Java基础-并发篇_java并发

3.1. JAVA 并发知识库

3.2. JAVA 线程实现/创建方式

3.2.1. 继承 Thread 类

​ Thread 类本质上是实现了 Runnable 接口的一个实例，代表一个线程的实例。启动线程的唯一方 法就是通过 Thread 类的 start()实例方法。start()方法是一个 native 方法，它将启动一个新线 程，并执行 run()方法。

public class MyThread extends Thread {
 public void run() {
 	System.out.println("MyThread.run()");
 }
    MyThread myThread1 = new MyThread();
	myThread1.start(); 
}
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3.2.2. 实现 Runnable 接口。

​ 如果自己的类已经 extends 另一个类，就无法直接 extends Thread，此时，可以实现一个 Runnable 接口。

public class MyThread extends OtherClass implements Runnable {
 	public void run() {
 		System.out.println("MyThread.run()");
 	}
} 
    //启动 MyThread，需要首先实例化一个 Thread，并传入自己的 MyThread 实例：
    MyThread myThread = new MyThread();
    Thread thread = new Thread(myThread);
    thread.start();
    //事实上，当传入一个 Runnable target 参数给 Thread 后，Thread 的 run()方法就会调用
    target.run()
public void run() {
 	if (target != null) {
	 	target.run();
 	}
}
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3.2.3. ExecutorService、Callable、Future 有返回值线程

​ 有返回值的任务必须实现 Callable 接口，类似的，无返回值的任务必须 Runnable 接口。执行 Callable 任务后，可以获取一个 Future 的对象，在该对象上调用 get 就可以获取到 Callable 任务 返回的 Object 了，再结合线程池接口 ExecutorService 就可以实现传说中有返回结果的多线程 了。

//创建一个线程池
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(taskSize);
// 创建多个有返回值的任务
List<Future> list = new ArrayList<Future>();
for (int i = 0; i < taskSize; i++) {
Callable c = new MyCallable(i + " ");
// 执行任务并获取 Future 对象
Future f = pool.submit(c);
list.add(f);
}
// 关闭线程池
pool.shutdown();
// 获取所有并发任务的运行结果
for (Future f : list) {
// 从 Future 对象上获取任务的返回值，并输出到控制台
System.out.println("res：" + f.get().toString());
}
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3.2.4. 基于线程池的方式

​ 线程和数据库连接这些资源都是非常宝贵的资源。那么每次需要的时候创建，不需要的时候销 毁，是非常浪费资源的。那么我们就可以使用缓存的策略，也就是使用线程池。

// 创建线程池
 ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
 while(true) {
 threadPool.execute(new Runnable() { // 提交多个线程任务，并执行
 @Override
 public void run() {
 	System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is running ..");
 	try {
 		Thread.sleep(3000);
 	} catch (InterruptedException e) {
 		e.printStackTrace();
 	}
 }
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3. 3.种线程池

​ Java 里面线程池的顶级接口是 Executor，但是严格意义上讲 Executor 并不是一个线程池，而 只是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是 ExecutorService。

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3.3.1. newCachedThreadPool

​ 创建一个可根据需要创建新线程的线程池，但是在以前构造的线程可用时将重用它们。对于执行 很多短期异步任务的程序而言，这些线程池通常可提高程序性能。调用 execute 将重用以前构造 的线程（如果线程可用）。如果现有线程没有可用的，则创建一个新线程并添加到池中。终止并 从缓存中移除那些已有 60 秒钟未被使用的线程。因此，长时间保持空闲的线程池不会使用任何资 源。

3.3.2. newFixedThreadPool

​ 创建一个可重用固定线程数的线程池，以共享的无界队列方式来运行这些线程。在任意点，在大 多数 nThreads 线程会处于处理任务的活动状态。如果在所有线程处于活动状态时提交附加任务， 则在有可用线程之前，附加任务将在队列中等待。如果在关闭前的执行期间由于失败而导致任何 线程终止，那么一个新线程将代替它执行后续的任务（如果需要）。在某个线程被显式地关闭之 前，池中的线程将一直存在。

