1. 线程与进程

为了实现多个任务并发执行的效果，人们引进了进程。

何谓进程？

我们电脑上跑起来的每个程序都是进程。

每一个进程启动，系统会为其分配内存空间以及在文件描述符表上有所记录等。进程是操作系统进行资源分配的最小单位，这意味着各个进程互相之间是无法感受到对方存 在的，这就是操作系统抽象出进程这一概念的初衷，这样便使得进程之间互相具备”隔离性 （Isolation）“。

然而，进程存在很大的问题，那就是频繁的创建或销毁进程，时间成本与空间成本都会比较高。于是，人们又引进了更加轻量级的线程。

进程包含线程：一个进程里可以有一个线程，或是多个线程，这些线程共用同一份资源。每个线程都是一个独立的执行流，多个线程之间也是并发的。当然了，多个线程可以是在多个CPU核心上并发运行，也可以在同一个CPU核心上，通过快速的交替调度，"看起来"是同时运行的。

基于此，创建线程比创建进程快，销毁线程比销毁进程快以及调用线程比调用进程快。

虽然线程比进程更加轻量级，但不是说多线程就能完全替代多线程，相反，多线程与多进程在电脑中是同时存在的。

系统中自带的任务管理器看不到线程，只能看到进程级别的，需要使用其他第三方工具才能看到 线程，比如winDbg。

2. 线程的创建

class MyThread extends Thread {@Overridepublic void run() {while (true) {System.out.println("hello t");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}public class ThreadDemo1 {public static void main(String[] args) {Thread t = new MyThread();// start 会创建新的线程t.start();// run 不会创建新的线程. run 是在 main 线程中执行的~~// t.run();while (true) {System.out.println("hello main");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}

输出：

hello main

hello t

hello t

hello main

hello main

hello t

hello main

.......

3. 启动一个线程

之前我们已经看到了如何通过覆写 run 方法创建一个线程对象，但线程对象被创建出来并不意味着线程 就开始运行了。还需要调用start方法,而这才真的在操作系统的底层创建出一个线程。

所以真正启动一个线程之前有三步：
1. main方法是主线程，在主线程中创建线程对象。
2. 覆写run方法，覆写 run 方法是提供给线程要做的事情的指令清单。
3. 调用start方法，线程开始独立执行。系统会在这里调用run方法，而不是靠程序员去调用！

为了加深同学们的理解，我对上述情况做了个类比：张三是项目的负责人（主线程），但要干的活太多了，他一个人忙不过来，所以他又叫了王五过来帮忙（创建线程对象），并给他讲解具体要做什么事情（覆写run方法），最后随着张三一声令下“大家开干吧！”，所有人都开始干活了（调用start方法）。

4. 中断一个线程

王五一旦进到工作状态，他就会按照老板的指示去进行工作，不完成是不会结束的。但有时我们 需要增加一些机制，例如老板突然来电话了，说转账的对方是个骗子，需要赶紧停止转账，那张三该如 何通知王五停止呢？这就涉及到线程中断的方式了。

中断一个线程，就是让一个线程停下来，或是说，让线程终止。对程序来说，那就是让run方法执行完毕。

目前常见的有以下两种方式：
1. 给线程设定一个结束标志位
2. 调用 interrupt() 方法来通知

4.1 使用自定义的变量来作为标志位

public class ThreadDemo1 {public static boolean isQuit = false;public static void main(String[] args) {Thread t = new Thread(() -> {while(!isQuit){//currentThread 是获取到当前线程实例.//此处的线程实例是 tSystem.out.println(Thread.currentThread().getName() + "给某客户转账中");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "立马停止转账，并长吁一口气，\"好险好险\"");},"王五");t.start();try {Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}//此处的线程实例是 main System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 说 \"坏了，遇到骗子了，叫王五停止转转！\"");isQuit = true;}
}

这里问一个问题，我们可不可以把isQuit变量写到main函数里面？答案是不可以的。因为lambda表达式访问外面的局部变量时，使用的是变量捕获，其语法规定，捕获的变量必须是final修饰的，或者是一个"实际final"，即该变量并没有用final修饰，但在实际过程中，变量没有修改。而我们看到，为了让run方法终止，isQuit的确修改了，那么这就会报错！

4.2 使用 Thread.interrupted() 或者 Thread.currentThread().isInterrupted() 代替自定义标志位

Thread类中，内置了一个标志位，通过调用interrupt方法实现：

Thread 内部还包含了一个 boolean 类型的变量作为线程是否被中断的标记。

在这里，同学们不免有个疑问，interrupted调用后清除标志位，与isInterrupted调用后不清除标志位有什么区别呢？下面给出两个对比例子：

 public class ThreadDemo2 {public static void main(String[] args) {Thread t = new Thread(()->{for(int i = 0; i < 3; i++){System.out.println(Thread.interrupted());}});t.start();//把 t 内部的标志位给设置成 truet.interrupt();}
}

