Java【多线程】（2）线程属性与线程安全
目录
1.前言
2.正文
2.1线程的进阶实现
2.2线程的核心属性
2.3线程安全
2.3.1线程安全问题的原因
2.3.2加锁和互斥
2.3.3可重入（如何自己实现可重入锁）
2.4.4死锁（三种情况）
2.4.4.1第一种情况
2.4.4.2第二种情况
2.4.4.3第三种情况
2.4.5避免死锁
3.小结
1.前言
哈喽大家好吖，今天继续来给大家分享线程相关的内容，介绍一部分线程的核心属性，后一部分主要为线程安全部分，当然一篇博文无法讲解完全，会在后续接着为大家讲解。
2.正文
2.1线程的进阶实现
上一篇关于线程的博文我们通过Thread类或实现Runnable接口来达到了多线程的实现，接下来给大家一个最推荐的实现方式：lambda表达式实现。
Thread类的构造函数接受一个Runnable接口类型的参数，而Runnable接口有一个run方法。因此，我们可以通过lambda表达式来实现这个接口，并将其传递给Thread构造器。public class test { public static void main(String[] args) { // 使用lambda表达式创建线程 Thread thread = new Thread(() -> { // 线程执行的代码 for (int i = 0; i < 5; i++) { System.out.println("线程正在运行: " + i); try { Thread.sleep(1000); // 模拟线程工作1秒 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }); thread.start(); // 启动线程 } }详解：
Runnable接口：Runnable接口包含一个run方法，定义了线程要执行的任务。- Lambda表达式：
()->{}部分是Lambda表达式，它实现了Runnable接口的run方法。这个方法中包含了线程要执行的代码。Thread对象：使用Thread类创建一个新线程，并传入Runnable的实现（即Lambda表达式）。thread.start()：调用start()方法来启动线程。线程开始执行Lambda表达式中的run方法。
2.2线程的核心属性
线程有不同的生命周期状态，主要包括以下几种：
- NEW：线程被创建，但还未启动。
- RUNNABLE：线程正在执行或等待操作系统分配CPU时间片。就绪状态分为俩种：
- 随时可以到cpu上去工作。
- 在cpu上正在工作。
- BLOCKED：线程因为竞争资源（如同步锁）而被阻塞，无法执行。
- WAITING：线程正在等待另一个线程的通知。
- TIMED_WAITING：线程正在等待一个特定的时间段，直到超时或被唤醒。（例如线程的join方法会使线程进入此状态）
- TERMINATED：线程执行完毕，已终止。
附上别的大佬总结很详细的图片。
2.3线程安全
再将这个板块之前，先给大家一个案例来引入线程安全这个概念。我们当下有这么一个场景：
public class demo2 {
public static int count = 0;
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(()->{
for (int i = 0;i < 500;i++){
count++;
}
});
Thread t2 = new Thread(()->{
for (int i = 0;i < 500;i++){
count++;
}
});
t1.start();
t2.start();
System.out.println(count);
}
}我们可以看到，我们希望通过俩个线程来完成count自增到1000的操作，打没输出结果并不是我们想要的。
原因是线程刚启动，可能还没有分配到cpu上开始执行，count便被打印出来。
我们这样处理后：
public class demo2 {
public static int count = 0;
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(()->{
for (int i = 0;i < 500;i++){
count++;
}
});
Thread t2 = new Thread(()->{
for (int i = 0;i < 500;i++){
count++;
}
});
t1.start();
t2.start();
try {
t1.join();
t2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(count);
}
}发现可以出来希望的结果：
那如果我们只让一个线程加上join呢？会发现结果开始变得随机起来：
因此我们可以知道，上述有线程产生的“bug”即没有输出想要的结果，就被称为线程安全问题，相反，如果在多线程并发的情况下，输出理想结果就叫做“线程安全”。
2.3.1线程安全问题的原因
- 【根因】随即调度，抢占执行（上文例子就是如此）
- 多个线程同时修改一个变量
- 修改操作不是原子性的（意思是某些操作如count++是由多个线程组成完成的）
- 内存可见性（意思是某些变量的访问不一定直接访问到内存，而是有可能访问到寄存器当中）
- 不当锁的使用（下文细讲）
2.3.2加锁和互斥
