Dog");
特点：
- 访问私有成员：构造方法、成员变量、方法对象取消访问检查可以访问私有成员；public void setAccessible(boolean flag):值为true，取消访问检查
- 越过泛型检查：反射可以越过泛型检查，例如在ArrayList<Integer>中添加字符串
反射的优缺点：
- 优点：
- 运行时获取属性：运行期间能够动态的获取类，提高代码的灵活性。
- 访问私有成员：构造方法、成员变量、方法对象取消访问检查可以访问私有成员；public void setAccessible(boolean flag):值为true，取消访问检查
- 越过泛型检查：反射可以越过泛型检查，例如在ArrayList<Integer>中添加字符串
- 缺点：性能差。性能比直接的Java代码要差很多。
应用场景：
- JDBC加载数据库的驱动：使用JDBC时，如果要创建数据库的连接，则需要先通过反射机制加载数据库的驱动程序；
- Bean的生命周期：
- 实例化xml解析出的类：多数框架都支持注解或XML配置来定义应用程序中的类，从xml配置中解析出来的类是字符串，需要利用反射机制实例化；例如Spring通过<bean id="xx" class="类全限定名">和<property name="按名称注入" ref="被注入Bean的id">定义bean，然后通过Class.forName("xxx.Xxx")获取类的class对象，然后创建实例。
- 注解容器类加载Bean、实例化Bean：Bean的生命周期中，注解容器类的构造方法会遍历@ComponentScan("扫描路径")下的.class文件，通过类加载器.load("类名")方式获得类的class对象，存入beanDefinitionMap。然后遍历beanDefinitionMap，通过class对象实例化等。
- AOP创建动态代理对象：面向切面编程（AOP）的实现方案，是在程序运行时创建目标对象的代理对象，这必须由反射机制来实现。
验证反射可以绕过泛型检查：
基于反射，我们可以给ArrayList<Integer>对象中，加入字符串
public class Test { /** * 测试方法，实际场景建议try-catch,而不是throws * @param args * @throws NoSuchMethodException * @throws InvocationTargetException * @throws IllegalAccessException */ public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException { ArrayList<Integer> integers = new ArrayList<>(); Class<? extends ArrayList> aClass = integers.getClass(); Method add = aClass.getMethod("add", Object.class); add.invoke(integers, 1); add.invoke(integers, 2); add.invoke(integers, 3); add.invoke(integers, 4); add.invoke(integers, "hello"); System.out.println(integers); } }
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12.2 反射获取Class对象
12.2.1 基本介绍
Class类的对象：程序运行时,可以通过反射获得任意一个类的Class对象,并通过这个对象查看这个类的所有方法和属性（包括私有，私有需要给该字段调用setAccessible(true)方法开启私有权限）。
注意类的class对象是运行时生成的，类的class字节码文件是编译时生成的。
获取类Class对象：
- 对象.getClass()：Object是一切类的根类，Object类有个getClass()方法可以获取类的Class对象。例如dog.getClass();
- 类名.class（推荐）：例如Dog.class;
- Class.forName("类名")：例如Class.forName("package1.Dog");
Class对象的常用方法：
- 获取类的信息：
- String getName()：返回类的全限定名。全限定名包含包名和类名，用于唯一标识类或接口。例如package1.Dog、java.lang.String、java.util.Map$Entry
- String getSimpleName()：返回类的简单名。例如Dog
- String getCanonicalName()：返回类的规范名。规范名是类的规范字符串形式，常用于打印和日志记录。例如package1.Dog、java.lang.String、java.util.Map.Entry
- Package getPackage()：返回此类所属的包。
- ClassLoader getClassLoader()：返回该类的类加载器。
- Class<? super T> getSuperclass()：返回表示类的超类的 Class 对象。
- Class<?>[] getInterfaces()：返回类实现的所有接口。
- boolean isInterface()：判断是否是接口。
- boolean isAnnotation()：判断是否是注解类型。
- boolean isEnum()：判断是否是枚举类型。
- Annotation[] getAnnotations()：返回此元素上存在的所有注解。
- Annotation[] getDeclaredAnnotations()：返回直接存在于此元素上的所有注解。
- T getAnnotation(Class<T> annotationClass)：返回指定类型的注解，如果该注解存在于此元素上，否则返回 null。例如Spring源码中，ApplicaitonContext构造器判断一个类是不是Bean，是通过这个方法判断类有没有@Comonent等注解，从而判断它是不是Bean。
- 获取成员：
- Field[] getFields()：返回类的所有公共字段，包括从父类继承的字段。
- Field[] getDeclaredFields()：返回类声明的所有字段，不包括继承的字段。
- Method[] getMethods()：返回类的所有公共方法，包括从父类继承的方法。
- Method[] getDeclaredMethods()：返回类声明的所有方法，不包括继承的方法。
- Constructor<?>[] getConstructors()：返回类的所有公共构造方法。
- Constructor<?>[] getDeclaredConstructors()：返回类声明的所有构造方法。
- 其他方法：
- T newInstance()：创建此 Class 对象所表示的类的一个新实例（使用默认构造方法）。
Spring源码：Bean初始化时判断类是否Bean、判断属性是否需要填充都用到了反射
Spring框架中Bean是如何加载的？从底层源码入手，详细解读Bean的创建流程-CSDN博客
代码示例：
准备Dog类