3.3.3. newScheduledThreadPool

​ 创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。

ScheduledExecutorService scheduledThreadPool= Executors.newScheduledThreadPool(3);
 scheduledThreadPool.schedule(newRunnable(){
 	@Override
 	public void run() {
 		System.out.println("延迟三秒");
 	}}, 3, TimeUnit.SECONDS);
	
	scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(newRunnable(){
 	@Override
	public void run() {
 		System.out.println("延迟 1 秒后每三秒执行一次");
 	}},1,3,TimeUnit.SECONDS);
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3.3.4. newSingleThreadExecutor

​ Executors.newSingleThreadExecutor()返回一个线程池（这个线程池只有一个线程）,这个线程 池可以在线程死后（或发生异常时）重新启动一个线程来替代原来的线程继续执行下去！

3.4. 线程生命周期(状态)

​ 当线程被创建并启动以后，它既不是一启动就进入了执行状态，也不是一直处于执行状态。 在线程的生命周期中，它要经过**新建(New)、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞 (Blocked)和死亡(Dead)**5 种状态。尤其是当线程启动以后，它不可能一直"霸占"着 CPU 独自 运行，所以 CPU 需要在多条线程之间切换，于是线程状态也会多次在运行、阻塞之间切换

3.4.1. 新建状态（NEW）

​ 当程序使用 new 关键字创建了一个线程之后，该线程就处于新建状态，此时仅由 JVM 为其分配 内存，并初始化其成员变量的值

3.4.2. 就绪状态（RUNNABLE）

​ 当线程对象调用了 start()方法之后，该线程处于就绪状态。Java 虚拟机会为其创建方法调用栈和 程序计数器，等待调度运行。

3.4.3. 运行状态（RUNNING）

​ 如果处于就绪状态的线程获得了 CPU，开始执行 run()方法的线程执行体，则该线程处于运行状 态。

3.4.4. 阻塞状态（BLOCKED）

​ 阻塞状态是指线程因为某种原因放弃了 cpu 使用权，也即让出了 cpu timeslice，暂时停止运行。 直到线程进入可运行(runnable)状态，才有机会再次获得 cpu timeslice 转到运行(running)状 态。阻塞的情况分三种：

​ 等待阻塞（o.wait->等待对列）： 运行(running)的线程执行 o.wait()方法，JVM 会把该线程放入等待队列(waitting queue) 中。

​ 同步阻塞（lock->锁池）： 运行(running)的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则 JVM 会把该线 程放入锁池(lock pool)中。

​ 其他阻塞（sleep/join） ：运行(running)的线程执行 Thread.sleep(long ms)或 t.join()方法，或者发出了 I/O 请求时， JVM 会把该线程置为阻塞状态。当 sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者 I/O 处理完毕时，线程重新转入可运行(runnable)状态。

3.4.5. 线程死亡（DEAD）

​ 线程会以下面三种方式结束，结束后就是死亡状态。

​ 正常结束

​ run()或 call()方法执行完成，线程正常结束。

​ 异常结束

​ 线程抛出一个未捕获的 Exception 或 Error。

​ 调用 stop

​ 直接调用该线程的 stop()方法来结束该线程—该方法通常容易导致死锁，不推荐使用。

3.5. 终止线程 4 种方式

3.5.1. 正常运行结束

​ 程序运行结束，线程自动结束。

3.5.2. 使用退出标志退出线程

​ 一般 run()方法执行完，线程就会正常结束，然而，常常有些线程是伺服线程。它们需要长时间的 运行，只有在外部某些条件满足的情况下，才能关闭这些线程。使用一个变量来控制循环，例如： 最直接的方法就是设一个 boolean 类型的标志，并通过设置这个标志为 true 或 false 来控制 while 循环是否退出，代码示例：

public class ThreadSafe extends Thread {
 	public volatile boolean exit = false;
 	public void run() {
 		while (!exit){
 		//do something
 	}
 }
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​ 定义了一个退出标志 exit，当 exit 为 true 时，while 循环退出，exit 的默认值为 false.在定义 exit 时，使用了一个 Java 关键字 volatile，这个关键字的目的是使 exit 同步，也就是说在同一时刻只 能由一个线程来修改 exit 的值。