输出：

true

false

false

除了第一个是true之外，其余的都是false，因为标志位被清除了。

public class ThreadDemo3 {public static void main(String[] args) {Thread t = new Thread(()->{for(int i = 0; i < 3; i++){System.out.println(Thread.currentThread().isInterrupted());}});t.start();t.interrupt();}
}

输出：

true

true

true

全是true，因为标志位没有被清除！

但是！！如果interrupt与isInterrupted遇到了像sleep这样的会让线程阻塞的方法，会发生什么??

public class ThreadDemo3 {public static void main(String[] args) {Thread t = new Thread(() -> {while(!Thread.currentThread().isInterrupted()){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"给某位客人转账中...");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"停止交易！");},"王五");t.start();try {Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"说:\"通知王五，对方是骗子\"");t.interrupt();}
}

按照前面的讲解，同学们一定会很自然的觉得，肯定能打印"停止交易"这句话，但实际运行结果，大部分情况是下面这样子的：

要知道多线程的代码执行顺序，并不是以往熟知的从上到下，而是并发的。上述代码中，自t.start()之后，便兵分两路，线程与主线程交替执行。当执行到t.interrupt()时，设置标志位为true。这里又会遇到两种情况，一是此时的线程t刚好来到while的判断语句，因为是取反，此时为false，跳出循环，打印"王五停止交易"，线程t结束，并且由于主线程后面没有代码，主线程也结束。

但发生这种情况的概率十分低，因为执行sleep占据了大部分时间，所以大部分的情况是线程t已经进入到while当中了。那么sleep执行过程中，遇到标志位为true，它又会干两件事：一是立刻抛出异常。二是自动把isInterrupted的标志位给清空（true->flase）——这就导致while死循环了。当然了，如果执行sleep时，标志位为flase，它就继续执行，什么也不会做。

上述的情况是执行t.interrupt()之后，t线程大部分情况下，依旧在跑。下面再看其他的情况：

执行t.interrupt()之后，t线程立马结束：

public class ThreadDemo3 {public static void main(String[] args) {Thread t = new Thread(() -> {while(!Thread.currentThread().isInterrupted()){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"给某位客人转账中...");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();break;}}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"停止交易！");},"王五");t.start();try {Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"说:\"通知王五，对方是骗子\"");t.interrupt();}
}

执行t.interrupt()之后，t线程等一会再结束：

public class ThreadDemo3 {public static void main(String[] args) {Thread t = new Thread(() -> {while(!Thread.currentThread().isInterrupted()){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"给某位客人转账中...");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();try {Thread.sleep(10000);} catch (InterruptedException ex) {ex.printStackTrace();}break;}}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"停止交易！");},"王五");t.start();try {Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"说:\"通知王五，对方是骗子\"");t.interrupt();}
}

到这里，同学们应该可以发现，t.interrupt()更像是个通知，而不是个命令。interrupt的效果，不是让t线程马上结束，而是给它结束的通知，至于是否结束、立即结束还是等会结束，都有赖于代码是如何写的。

5. 等待一个线程

线程之间是并发的，操作系统对于线程的调度，是随机的，因此无法判断两个线程谁先结束，谁后结束。

有时，我们需要等待一个线程结束之后，再启动另一个线程，那么这时，我们就需要一个方法明确等待线程的结束——join()。

public class ThreadDemo4 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException{Thread t = new Thread(() ->{for(int i = 0; i < 6; i++){System.out.println("hello t");}});t.start();t.join();System.out.println("hello main!!");}
}

上述过程可以描述为：执行t.join()的时候，线程t还没有完成，main只能等t结束了才能往下执行，此时main发生阻塞，不再参与cpu的调度，此时只有线程t在运行。

而如果是下面这种情况呢？

public class ThreadDemo4 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException{Thread t = new Thread(() ->{for(int i = 0; i < 6; i++){System.out.println("hello t");}});t.start();Thread.sleep(3000);t.join();System.out.println("hello main!!");}
}

上述代码中，在t.start() 和 t.join() 之间加了个sleep，这就意味着执行 t.join() 时，线程t已经结束了，那么此时main线程无需再多花时间等待，直接就可以往下执行！！

那如果线程t完成的时间很长，难道只能一直“死等”下去吗？

其实不是，join还有另外的重载方法，是有参数的，可以指定最大等待时间，如果超过了，main线程就不等了，直接往下执行。

public class ThreadDemo4 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException{Thread t = new Thread(() ->{for(int i = 0; i < 1000; i++){System.out.println("hello t");}});t.start();t.join(1);//等待t线程执行1毫秒System.out.println("hello main!!");System.out.println("hello main!!");System.out.println("hello main!!");}
}

输出：

......

......

......

hello t

hello t

hello t

hello t

hello main!!

hello main!!

hello main!!

hello t

hello t

hello t

hello t

......

......

......