/** * @Author: vince * @CreateTime: 2024/07/02 * @Description: 狗类 * @Version: 1.0 */ public class Dog{ /** * 体重 */ private int weight; /** * 名字 */ public String name; public Dog() { } public int getWeight() { return weight; } public void setWeight(int weight) { this.weight = weight; } public String getName() { return name; } public void setName(String name) { this.name = name; } public Dog(int weight, String name) { this.weight = weight; this.name = name; } @Override public String toString() { return "Dog{" + "weight=" + weight + ", name='" + name + '\'' + '}'; } }
获取类的Class对象：
public class Test { /** * 测试方法，实际场景建议try-catch,而不是throws * @param args */ public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException { //方法1：类的class属性 Class<Dog> c1=Dog.class; //方法2：对象的getClass方法 Dog wangCaiDog = new Dog(23, "旺财"); Class<? extends Dog> c2= wangCaiDog.getClass(); //方法3：Class类的静态方法forName Class<?> c3= Class.forName("package1.Dog"); // 方法4：使用类加载器 ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader(); Class<?> c5 = systemClassLoader.loadClass("package1.Dog"); // 输出：class package1.Dog System.out.println(c1); //三种方式获取到Class对象地址是完全一致的 // 输出：true System.out.println(c1==c2&&c1==c3); } }
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获取类的信息：
/** * @Author: vince * @CreateTime: 2024/06/27 * @Description: 测试类 * @Version: 1.0 */ public class Test { /** * 测试方法，实际场景建议try-catch,而不是throws * * @param args */ public static void main(String[] args) throws Exceptionn { Class<? extends Dog> dogClass = Dog.class; System.out.println(dogClass.getName()); System.out.println(dogClass.getSimpleName()); System.out.println(dogClass.getCanonicalName()); } }
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12.2.2 全限定名和规范名
全限定名和规范名：
外部类的全限定名和规范名是一样的，都是“xxx.类名”。区别主要在内部类，内部类的全限定名是“xxx.外部类名$内部类名”，规范名是“xxx.外部类名.内部类名”。
- 简单名：只包含类名。例如Dog、String、Entry
- 全限定名：包含包名和类名，用于唯一标识类或接口，通过全限定名能找到唯一一个类。例如package1.Dog、java.lang.String、java.util.Map$Entry
- 规范名：类的规范字符串形式，常用于打印和日志记录。例如package1.Dog、java.lang.String、java.util.Map.Entry
代码示例：
public static void main(String[] args) throws Exception { // java.util.Map System.out.println(Map.class.getName()); // java.util.Map System.out.println(Map.class.getCanonicalName()); // 输出 "java.util.Map$Entry" System.out.println(Map.Entry.class.getName()); // 输出 "java.util.Map.Entry" System.out.println(Map.Entry.class.getCanonicalName()); }
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12.3 反射获取成员
12.3.1 反射获取构造方法
Class对象获取构造器：
- getConstructor(Class<?>... parameterTypes)：获取指定参数类型的公共构造方法。返回值是Constructor类。
- getDeclaredConstructor(Class<?>... parameterTypes)：获取指定参数类型的构造方法（包括私有构造方法）。
- getConstructors()：获取所有公共构造方法。
- getDeclaredConstructors()：获取所有构造方法（包括私有构造方法）。
- newInstance()：创建类的新实例。
- Class类的newInstance()：只能够调用无参构造函数；
- Constructor类的newInstance()：可以根据传入的参数，调用任意构造函数。
Constructor译作构造方法，构造器。
代码示例：
获取所有构造器对象：
/** * @Author: vince * @CreateTime: 2024/07/02 * @Description: 狗类 * @Version: 1.0 */ public class Dog{ /** * 体重 */ private int weight; /** * 名字 */ public String name; public Dog() { } public int getWeight() { return weight; } public void setWeight(int weight) { this.weight = weight; } public String getName() { return name; } public void setName(String name) { this.name = name; } public Dog(int weight, String name) { this.weight = weight; this.name = name; } @Override public String toString() { return "Dog{" + "weight=" + weight + ", name='" + name + '\'' + '}'; } }