如何处理这些线程安全问题呢，这里我们要引入加锁的概念与synchronized关键字。
加锁是一种同步机制，用于控制多个线程访问共享资源的顺序。
当一个线程获得了锁时，其它线程必须等待该线程释放锁后才能继续访问共享资源。加锁的特点：
- 串行化访问：
- 同一时刻只有一个线程可以访问被加锁的资源。
- 防止数据竞争：
- 确保共享资源的操作是原子性的（不会被其他线程中断）。
- 提升数据一致性：
- 确保共享资源不会因为多个线程同时操作而引发不一致问题。
加锁的过程：
- 加锁（Locking）： 一个线程试图获取资源的锁，若获取成功，进入临界区；若失败，则阻塞或等待。
- 解锁（Unlocking）： 线程释放锁，允许其他线程获取锁并继续执行
互斥（Mutual Exclusion，缩写为 Mutex）是加锁的目的之一，强调同一时刻只能有一个线程访问某个共享资源，达到线程之间的互斥访问。
如何实现加锁呢，继续拿上文来举例子：
public class demo2 { private int count = 0; // 同步实例方法 public synchronized void increment() { count++; } public int getCount() { return count; } public static void main(String[] args) { demo2 demo = new demo2(); Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 1000; i++) { demo.increment(); } }); Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 1000; i++) { demo.increment(); } }); t1.start(); t2.start(); try { t1.join(); t2.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("Final count: " + demo.getCount()); } }运行结果：
2.3.3可重入（如何自己实现可重入锁）
什么叫可重入呢，我们用一段代码来引入这个概念：
class Counter {
private int count = 0;
public void add() {
synchronized (this) {
count++;//第一次加锁
}
}
public int get() {
return count;
}
}
public class demo3 {
public static void main(String[] args) {
Counter counter = new Counter();
Thread t1 = new Thread(()->{
for(int i = 0;i < 100;i++){
synchronized (counter){
counter.add();//第二次加锁
}
}
});
t1.start();
try {
t1.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("count = " + counter.get());
}
}上面代码我们可以看到（如果没有可重入这个概念）：
- 第一次加锁操作，能够成功（锁没人使用）。
- 第二次进行加锁，此时意味着，锁对象已经是被占用的状态，第二次加锁就会出现阻塞等待。
要想解除阻塞，只能往下执行才可以，要想往下执行，就需要等到第一次锁被释放，这样就叫做出现了死锁。
为了解决上述问题，Java中的synchronized引入了可重入的概念：
可重入锁是一种允许同一线程多次获取同一把锁的同步机制，解决了嵌套调用或递归场景下线程自我阻塞的问题，是避免死锁的重要设计。
所以多个锁递归，只有最外层的锁涉及真正的加锁与解锁。
那我们如何自己实现一个可重入锁呢，抓住下面核心就有头绪了：
可重入锁的核心机制
锁计数器：
每个锁对象内部维护一个计数器，记录被同一线程获取的次数。
首次获取锁时计数器=1，每次重入加1，释放时减1，归零后其他线程可竞争锁。
持有线程标识：
锁对象记录当前持有锁的线程，确保仅持有线程可重入。
下面附上示例：
public class MyLock {
private Thread ownerThread; // 当前持有锁的线程
private int lockCount = 0; // 锁计数器
// 获取锁
public synchronized void lock() throws InterruptedException {
Thread currentThread = Thread.currentThread();
// 若锁已被其他线程持有，则当前线程等待
while (ownerThread != null && ownerThread != currentThread) {
wait();
}
// 锁未被持有或当前线程重入，更新计数器和持有线程
ownerThread = currentThread;
lockCount++;
}
// 释放锁
public synchronized void unlock() {
Thread currentThread = Thread.currentThread();