6. 线程的状态

public class ThreadDemo5 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException{Thread t = new Thread(() -> {while(true){try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}});System.out.println(t.getState());t.start();System.out.println(t.getState());}
}

输出：

NEW

RUNNABLE

public class ThreadDemo5 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException{Thread t = new Thread(() -> {try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});t.start();Thread.sleep(2000);System.out.println(t.getState());}
}

输出：

TERMINATED

系统中，线程已经执行完毕，但t还在。

了解线程的状态，有利于后序对多线程代码进行调试。

7. 线程的安全

导致线程不安全的原因有以下几点：

1. 线程的调度是抢占式执行的

2. 多个线程修改同一个变量，对比另外三种线程安全的情况：一个线程修改同一个变量；多个线程分别修改不同的变量；多个线程读取同一个变量。

3. 修改操作不是原子性的，即某个操作对应单个cpu指令的，就是原子性。

4. 内存的可见性引起的线程不安全

5. 指令重排序引起的线程不安全

7.1 修改操作不是原子性的导致线程的不安全

由于线程之间的调度顺序是不确定的，某些代码在多线程环境下运行，可能会出现bug。比如下面这段代码，两个线程针对同一个变量自增5w次。

class Counter{private int count = 0;public void add(){count++;}public int get(){return count;}
}public class ThreadDemo1 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException{Counter counter = new Counter();Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {counter.add();}});Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {counter.add();}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(counter.get());}
}

同学们猜一猜，输出结果是什么?大家肯定都是一拍脑门，脱口而出一个答案，那就是100000！

但实际情况是，每次输出都是一个不一样的数字：86186、75384、100000、99839......

这里其实就是发生了线程不安全问题。

count++操作，由三个cpu指令构成：

load：把内存中的数据读取到cpu中的寄存器中；

add：把寄存器中的值进行+1计算；

save：把寄存器中的值写会内存中。

由于多线程的调度顺序是不确定的，实际执行过程中，两个线程的+1操作的实际指令顺序就有多种可能！！下面画图示意：

实际情况是各种可能都会出现，比如会出现一个线程多次执行、一个线程count++的操作只执行了部分，又执行另一个线程，就是因为顺序执行与交错执行随机出现，导致最后自增次数不一定是100000。

在这里可以发现，t1和t2对count分别自增一次，但由于调度的无序性，使得自增的操作交叉了，最后内存上的count为2，也就是本应自增两次的，变成了一次。

甚至还可能出现t1 load了之后，t2执行多次，最后t1再add跟save，那么t2自增那么多次的结果就会让t1自增一次的结果给覆盖！

这就是修改操作非原子性导致的线程不安全问题。那我们应该如何解决这样的问题呢？

答案就是加锁，通过加锁的方式，让count++这一操作变成原子性的。

如果两个线程针对同一个对象进行加锁，就会出现"锁竞争"，一个线程抢占式执行抢到了锁之后，另一个线程如果也执行到同一个地方，它不能立马加锁，得阻塞等待那个抢到锁的线程放锁之后，才能成功加锁。如果两个线程针对不同对象进行加锁，就不会出现"锁竞争"，各自获取各自的锁即可。

下面介绍加锁的方式：

一. 直接在定义方法时使用 synchronized 关键字，相当于以this为锁对象

class Counter{private static int count = 0;synchronized public void add(){count++;}public int get(){return count;}
}

class Counter{private static int count = 0;public void add(){synchronized (this){count++;}}public int get(){return count;}
}

锁有两个核心操作，加锁和解锁。上面的代码块表示，进入synchronized修饰的代码块时，会加锁，而出了synchronized代码块时，会解锁。this是针对具体哪个对象加锁。

二. synchronized修饰静态方法，相当于给类对象加锁

class Counter{private static int count = 0;synchronized public static void add(){count++;}public static int get(){return count;}
}
public class ThreadDemo1 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException{Thread t1 = new Thread(() ->{for (int i = 0; i < 50000; i++) {Counter.add();}});Thread t2 = new Thread(() ->{for (int i = 0; i < 50000; i++) {Counter.add();}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(Counter.get());}
}

等同于以下方式：

class Counter{private static int count = 0;public static void add(){synchronized (Counter.class){count++;}}public static int get(){return count;}
}

三. 更常见的是手动指定一个锁对象

class Counter{private static int count = 0;private Object locker = new Object();public void add(){synchronized (locker){count++;}}public int get(){return count;}
}

此时就能保证，t2的load是在t1的save之后的。这样一来，计算结果就能保证是线程安全的了。加锁，本质上就是让并发的变成串行的。

这里又有同学要问了，那加锁跟join有什么区别吗？

还是有很大区别的。join是让两个线程完整的串行，而加锁，只是让两个线程的某个一小部分串行，而其他依旧是并发的。这样就能在保证线程安全的情况下，让代码跑的更快一些，更好的利用多核cpu。

总而言之，加锁可能导致阻塞，这对程序的效率势必会造成影响。加了锁的，肯定比不加锁的慢，但又比join的完整串行要快，更重要的是，加了锁的一定比不加锁的算出来的结果更准确！

7.2 内存的可见性引起的线程不安全

可见性: 一个线程对共享变量值的修改，能够及时地被其他线程看到.

