JavaEE——多线程的状态及线程安全问题

NEW: 安排了工作 , 还未开始行动 . 新创建的线程 , 还没有调用 start 方法时处在这个状态 .

RUNNABLE: 可工作的 . 又可以分成正在工作中和即将开始工作 . 调用 start 方法之后 , 并正在

CPU 上运行 / 在即将准备运行 的状态 .

BLOCKED: 使用 synchronized 的时候 , 如果锁被其他线程占用 , 就会阻塞等待 , 从而进入该状

态 .

WAITING: 调用 wait 方法会进入该状态 .

TIMED_WAITING: 调用 sleep 方法或者 wait( 超时时间 ) 会进入该状态 .

TERMINATED: 工作完成了 . 当线程 run 方法执行完毕后 , 会处于这个状态 .

一、线程的状态

1、NEW

new表示安排了工作还未开始行动。

看代码：while()循环里面啥也不用给，我们直接通过t.getState()这个方法获取指定线程的状态

public class demo14 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            while (true) {
 
            }
        });
        System.out.println(t.getState());//通过这个方法获取指定线程的状态
        t.start();
    }
}

2、 TERMINATED

TERMINATED：表示工作完成了。

代码：这里我们直接去掉while()循环，啥也不用干，那肯定代码是执行完了，先调用start方法，然后获取我们的线程状态。

public class demo14 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            
        });
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(t.getState());
    }
}

3、RUNNABLE

RUNNABLE：表示就绪状态。处于这个状态的线程，就是在就绪队列中，随叫随到，随时可以到CPU上执行。

代码：直接给一个空的while循环，不用加sleep等操作，方便我们观察代码的就绪状态。

public class demo14 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            while (true) {
 
            }
        });
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(t.getState());
    }
}

4、TIMED_WAITING

即代码中调用了sleep就会进入到TIMED_WAITING，意思就是当前线程在一定时间内是阻塞状态。

public class demo14 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(t.getState());
    }
}

5、 BLOCKED

表示排队等待其他事情。详情参考本文下面的3、加锁操作。

6、WAITING

也表示排队等待其他事情。

OK，到这里就可以总结出线程状态转换的简易图。

二、线程安全问题

谈到线程安全，那么这里是很重要的一个板块，在面试中如果遇到多线程的问题，基本都会涉及到线程安全问题，同时也是一个难点，希望大家认真阅读。

1、线程不安全的原因

操作系统调度线程的时候是随机的，线程之间是抢占式执行，正因为这种特性很可能会导致程序出现一些bug。

2、一个线程不安全的实例

这里我们使用两个线程，对同一个整型变量各自-自增5w次，看最终的结果。

class Counter{
    public int count = 0;
    public void increase(){
        count++;
    }
 
public class demo15 {
    private static  Counter counter = new Counter();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() ->{
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
 
        t1.join();
        t2.join();
        //必须要在t1,t2都执行完了之后，再打印count
        //否则，t1,t2,main都是并发执行的关系，导致t1，t2还没执行完，就先执行了下面的打印操作
        //在main中打印两个线程执行自增完成之后，得到的count结果
        System.out.println(counter.count);
    }
}

注意这里我们需要等待线程t1,t2都结束之后再打印结果，因为main线程和t1,t2线程是并发执行的关系，所以使用到了join函数

我们发现结果并不是10w，而是一个介于5w - 10w之间的数字，那么为什么会这样呢？

要想知道其中原因，我们就要来了解一个count++到低是如何实现的。

站在CPU的角度：count++实际上是三个CPU指令。

1、把内存中的count的值，加载到CPU寄存器中。（load）

2、把寄存器中的值+1。(add)

3、把寄存器的值写回到内存的count中。(save)

由于线程调度是抢占式执行的，并且这个count++操作是分为3步来完成的，那么t1,t2同时执行这三个操作的时候，顺序上是有很多种可能的，这就可能导致我们最终的结果达不到10w。

结果为什么在5w - 10w之间？

 这5w并发相加中，有时候可能是串行的(+2),有时候可能是交错的，串行与交错多少次咋们不知道，这都是随机的，极端情况下，所有操作都是串行的，结果就是10w，所有操作都是交错的，结果就是5w，不过都是小概率事件。

3、加锁操作

那么如何解决上述线程不安全问题呢?

答案：加锁！

这里举个例子：比如李华准备去ATM机里面取钱，那么ATM机器一般是在一个小房间里面，当李华走进去的时候他就可以给这个房间的门上锁，这样赵四，王五等等想取钱的话只能等李华取完（这个等待操作就是阻塞），李华取完钱后便可以给这个房间解锁，下一个人才能进去取钱。

如何加锁？

那么java中加锁的方式有很多种，最常使用的是 synchronized 关键字。我们可以给上述代码重大的自增函数increase()前面加上synchronized 关键字就是加锁成功了。

 public int count = 0;
 synchronized public void increase(){
        count++;
 }

我们在看运行结果，这下便是10w，符合我们的预期。

那么给方法加上 synchronized 关键字之后，此时进入方法就会自动加锁，离开方法就会自动锁，当一个线程加锁成功的时候，其他线程尝试加锁就会触发阻塞等待。这个时候线程的状态就称为BLOCKED。

4、产生线程不安全的原因

1、线程是抢占式执行的，线程间的调度充满随机性。(线程不安全的根本原因)

2、多个线程对同一个变量进行修改操作。

3、针对变量的操作不是原子的，通过加锁操作就是把几个指令打包成一个原子的。

4、内存可见性。

什么是内存可见性呢？

假设我们这里有两个线程t1,t2；t1只进行读操作，t2在合适的时候会进行修改操作。

t1 这个线程在循环读这个变量。那么读取内存操作,相比于读取寄存器，是一个非常低效的操作作。 (慢 3-4 个数量级)
因此在 t1 中频繁的读取这里内存的值就会非常低效。
而且如果 t2 线程迟迟不修改,t1 线程读到的值又始终是一样的值!!
因此,t1 可能会 直接从寄存器里读(即不执行 load )一旦 t1 做出了这种大胆的假设,此时万一 t2 修改了 count 值, t1 就不能感知到了。

import java.util.Scanner;
 
public class demo16 {
    public static int isquit = 0;
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(()-> {
            while (isquit == 0){
 
            }
            System.out.println("循环结束，t线程退出！");
        });
        t.start();
 
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        System.out.println("请输入一个isquit的值：");
        isquit = sc.nextInt();
        System.out.println("main线程执行完毕！");
    }
}

那么这个案例就很好的说明了上述内存可见性的问题，我们手动输入isquit的值为2，那么while循环结束按理说应该打印 System.out.println("循环结束，t线程退出！");正是因为t线程一直反复读isquit的值，于是它直接从寄存器读，那么我们修改了isquit的值，它也就感知不到了。所以就没有打印 循环结束，t线程退出！ 这条语句。

解决方案？

1、使用synchronized 关键字。synchronized 不光能够保证原子性，同时也能够保证内存可见性。被synchronized 包裹起来的代码，编译器就不敢轻易做出上述假设，就相当于手动禁止了编译器的优化。

2、使用volatile关键字。volatile和原子性无关，但是能够保证内存可见性。使得编译器每次都重新从内存中读取isquit的值。

  public static volatile int isquit = 0;

5、指令重排序

这个操作也是编译器优化的一种操作，编译器会智能的调整代码的前后顺序从而提高程序的效率。

保证逻辑不变的前提，再去调整顺序。使用synchronized 也能够禁止指令从排序！！