3.5.3. Interrupt 方法结束线程

​ 使用 interrupt()方法来中断线程有两种情况：

​ 1.线程处于阻塞状态：如使用了 sleep,同步锁的 wait,socket 中的 receiver,accept 等方法时， 会使线程处于阻塞状态。当调用线程的 interrupt()方法时，会抛出 InterruptException 异常。 阻塞中的那个方法抛出这个异常，通过代码捕获该异常，然后 break 跳出循环状态，从而让 我们有机会结束这个线程的执行。通常很多人认为只要调用 interrupt 方法线程就会结束，实 际上是错的， 一定要先捕获 InterruptedException 异常之后通过 break 来跳出循环，才能正 常结束 run 方法。

​ 2. 线程未处于阻塞状态：使用 isInterrupted()判断线程的中断标志来退出循环。当使用 interrupt()方法时，中断标志就会置 true，和使用自定义的标志来控制循环是一样的道理。

 public class ThreadSafe extends Thread {
	 public void run() {
 		while (!isInterrupted()){ //非阻塞过程中通过判断中断标志来退出
 		try{
 			Thread.sleep(5*1000);//阻塞过程捕获中断异常来退出
 		}catch(InterruptedException e){
 			e.printStackTrace();
 			break;//捕获到异常之后，执行 break 跳出循环
 		}
 	}
 }
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3.5.4. stop 方法终止线程（线程不安全）

​ 程序中可以直接使用 thread.stop()来强行终止线程，但是 stop 方法是很危险的，就象突然关 闭计算机电源，而不是按正常程序关机一样，可能会产生不可预料的结果，不安全主要是： thread.stop()调用之后，创建子线程的线程就会抛出 ThreadDeatherror 的错误，并且会释放子 线程所持有的所有锁。一般任何进行加锁的代码块，都是为了保护数据的一致性，如果在调用 thread.stop()后导致了该线程所持有的所有锁的突然释放(不可控制)，那么被保护数据就有可能呈 现不一致性，其他线程在使用这些被破坏的数据时，有可能导致一些很奇怪的应用程序错误。因 此，并不推荐使用 stop 方法来终止线程。

3.6. sleep 与 wait 区别

​ 1. 对于 sleep()方法，我们首先要知道该方法是属于 Thread 类中的。而 wait()方法，则是属于 Object 类中的。

​ 2. sleep()方法导致了程序暂停执行指定的时间，让出 cpu 该其他线程，但是他的监控状态依然 保持者，当指定的时间到了又会自动恢复运行状态。

​ 3.在调用 sleep()方法的过程中，线程不会释放对象锁。 4. 而当调用 wait()方法的时候，线程会放弃对象锁，进入等待此对象的等待锁定池，只有针对此 对象调用 notify()方法后本线程才进入对象锁定池准备获取对象锁进入运行状态。

​ 4.而当调用 wait()方法的时候，线程会放弃对象锁，进入等待此对象的等待锁定池，只有针对此 对象调用 notify()方法后本线程才进入对象锁定池准备获取对象锁进入运行状态。

3.7. start 与 run 区别

​ 1. start（）方法来启动线程，真正实现了多线程运行。这时无需等待 run 方法体代码执行完毕， 可以直接继续执行下面的代码。

​ 2.通过调用 Thread 类的 start()方法来启动一个线程， 这时此线程是处于就绪状态， 并没有运 行。

​ 3.方法 run()称为线程体，它包含了要执行的这个线程的内容，线程就进入了运行状态，开始运 行 run 函数当中的代码。 Run 方法运行结束， 此线程终止。然后 CPU 再调度其它线程。