为了引出这一情况，我们先来看以下的代码：

import java.util.*;
public class ThreadDemo2 {public static int flag = 0;public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {while(flag == 0){}System.out.println("t1 循环结束");});Thread t2 = new Thread(() -> {Scanner sc = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入一个整数：");flag = sc.nextInt();});t1.start();t2.start();}
}

对于上述代码，预期情况如下：t1通过flag==0作为条件进入循环，t2通过控制台输入一个整数，只要这个整数非0，t1的循环就会结束，此时t1的线程也就结束。

但是当我们去运行这段代码时，发现输入非0整数之后，t1线程并没有结束！！打开jconsole发现t1线程还在运行！

为什么会有这样的问题呢！！且看以下分析：

while的条件语句，flag==0，此处可拆分成两道cpu指令：

load：从内存中读取数据到cpu寄存器

cmp：比较寄存器的值是否为0

已知，读取内存数据的速度比读取硬盘数据要快，然而读取寄存器上的数据又比读取内存上的数据要快，即：。因此load的时间开销就远远的高于cmp。

如果编译器需要快速的load，并且每次load的结果都一样，这对编译器来说是个负担。于是编译器就做了一个非常大胆的操作，把load给优化掉了，也就是说只有第一次执行load才真正的从内存读取了flag = 0，后续循环都只cmp，而不再执行load，相当于复用首次放于寄存器中的flag值。

编译器优化：就是能够智能的调整程序员的代码执行逻辑，保证程序结果不变的前提下，通过加减语句或是语句变换等一系列操作，让整个程序执行的效率大大提升！

在单线程环境下，编译器对于优化之后，程序结果不变的判断是非常准确的！但是多线程环境就不一定了！会出现调整之后，效率提高了，但是结果变了。

当预期结果跟实际结果不符时，就是出现bug了。

所以到这里，就可以解释清楚什么是内存可见性出现问题，也就是在多线程环境下，编译器对于代码优化产生了误判，从而引起bug。

那么该如何解决这个问题呢？只要让编译器停止对这个场景优化即可——使用volat关键字！

被volatile修饰的变量，编译器会禁止上述优化，能保证每次都是从内存中重新读取数据。

使用volatile修饰flag：

    volatile public static int flag = 0;

当我们把上述代码修改成以下代码时，t1线程也能结束

public class ThreadDemo2 {public static int flag = 0;public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {while(flag == 0){try {Thread.sleep(10);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("t1 循环结束啦啦啦");});Thread t2 = new Thread(() -> {Scanner sc = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入一个整数：");flag = sc.nextInt();});t1.start();t2.start();}
}

加了sleep，循环执行速度就慢下来了，此时load操作就不再是负担了，编译器就没必要优化了。

7.3 指令重排序引起的线程不安全

volatile还有另外的一个作用——禁止指令重排序。

指令重排序：也是编译器优化的策略，在保证整体逻辑不变的情况下，其调整了代码的执行顺序，让程序更高效。

写一个伪代码:

class Student{
......
}
public class Test{
Student s = null;
t1:
s = new Student();
t2:
if(s != null){
s.learn();
}
}

new 一个Student的对象，大体可以分为三步操作：1. 申请内存空间 2. 调用构造方法（初始化内存数据）3. 把对象的引用赋值给s（内存地址的赋值）

上述代码就可能会因为指令重排序出现问题：

假设t1按照 1 3 2 的顺序执行。如果t1执行完1 3 之后，t2就开始执行了，此时s这个引用就非空了，当t2调用s.learn()时，由于s指向的内存还未初始化，很有可能这里就会产生bug！！

因此解决方法要么是加锁，要么就使用volatile修饰！

8. wait 和 notify

实际开发中，有时我们会希望合理协调多个线程之间的执行先后顺序。

wait会做的事：

释放当前锁

让当前执行代码的线程阻塞等待

满足一定条件被唤醒时，重新尝试获取锁

由此可知，wait要搭配synchronized来使用，否则没有锁，后面又如何释放锁？单独使用wait，编译器会直接抛出异常！

notify会做的事：

只有一个单线程处于wait状态下，notify会将其唤醒，并使其重新获取该对象的对象锁

如果有多个线程等待，cpu调度会随机选一个处于wait状态下的线程唤醒

notify也是与synchronized搭配使用，调用notify方法后，当前线程并不会立马释放锁，要等到执行notify方法的线程全部执行完了之后，才会释放对象锁！