public static void main(String[] args) { Class<Dog> dogClass=Dog.class; Constructor<?>[] cons = dogClass.getDeclaredConstructors(); for(Constructor<?> con:cons){ System.out.println(con); } }
编辑
获取单个构造器并实例化：
无参：
/** * @Author: vince * @CreateTime: 2024/06/27 * @Description: 测试类 * @Version: 1.0 */ public class Test { /** * 测试方法，实际场景建议try-catch,而不是throws * @param args */ public static void main(String[] args) throws InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException, NoSuchMethodException { Class<Dog> dogClass=Dog.class; //获取单个构造方法对象 Constructor<?> con=dogClass.getDeclaredConstructor(); //构造方法对象实例化，会调用无参构造方法 Object dogObject = con.newInstance(); // 无参构造器实例化，也可以直接用Class对象的newInstance方法，带参就不行了 Dog dog = dogClass.newInstance(); //重写了Dog类的to_String，所以输出：Dog{weight=0, name='null'} System.out.println(dogObject); System.out.println(dog); } }
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带参：
/** * @Author: vince * @CreateTime: 2024/06/27 * @Description: 测试类 * @Version: 1.0 */ public class Test { /** * 测试方法，实际场景建议try-catch,而不是throws * @param args */ public static void main(String[] args) throws InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException, NoSuchMethodException { Class<Dog> dogClass=Dog.class; Constructor<?> con=dogClass.getConstructor(int.class,String.class); Object obj = con.newInstance(32,"旺财"); System.out.println(obj); } }
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12.3.2 反射获取字段
Class对象获取字段：
- getField(String name)：返回指定名称的公共字段。返回类型是字段类Field。
- getDeclaredField(String name)：返回指定名称的字段（包括私有字段）。
- getFields()：返回所有公共字段。
- getDeclaredFields()：返回所有字段（包括私有字段）。
字段类Field常用方法：
获取字段信息：
- getName()：返回字段的名称。
- getType()：返回字段的类型。
- getModifiers()：返回字段的修饰符。
- getDeclaringClass()：返回声明该字段的类的 Class 对象。
获取和设置字段值：
- get(Object obj)：返回指定对象上此字段的值。
- getBoolean(Object obj)：返回指定对象上此字段的值（如果字段类型是 boolean）。
- getByte(Object obj)：返回指定对象上此字段的值（如果字段类型是 byte）。
- getChar(Object obj)：返回指定对象上此字段的值（如果字段类型是 char）。
- getDouble(Object obj)：返回指定对象上此字段的值（如果字段类型是 double）。
- getFloat(Object obj)：返回指定对象上此字段的值（如果字段类型是 float）。
- getInt(Object obj)：返回指定对象上此字段的值（如果字段类型是 int）。
- getLong(Object obj)：返回指定对象上此字段的值（如果字段类型是 long）。
- getShort(Object obj)：返回指定对象上此字段的值（如果字段类型是 short）。
- set(Object obj, Object value)：设置指定对象上此字段的值。注意私有字段默认不允许赋值，要赋值必须给私有字段setAccessible(true)
- setBoolean(Object obj, boolean value)：设置指定对象上此字段的值（如果字段类型是 boolean）。
- setByte(Object obj, byte value)：设置指定对象上此字段的值（如果字段类型是 byte）。
- setChar(Object obj, char value)：设置指定对象上此字段的值（如果字段类型是 char）。
- setDouble(Object obj, double value)：设置指定对象上此字段的值（如果字段类型是 double）。
- setFloat(Object obj, float value)：设置指定对象上此字段的值（如果字段类型是 float）。
- setInt(Object obj, int value)：设置指定对象上此字段的值（如果字段类型是 int）。
- setLong(Object obj, long value)：设置指定对象上此字段的值（如果字段类型是 long）。
- setShort(Object obj, short value)：设置指定对象上此字段的值（如果字段类型是 short）。
其他方法：
- isAccessible()：返回字段是否可访问。
- setAccessible(boolean flag)：设置字段的可访问性。通过这个方法可以让私有字段也可以赋值。
- toGenericString()：返回字段的描述，包括泛型信息。
- getAnnotatedType()：返回此字段的带注释的类型。
- getAnnotations()：返回字段的所有注解。
- getAnnotation(Class<T> annotationClass)：返回字段的指定类型的注解，如果该注解不存在，则返回 null。例如Spring源码中依赖注入这一块，就是基于反射获取类中字段有没有@Resource、@Component等注解，有的话就是要注入Bean.