3.8. JAVA 后台线程

​ 1. 定义：守护线程–也称“服务线程”，他是后台线程，它有一个特性，即为用户线程 提供 公 共服务，在没有用户线程可服务时会自动离开。

​ 2. 优先级：守护线程的优先级比较低，用于为系统中的其它对象和线程提供服务。

​ 3.设置：通过 setDaemon(true)来设置线程为“守护线程”；将一个用户线程设置为守护线程 的方式是在 线程对象创建 之前 用线程对象的 setDaemon 方法。

​ 4.在 Daemon 线程中产生的新线程也是 Daemon 的。

​ 5.线程则是 JVM 级别的，以 Tomcat 为例，如果你在 Web 应用中启动一个线程，这个线程的 生命周期并不会和 Web 应用程序保持同步。也就是说，即使你停止了 Web 应用，这个线程 依旧是活跃的。

​ 6.example: 垃圾回收线程就是一个经典的守护线程，当我们的程序中不再有任何运行的Thread, 程序就不会再产生垃圾，垃圾回收器也就无事可做，所以当垃圾回收线程是 JVM 上仅剩的线 程时，垃圾回收线程会自动离开。它始终在低级别的状态中运行，用于实时监控和管理系统 中的可回收资源。

​ 7.生命周期：守护进程（Daemon）是运行在后台的一种特殊进程。它独立于控制终端并且周 期性地执行某种任务或等待处理某些发生的事件。也就是说守护线程不依赖于终端，但是依 赖于系统，与系统“同生共死”。当 JVM 中所有的线程都是守护线程的时候，JVM 就可以退 出了；如果还有一个或以上的非守护线程则 JVM 不会退出。

3.9. JAVA 锁

3.9.1. 乐观锁

   乐观锁是一种乐观思想，即认为读多写少，遇到并发写的可能性低，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，采取在写时先读出当前版本号，然后加锁操作（比较跟上一次的版本号，如果一样则更新），如果失败则要重复读-比较-写的操作。
  java 中的乐观锁基本都是通过 CAS 操作实现的， CAS 是一种更新的原子操作， 比较当前值跟传入值是否一样，一样则更新，否则失败。

3.9.2. 悲观锁

  悲观锁是就是悲观思想，即认为写多，遇到并发写的可能性高，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在读写数据的时候都会上锁，这样别人想读写这个数据就会 block 直到拿到锁。java中的悲观锁就是Synchronized,AQS框架下的锁则是先尝试cas乐观锁去获取锁，获取不到，才会转换为悲观锁，如 RetreenLock。

3.9.3. 自旋锁

  自旋锁原理非常简单， 如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源，那么那些等待竞争锁的线程就不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态，它们只需要等一等（自旋），等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁，这样就避免用户线程和内核的切换的消耗。
  线程自旋是需要消耗 cup 的，说白了就是让 cup 在做无用功，如果一直获取不到锁，那线程也不能一直占用 cup 自旋做无用功，所以需要设定一个自旋等待的最大时间。如果持有锁的线程执行的时间超过自旋等待的最大时间扔没有释放锁，就会导致其它争用锁的线程在最大等待时间内还是获取不到锁，这时争用线程会停止自旋进入阻塞状态。

3.9.3.1.自旋锁的优缺点

  自旋锁尽可能的减少线程的阻塞，这对于锁的竞争不激烈，且占用锁时间非常短的代码块来说性能能大幅度的提升，因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起再唤醒的操作的消耗，这些操作会
导致线程发生两次上下文切换！
  但是如果锁的竞争激烈，或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块，这时候就适合使用自旋锁了，因为自旋锁在获取锁前一直都是占用 cpu 做无用功，占着 XX 不 XX，同时有大量线程在竞争一个锁，会导致获取锁的时间很长，线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗，其它要 cup 的线程又不能获取到 cpu，造成 cpu 的浪费。所以这种情况下我们要关闭自旋锁；