另外，wait和notify都是Object的方法，只要是个类对象，不是基本数据类型，都可以调用wait和notify。

public class ThreadDemo1 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException{Object locker = new Object();Thread t1 = new Thread(() -> {try {System.out.println("wait 开始");synchronized (locker) {locker.wait();System.out.println("wait 再次加锁了~~~~~");}System.out.println("wait 结束");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});t1.start();Thread.sleep(1000);Thread t2 = new Thread(() -> {synchronized (locker){System.out.println("notify 开始");locker.notify();System.out.println("notify 结束");}});t2.start();}
}

输出：

wait 开始

notify 开始

notify 结束

wait 再次加锁了~~~~~

wait 结束

与notify有一样唤醒功能的，还有一个notifyAll。使用notifyAll方法，可以一次唤醒所有等待线程。此时所有被唤醒的线程又要开始新一轮的竞争锁！

9. 多线程案例

9.1 单例模式

啥是设计模式?
设计模式好比象棋中的 "棋谱"。软件开发中也有很多常见的 "问题场景". 针对这些问题场景, 大佬们总结出了一些固定的套路。按照 这个套路来实现代码, 也不会吃亏。

单例模式是校招中最常考的设计模式之一。单例模式能保证某个类在程序中只存在唯一一份实例, 而不会创建出多个实例。单例模式具体的实现方式, 分成 "饿汉" 和 "懒汉" 两种。

对于这两种模式，举一个这样的例子，打开硬盘上的文件，读取文件内容并显示出来。

饿汉：把文件所有内容都读到内存中，并显示

懒汉：只读取把当前屏幕填充满的一小部分文件。如果用户要翻页，那就再读取剩下内容，如果用户不继续看，直接就省下了。

试想一下，如果这个文件非常的大，100g。饿汉模式的打开文件就要费半天，但懒汉却一下子就打开了。

下面给出单线程环境下，java实现单例模式的代码：

//饿汉模式——单线程
class Singleton{//唯一的一个实例private static Singleton instance = new Singleton();//获取实例的方法public static Singleton getInstance(){return instance;}//禁止外部 new 实例private Singleton(){}
}
public class ThreadDemo2 {public static void main(String[] args) {Singleton s1 = Singleton.getInstance();Singleton s2= Singleton.getInstance();System.out.println(s1 == s2);}
}

在类内部把实例创建好，同时禁止外部创建实例，这样就可以保证单例的特性了。上述s1和s2指向同一个对象。

而懒汉模式实现单例，其核心思想是非必要不创建，那么就能先写出以下代码：

//懒汉模式————实现单例模式
//单线程环境：
class SingletonLazy{private static SingletonLazy instance = null;public static SingletonLazy getInstance(){if(instance == null){instance = new SingletonLazy();}return instance;}private SingletonLazy(){}
}

这里提出一个问题：上述两个代码是否线程安全？？在多线程环境下调用getInstance是否会出问题？？

对于饿汉模式，线程是安全的，因为程序是指单纯的 读 操作，没有修改。但是对于懒汉模式，多线程下，根本无法保证创建对象的唯一性！！如果对象管理的内存数据太大了，比如100g，n个线程，那就得加载100 * n G到内存中，那影响可就大了。

怎么解决这个问题呢？根据前面所学，答案就是加锁了！

//懒汉模式————实现单例模式
//多线程环境：
class SingletonLazy{private static SingletonLazy instance = null;public static SingletonLazy getInstance(){synchronized (SingletonLazy.class){if(instance == null){instance = new SingletonLazy();}}return instance;}private SingletonLazy(){}
}

把锁加在能使 判定 与new一个对象是原子性的。

但如此一来，每一个调用getInstance的线程都得锁竞争，这样会让程序效率变得极为低下。

其实前面所说的线程不安全，只出现在首次创建对象时。一旦对象创建好了，后续调用getInstance就只是单纯的 读 操作！也就没有线程安全问题了，就没必要再加锁了！所以最好在进入锁之前，再来一次判断！

//懒汉模式————实现单例模式
//多线程环境：
class SingletonLazy{private static SingletonLazy instance = null;public static SingletonLazy getInstance(){// 这个条件, 判定是否要加锁. 如果对象已经有了, 就不必加锁了, 此时本身就是线程安全的.if(instance == null){synchronized (SingletonLazy.class){if(instance == null){instance = new SingletonLazy();}}}return instance;}private SingletonLazy(){}
}

懒汉模式的代码修改到这，就完美无暇了吗？

NoNoNo!