- getDeclaredAnnotations()：返回直接存在于此字段上的所有注解。
Spring源码：Bean初始化时判断类是否Bean、判断属性是否需要填充都用到了反射
Spring框架中Bean是如何加载的？从底层源码入手，详细解读Bean的创建流程-CSDN博客
代码示例：
准备Dog类
/** * @Author: vince * @CreateTime: 2024/07/02 * @Description: 狗类 * @Version: 1.0 */ public class Dog{ /** * 体重 */ private int weight; /** * 名字 */ public String name; public Dog() { } public int getWeight() { return weight; } public void setWeight(int weight) { this.weight = weight; } public String getName() { return name; } public void setName(String name) { this.name = name; } public Dog(int weight, String name) { this.weight = weight; this.name = name; } @Override public String toString() { return "Dog{" + "weight=" + weight + ", name='" + name + '\'' + '}'; } }
获取成员变量对象并赋值：
/** * @Author: vince * @CreateTime: 2024/06/27 * @Description: 测试类 * @Version: 1.0 */ public class Test { /** * 测试方法，实际场景建议try-catch,而不是throws * * @param args */ public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, InstantiationException, IllegalAccessException { // 1.获取Class对象，并实例化 Class<? extends Dog> dogClass = Dog.class; Dog dog = dogClass.newInstance(); // 2.获取字段对象 Field nameField = dogClass.getDeclaredField("name"); Field weightField = dogClass.getDeclaredField("weight"); // 3.给字段对象赋值 nameField.set(dog, "旺财"); // 注意私有字段默认不允许赋值，要赋值必须给私有字段设置可访问 weightField.setAccessible(true); weightField.set(dog, 10); System.out.println(dog); } }
可以看到私有、公有字段都赋值成功：
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通过Field获取的Class类：
/** * @Author: vince * @CreateTime: 2024/06/27 * @Description: 测试类 * @Version: 1.0 */ public class Test { /** * 测试方法，实际场景建议try-catch,而不是throws * @param args */ public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException { Class<Dog> dogClass=Dog.class; Field weightField = dogClass.getDeclaredField("name"); Class<?> dogClassByField = weightField.getDeclaringClass(); // 通过字段获取到的class对象和源class对象是地址是一样的，事实上一个类的所有Class对象都是一个实例 // true System.out.println(dogClassByField==dogClass); } }
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12.3.3 反射获取普通方法
Class对象获取成员方法的方法：
- getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)：返回指定名称和参数类型的公共方法。返回值是方法类Method。
- getDeclaredMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)：返回指定名称和参数类型的方法（包括私有方法）。
- getMethods()：返回所有公共方法（包括从父类继承的方法）。
- getDeclaredMethods()：返回所有方法（包括私有方法）。
Method类的方法：
- 获取方法信息：
- getName()：返回方法的名称。
- getReturnType()：返回方法的返回类型。
- getParameterTypes()：返回方法参数类型的数组。
- getModifiers()：返回方法的修饰符。
- getDeclaringClass()：返回声明此方法的类的 Class 对象。
- 调用方法：
- Object invoke(Object obj, Object... args)：调用指定对象上此 Method 对象表示的基础方法。
- 其他方法：
- isAccessible()：返回方法是否可访问。
- setAccessible(boolean flag)：设置方法的可访问性。
- getAnnotations()：返回此方法的所有注解。例如Spring源码中通过此方法判断一个类中
- isAnnotationPresent(Class<? extends Annotation> annotationClass)：判断此方法是否被指定的注解类型注释。
- getAnnotation(Class<T> annotationClass)：返回该方法的指定类型的注解。
- getExceptionTypes()：返回此方法抛出的异常类型的数组。
- toGenericString()：返回方法的描述，包括泛型信息。
获取成员变量对象并调用：
// 1.获取构造方法对象并实例化 Class<?> c= Class.forName("train.Dog"); Constructor<?> con=c.getConstructor(); Object obj = con.newInstance(); // 2.获取成员方法对象 Method eat = c.getMethod("eat"); // 3.通过成员方法对象的invoke方法，调用构造方法对象的成员方法 //无参无返回值方法 eat.invoke(obj); //带参有返回值方法 Object sucess= eat.invoke(obj,"food"); System.out.println((boolean)sucess);