3.9.3.2.自旋锁时间阈值（1.6 引入了适应性自旋锁）

  自旋锁的目的是为了占着 CPU 的资源不释放，等到获取到锁立即进行处理。但是如何去选择自旋的执行时间呢？如果自旋执行时间太长，会有大量的线程处于自旋状态占用 CPU 资源，进而
会影响整体系统的性能。因此自旋的周期选的额外重要！
  JVM 对于自旋周期的选择， jdk1.5 这个限度是一定的写死的， 在 1.6 引入了适应性自旋锁，适应性自旋锁意味着自旋的时间不在是固定的了，而是 由前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者的状态来决定，基本认为一个线程上下文切换的时间是最佳的一个时间，同时 JVM 还针对当前 CPU 的负荷情况做了较多的优化， 如果平均负载小于 CPUs 则一直自旋， 如果有超过(CPUs/2)个线程正在自旋，则后来线程直接阻塞， 如果正在自旋的线程发现 Owner 发生了变化则延迟自旋时间（自旋计数）或进入阻塞， 如果 CPU 处于节电模式则停止自旋， 自旋时间的最坏情况是 CPU的存储延迟（CPU A 存储了一个数据，到 CPU B 得知这个数据直接的时间差） ，自旋时会适当放弃线程优先级之间的差异。

3.9.3.3.自旋锁的开启

  JDK1.6 中-XX:+UseSpinning 开启；
  -XX:PreBlockSpin=10 为自旋次数；
  JDK1.7 后，去掉此参数，由 jvm 控制；

3.9.4.Synchronized 同步锁

  synchronized 它可以把任意一个非 NULL 的对象当作锁。 他属于独占式的悲观锁，同时属于可重入锁。

3.9. 4.1.Synchronized 作用范围

  1. 作用于方法时，锁住的是对象的实例(this)；
  2. 当作用于静态方法时，锁住的是Class实例，又因为Class的相关数据存储在永久带PermGen（jdk1.8 则是 metaspace），永久带是全局共享的，因此静态方法锁相当于类的一个全局锁，会锁所有调用该方法的线程；
  3. synchronized 作用于一个对象实例时，锁住的是所有以该对象为锁的代码块。 它有多个队列，当多个线程一起访问某个对象监视器的时候，对象监视器会将这些线程存储在不同的容器中。

3.9.4.2.Synchronized 核心组件

  （1） Wait Set：哪些调用 wait 方法被阻塞的线程被放置在这里；
  （2） Contention List： 竞争队列，所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中；
  （3） Entry List： Contention List 中那些有资格成为候选资源的线程被移动到 Entry List 中；
  （4） OnDeck：任意时刻， 最多只有一个线程正在竞争锁资源，该线程被成为 OnDeck；
  （5） Owner：当前已经获取到所资源的线程被称为 Owner；
  （6） Owner：当前释放锁的线程。