上述代码还可能会发生一个极端的小概率情况——指令重排序！！

要知道new一个对象，其实是三步cpu指令：

1. 申请内存空间

2. 调用构造方法，初始化变量

3. 引用指向内存地址

如果两个线程同时调用getInstance方法，t1线程发生指令重排序，执行了1和3之后，系统调度给了t2，来到判定条件，发现instance非空，此时条件不成立，直接返回实例的引用。如果t2继续调用，而instance所指向的内存空间并未初始化，那就会产生其他问题了！

所以，为了保险起见，杜绝指令重排序的情况发生，最好给instance加上volatile！

volatile private static SingletonLazy instance = null;

9.2 阻塞队列

阻塞队列是一种特殊的队列，也遵循“先进先出”的原则。

阻塞队列也是一种线程安全的数据结构，具有以下特性：

当队列为满的时候，继续入队列的操作就会阻塞等待，直到其他线程从队列中取走元素；

当队列为空时，继续出队列的操作也会阻塞等到，直到其他线程往队列里插入元素。

阻塞队列非常有用，尤其是在写多线程代码（多个线程之间进行数据交互）的时候，就可以使用阻塞队列来简化代码的编写！

阻塞队列的一个典型应用场景就是“生产者消费者模型”。这是一种非常典型的开发模型。

9.2.1 介绍生产者消费者模型

在介绍生产者消费者模型之前，先了解以下两个概念：

耦合：描述两个模块之间的关联性，关联性越强，耦合越高；关联性越差，耦合越低。

写代码追求低耦合，避免代码牵一发而动全身！

内聚：高内聚指的是，将代码分门别类，相关联的放在一起，想找就会特别容易。

生产者消费者模型可以解决很多问题，但最主要的是以下两方面：

1. 可以让上下游模块更好的“解耦合”——高内聚，低耦合。

考虑以下场景：

服务器A向服务器B发出请求，服务器B给A响应的过程中，如果B挂了，此时会直接影响A，A也就会跟着挂，这就是高耦合。

如果引入生产者消费者模型，耦合就降低了。

阻塞队列与业务无关，代码不大会变化，更加稳定；而AB是业务服务器，与业务相关，需要随时修改以便支持新的功能，也因此更容易出问题。如果A与B利用中间的阻塞队列来进行通信，那么当B出问题时，A完全不受影响。

2. 削峰填谷

如果服务器A和服务器B是直接通信的，那么当A收到了用户的请求峰值，B也会同样收到来自A的请求峰值。要知道服务器处理每个请求都需要消耗硬盘资源，包括但不限于(CPU、内存、硬盘、带宽......)。如果某个硬盘资源使用达到了上限的同时，服务器B的设计并没有考虑到峰值的处理，此时服务器B可能就挂了！这就给业务的稳定性带来了极大的风险。

但如果A与B之间通过阻塞队列来进行通信，那么当A收到的请求多了时，阻塞队列里的元素也跟着多起来，此时B却可以按照平时的速率来接收请求，并返回响应。这里就可以看出阻塞队列帮服务器B承担了压力。

9.2.2 代码实现1：模拟实现一个阻塞队列

//循环队列！
public class MyBlockingQueue {private int[] nums = new int[100];volatile private int head = 0;volatile private int tail = 0;volatile private int size = 0;//入队列synchronized public void put(int elem) throws InterruptedException{//如果队列满了，阻塞等待if(size == nums.length){this.wait();}//如果队列未满，则可以继续添加nums[tail] = elem;tail++;//检查一下元素添加的位置是否未数组的最后一个if(tail == nums.length){tail = 0;}size++;//如果别的线程要取元素，发现数组为空，wait阻塞等待了，以下代码唤醒！//如果并没有别的线程阻塞等待，那么以下代码也没有任何副作用！this.notify();}//出队列synchronized public int take() throws InterruptedException{//如果队列为空，则阻塞等待if(size == 0){this.wait();}//如果队列不为空，那么就可以放心取元素了int value = nums[head];head++;//检查head是否已经来到数组的最后一个下标+1if(head == nums.length){head = 0;}size--;this.notify();return value;}
}

上述代码的notify是交叉唤醒wait的！！

需要注意的是，除了notify()能唤醒wait()之外，如果其他线程中，调用了interrupt方法，就会提前唤醒wait！此时代码就会继续往下走，那对于空队列来说，再取元素，size就成了-1了！这就造成很大的问题了。所以最好wait被唤醒的时候，再判断一次是否满足条件，即将if改成while就好了！

//循环队列！
public class MyBlockingQueue {private int[] nums = new int[100];volatile private int head = 0;volatile private int tail = 0;volatile private int size = 0;//入队列synchronized public void put(int elem) throws InterruptedException{//如果队列满了，阻塞等待while(size == nums.length){this.wait();}//如果队列未满，则可以继续添加nums[tail] = elem;tail++;//检查一下元素添加的位置是否未数组的最后一个if(tail == nums.length){tail = 0;}size++;//如果别的线程要取元素，发现数组为空，wait阻塞等待了，以下代码唤醒！//如果并没有别的线程阻塞等待，那么以下代码也没有任何副作用！this.notify();}//出队列synchronized public int take() throws InterruptedException{//如果队列为空，则阻塞等待while(size == 0){this.wait();}//如果队列不为空，那么就可以放心取元素了int value = nums[head];head++;//检查head是否已经来到数组的最后一个下标+1if(head == nums.length){head = 0;}size--;this.notify();return value;}
}

9.2.3 代码实现2：模拟实现生产者消费者模型

public class ThreadDemo2 {public static void main(String[] args) {MyBlockingQueue queue = new MyBlockingQueue();//消费者Thread t1 = new Thread(() -> {while(true){try {int value = queue.take();System.out.println("消费者: " + value);Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}});//生产者：Thread t2 = new Thread(() -> {int value = 0;while(true){try {System.out.println("生产："+ value);queue.put(value);Thread.sleep(2000);value++;} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}});t1.start();t2.start();}
}

上述代码中，生产者的生产速度远比消费者消费速度要慢，生产限制消费：

输出：

生产：0

消费者: 0

生产：1

消费者: 1

生产：2

消费者: 2

生产：3

消费者: 3

生产：4

消费者: 4

.......