// 只有持有锁的线程可以释放锁
if (ownerThread != currentThread) {
throw new IllegalMonitorStateException("当前线程未持有锁！");
}
lockCount--;
// 锁计数器归零时完全释放锁
if (lockCount == 0) {
ownerThread = null;
notify(); // 唤醒一个等待线程
}
}
}2.4.4死锁（三种情况）
2.4.4.1第一种情况
一个线程，一个锁，被加锁多次。想必这个上文刚讲过，就不多言了，着重讲后文。
2.4.4.2第二种情况
两个线程，两个锁，互相尝试获得对方的锁。可能直接这样讲不是很好懂，附上代码与注释就可以了：
public class Demo20 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建两个锁对象，用于线程同步
Object locker1 = new Object();
Object locker2 = new Object();
// 创建线程 t1
Thread t1 = new Thread(() -> {
// 获取 locker1 的锁
synchronized (locker1) {
try {
// 线程休眠 1 秒，模拟耗时操作
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
// 如果线程被中断，抛出异常
throw new RuntimeException(e);
}
// 尝试获取 locker2 的锁
synchronized (locker2) {
// 如果成功获取到 locker2 的锁，打印消息
System.out.println("t1 线程两个锁都获取到");
}
}
});
// 创建线程 t2
Thread t2 = new Thread(() -> {
// 获取 locker1 的锁
synchronized (locker1) {
try {
// 线程休眠 1 秒，模拟耗时操作
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
// 如果线程被中断，抛出异常
throw new RuntimeException(e);
}
// 尝试获取 locker2 的锁
synchronized (locker2) {
// 如果成功获取到 locker2 的锁，打印消息
System.out.println("t2 线程两个锁都获取到");
}
}
});
// 启动线程 t1 和 t2
t1.start();
t2.start();
// 主线程等待 t1 和 t2 执行完毕
t1.join();
t2.join();
}
}
线程 t1：
先获取
locker1的锁，然后休眠 1 秒。接着尝试获取
locker2的锁。线程 t2：
同样先获取
locker1的锁，然后休眠 1 秒。接着尝试获取
locker2的锁。问题：此时死锁就出现了
t1持有locker1并等待locker2。
t2持有locker1并等待locker2。两个线程互相等待对方释放锁，导致程序无法继续执行。
2.4.4.3第三种情况
死锁的第三种情况，即n个线程和m把锁，这里就要引入一个很著名的问题，哲学家就餐问题：
哲学家就餐问题（Dining Philosophers Problem） 是计算机科学中经典的同步与死锁问题，由 Edsger Dijkstra 提出，用于演示多线程环境中的资源竞争和死锁风险。
1. 问题描述
场景：5 位哲学家围坐在圆桌旁，每人面前有一碗饭，相邻两人之间放一支筷子（共 5 支筷子）。
行为：
哲学家交替进行 思考 和 就餐。
就餐时需要 同时拿起左右两边的筷子。
完成就餐后放下筷子，继续思考。
核心问题：如何设计算法，使得所有哲学家都能公平、高效地就餐，且避免死锁。
2. 死锁的产生
如果所有哲学家 同时拿起左边的筷子，会发生以下情况：
每个哲学家都持有左边的筷子，等待右边的筷子。
右边的筷子被其他哲学家持有，形成 循环等待。
所有哲学家无法继续，导致 死锁。
3. 解决思路
核心思想：为所有资源（筷子）定义一个全局顺序，要求哲学家必须按固定顺序获取资源。
实现方式：
将筷子编号为 0 到 4。
每位哲学家必须先拿编号较小的筷子，再拿编号较大的筷子。
效果：
破坏循环等待条件（不可能所有人同时等待右侧筷子）。
保证至少一位哲学家可以拿到两只筷子。
2.4.5避免死锁
上述讲完了死锁出现的场景，这里可以总结死锁出现的四个必要条件：
- 锁是互斥的。（一个线程拿到锁之后,另一个线程再尝试获取锁,必须要阻塞等待）
- 锁是不可抢占的。（即线程1拿到锁, 线程2也尝试获取这个锁,线程2 必须阻塞等待2而不是线程2直接把锁抢过来）
- 请求和保持。（一个线程拿到锁1之后,不释放锁1 的前提下,获取锁2）
- 循环等待。（多个线程, 多把锁之间的等待过程,构成了"循环"，即A 等待 B, B 也等待 A 或者 A 等待 B,B 等待 C,C等待 A）
既然我们知道死锁是如何产生的，那么解决死锁的思路就有啦：
- 打破3条件，可以把嵌套的锁改成并列的锁。
- 打破4条件，加锁的顺序进行约定。
3.小结
今天的分享到这里就结束了，喜欢的小伙伴不要忘记点点赞点个关注，你的鼓励就是对我最大的支持，加油！