如果生产速度远高于消费速度，又会怎么样呢？

输出：

生产：0

消费者: 0

生产：1

生产：2

......

生产：31

消费者: 1

生产：32

......

生产：63

消费者: 2

生产：64

......

生产：95

消费者: 3

生产：96

......

生产：104

消费者: 4

生产：105

消费者: 5

生产：106

消费者: 6

.......

到后面生产满了，就得等消费1个才能生产1个了。

9.3 定时器

定时器是实际开发中一个非常常用的组件,类似于一个 "闹钟",达到一个设定的时间之后, 就执行某个指定 好的代码。比如网络通信中, 如果对方 500ms 内没有返回数据, 则断开连接尝试重连。再比如一个 Map, 希望里面的某个 key 在 3s 之后过期(自动删除)。

9.3.1 标准库中的定时器

标准库中提供了一个 Timer 类，Timer 类的核心方法为 schedule。 schedule 包含两个参数，第一个参数指定即将要执行的任务代码, 第二个参数指定多长时间之后 执行 (单位为毫秒)。

import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;public class ThreadDemo1 {public static void main(String[] args) {Timer timer = new Timer();timer.schedule(new TimerTask() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello hello hello hello♥");}},4000);timer.schedule(new TimerTask() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello hello hello♥");}},3000);timer.schedule(new TimerTask() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello hello♥");}},2000);timer.schedule(new TimerTask() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello♥");}},1000);System.out.println("♥");}
}

输出：

♥

hello♥

hello hello♥

hello hello hello♥

hello hello hello hello♥

此时的程序并没有执行完毕。那是因为Timer内置了线程，而且是个前台线程，会阻止进程结束！

9.3.2 模拟实现一个定时器

同学们，要想对定时器有更加深刻的了解，我们最好模拟实现一下定时器。

由上一节的代码可以看出，定时器内部不仅仅管理一个任务，还可以管理多个任务，虽然任务有很多，但它们的触发时间是不同的。只需要一个/一组工作线程，每次找到这些任务中，最先到达时间的任务，执行完之后再去执行下一个到达时间的任务，也可以是阻塞等待下一个到达时间的任务。这也就意味着，定时器的核心数据结构是堆！！

如果希望在多线程环境下，优先级队列还能线程安全，Java集合框架中提供了PriorityBlockingQueue，即带优先级的阻塞队列。

import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;class MyTask implements Comparable<MyTask>{public Runnable runnable;public long time;//构造方法//delay 单位 毫秒public MyTask(Runnable runnable, long delay){this.runnable = runnable;time = System.currentTimeMillis() + delay;}@Override//优先级队列存放MyTask的对象，是需要比较方法的public int compareTo(MyTask o) {return (int)(this.time - o.time);}
}class MyTimer {private PriorityBlockingQueue<MyTask> queue = new PriorityBlockingQueue<>();private Object locker = new Object();public void schedule(Runnable runnable, long delay){MyTask myTask = new MyTask(runnable,delay);queue.put(myTask);//如果新创建的任务等待时间比之前的任何一个任务都要短，那么这里唤醒wait，线程继续往下走的时候//取的就是这个新加入的任务了！、synchronized (locker){locker.notify();}}// 在这里构造线程, 负责执行具体任务了.public MyTimer(){Thread t1 = new Thread(() -> {while(true){try {synchronized (locker){MyTask myTask = queue.take();long currentTime = System.currentTimeMillis();if(myTask.time <= currentTime){myTask.runnable.run();}else{//时间还没到，把拿出来的任务再塞回去！queue.put(myTask);//由于这是个循环，再塞回去之后，下一个循环又再取出来，但时间依旧还有好久才到//这会让cpu在等待的时间里，反复取任务，又反复塞回去，忙等！！//所以我们最好让线程在这个时间里不再参与cpu调度locker.wait(myTask.time - currentTime);}}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}});t1.start();}
}public class ThreadDemo2 {public static void main(String[] args) {MyTimer myTimer = new MyTimer();myTimer.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("♥♥♥♥♥");}},4000);myTimer.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("♥♥♥♥");}},3000);myTimer.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("♥♥♥");}},2000);myTimer.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("♥♥");}},1000);System.out.println("♥");}}

输出：

♥

♥♥

♥♥♥

♥♥♥♥

♥♥♥♥♥

这小节的最后，提出这样一个问题:加锁的位置改成这样，会出现什么问题呢？

......public MyTimer(){Thread t1 = new Thread(() -> {while(true){try {MyTask myTask = queue.take();long currentTime = System.currentTimeMillis();if(myTask.time <= currentTime){myTask.runnable.run();}else{//时间还没到，把拿出来的任务再塞回去！queue.put(myTask);//由于这是个循环，再塞回去之后，下一个循环又再取出来，但时间依旧还有好久才到//这会让cpu在等待的时间里，反复取任务，又反复塞回去，忙等！！//所以我们最好让线程在这个时间里不再参与cpu调度synchronized (locker){locker.wait(myTask.time - currentTime);}}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}});t1.start();}
}
......

每一次take拿的的任务一定是所有任务中，到达时间最短的。如果把锁加到上述位置，就让take与wait不是原子性的。假设take之后，拿到了一个任务，执行时间14：30，而当前时间为14：00，在还没有走到wait之前，主线程main又创建了一个新的任务，14：10分的，此时notify就没有对应的wait可以唤醒。新任务创建成功之后，之前的线程继续往下走，就得干等30分，而不是等10分之后去执行14：10分的那个任务！这就使得最先到达时间的任务不能及时执行。

9.4 线程池

线程的创建虽然比进程的创建要轻量，但在频繁创建的情况下，开销也是不可忽视的！ 为了进一步减少每次启动、销毁线程的损耗,人们引进了线程池。线程池就是提前把线程创建好，后续需要创建线程时，不再向系统申请，而是直接从线程池中拿，最后用完了，再把线程还给线程池。

为什么线程池就比直接创建线程效率更高呢？要知道从系统中创建线程，是在内核态里完成的。但对于内核来说，创建线程不是它唯一的任务，它可能先去完成别的任务，再继续创建线程。再者创建线程还涉及到用户态与内核态之间的切换；而从线程池里拿一个线程，只涉及到了用户态。给一个形象一点的例子：为了打印一份文件，你来到了打印店。内核就像是打印店里的工作人员，你让他帮你打印时，他有时空闲能直接帮你打印，有时你需要排队等候，甚至有时工作人员在忙自己的事情，你就得等他忙完了再帮你打印——时间不可控；而用户态操作更像是打印店里的自助打印机，你来到店里，直接打印完事——时间可控。

9.4.1 标准库里提供的线程池类

public class ThreadDemo2 {public static void main(String[] args) {//并没直接 new ExecutorService 来实例化一个对象//而是通过 Executors 里的静态方法完成对象构造！ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);//线程池里有个线程pool.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {while(true){System.out.println("♥♥♥♥♥♥♥♥♥");}}});pool.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {while(true){System.out.println("♥♥⭐♥♥");}}});}
}

输出：

......

♥♥♥♥♥♥♥♥♥

♥♥♥♥♥♥♥♥♥

♥♥⭐♥♥

♥♥⭐♥♥

.......

♥♥⭐♥♥

♥♥⭐♥♥

♥♥⭐♥♥

♥♥⭐♥♥

♥♥♥♥♥♥♥♥♥

♥♥♥♥♥♥♥♥♥

......

9.4.2 模拟实现一个线程池

import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;class MyThreadPool{//用阻塞队列来存放任务private BlockingDeque<Runnable> queue = new LinkedBlockingDeque<>();public void summit(Runnable runnable) throws InterruptedException{queue.put(runnable);}public MyThreadPool(int n){for (int i = 0; i < n; i++) {Thread t1 = new Thread(() -> {while(true){try {Runnable runnable = queue.take();runnable.run();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}});t1.start();System.out.println("创建线程 "+ i);try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}public class ThreadDemo1 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException{MyThreadPool pool = new MyThreadPool(10);Thread.sleep(12000);for (int i = 0; i < 1000; i++) {int number = i;pool.summit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello " + number);}});}}
}

输出：

创建线程 0

创建线程 1

创建线程 2

创建线程 3

创建线程 4

创建线程 5

创建线程 6

创建线程 7

创建线程 8

创建线程 9

hello 0

hello 1

hello 4

hello 5

........

需要注意的是，ThreadDemo1类中，匿名内部类遵循变量捕获规则，每次循环修改number的值，就相当于number没有被修改。

10 面试题

1. 进程与线程的区别

2. wait和sleep的区别

不同点：

1. wait需要搭配synchronized使用，而sleep不需要

2. wait是Object的方法，而sleep是Thread的静态方法

相同点：

都可以让线程放弃执行一段时间

3. 多线程环境下，懒汉模式如何保证线程安全？

1. 加锁，把if和new变成原子操作

2. 双重if，减少不必要的加锁操作

3. 使用volatile禁止指令重排序，保证后续线程一定拿到完整的对象！