3.9.4.3.Synchronized 实现

  （1）JVM 每次从队列的尾部取出一个数据用于锁竞争候选者（OnDeck），但是并发情况下，ContentionList 会被大量的并发线程进行 CAS 访问，为了降低对尾部元素的竞争， JVM 会将
一部分线程移动到 EntryList 中作为候选竞争线程。
  （2） Owner 线程会在 unlock 时，将 ContentionList 中的部分线程迁移到 EntryList 中，并指定EntryList 中的某个线程为 OnDeck 线程（一般是最先进去的那个线程）。
  （3）Owner 线程并不直接把锁传递给 OnDeck 线程，而是把锁竞争的权利交给OnDeck，OnDeck 需要重新竞争锁。这样虽然牺牲了一些公平性，但是能极大的提升系统的吞吐量，在JVM 中，也把这种选择行为称之为“竞争切换”。
  （4）OnDeck 线程获取到锁资源后会变为 Owner 线程，而没有得到锁资源的仍然停留在 EntryList中。如果 Owner 线程被 wait 方法阻塞，则转移到 WaitSet 队列中，直到某个时刻通过 notify或者 notifyAll 唤醒，会重新进去 EntryList 中。
  （5）处于 ContentionList、 EntryList、 WaitSet 中的线程都处于阻塞状态，该阻塞是由操作系统来完成的（Linux 内核下采用 pthread_mutex_lock 内核函数实现的）。
  （6）Synchronized 是非公平锁。 Synchronized 在线程进入 ContentionList 时， 等待的线程会先尝试自旋获取锁，如果获取不到就进入 ContentionList，这明显对于已经进入队列的线程是不公平的，还有一个不公平的事情就是自旋获取锁的线程还可能直接抢占 OnDeck 线程的锁资源。
详情参考请戳
  （7）每个对象都有个 monitor 对象， 加锁就是在竞争 monitor 对象，代码块加锁是在前后分别加上 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现的，方法加锁是通过一个标记位来判断的
  （8） synchronized 是一个重量级操作，需要调用操作系统相关接口，性能是低效的，有可能给线程加锁消耗的时间比有用操作消耗的时间更多。
  （9）Java1.6， synchronized 进行了很多的优化， 有适应自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁及偏向锁等 ，效率有了本质上的提高。在之后推出的 Java1.7 与 1.8 中，均对该关键字的实现机理做了优化。引入了偏向锁和轻量级锁。都是在对象头中有标记位，不需要经过操作系统加锁。
  （10） 锁可以从偏向锁升级到轻量级锁 ，再升级到重量级锁。这种升级过程叫做锁膨胀；
  （11）JDK 1.6 中默认是开启偏向锁和轻量级锁，可以通过-XX:-UseBiasedLocking 来禁用偏向锁。

3.9.5. ReentrantLock

  （ReentantLock 继承接口 Lock 并实现了接口中定义的方法， 他是一种可重入锁， 除了能完成 synchronized 所能完成的所有工作外，还提供了诸如可响应中断锁、可轮询锁请求、定时锁等
避免多线程死锁的方法。

3.9.5. 1.Lock 接口的主要方法

  1. void lock(): 执行此方法时, 如果锁处于空闲状态, 当前线程将获取到锁*. 相反, 如果锁已经被其他线程持有, 将禁用当前线程, 直到当前线程获取到锁.
  2. boolean tryLock()： 如果锁可用, 则获取锁, 并立即返回 true, 否则返回 false. 该方法和lock()的区别在于, tryLock()只是"试图"获取锁, 如果锁不可用, 不会导致当前线程被禁用,当前线程仍然继续往下执行代码. 而 lock()方法则是一定要获取到锁, 如果锁不可用, 就一直等待, 在未获得锁之前,当前线程并不继续向下执行.
   3.void unlock()：执行此方法时, 当前线程将释放持有的锁. 锁只能由持有者释放, 如果线程并不持有锁, 却执行该方法, 可能导致异常的发生.
  4. Condition newCondition()： 条件对象，获取等待通知组件。该组件和当前的锁绑定，
当前线程只有获取了锁，才能调用该组件的 await()方法，而调用后，当前线程将缩放锁。
  5. getHoldCount() ： 查询当前线程保持此锁的次数，也就是执行此线程执行 lock 方法的次数。
   6.getQueueLength（） ： 返回正等待获取此锁的线程估计数，比如启动 10 个线程， 1 个线程获得锁，此时返回的是 9
  7. getWaitQueueLength： （Condition condition）返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。比如 10 个线程，用同一个 condition 对象，并且此时这 10 个线程都执行了condition 对象的 await 方法，那么此时执行此方法返回 10
  8. hasWaiters(Condition condition)： 查询是否有线程等待与此锁有关的给定条件
(condition)，对于指定 contidion 对象，有多少线程执行了 condition.await 方法
  9. hasQueuedThread(Thread thread)： 查询给定线程是否等待获取此锁
  10. hasQueuedThreads()： 是否有线程等待此锁
  11. isFair()： 该锁是否公平锁
  12. isHeldByCurrentThread()： 当前线程是否保持锁锁定，线程的执行 lock 方法的前后分别是 false 和 true
  13. isLock()： 此锁是否有任意线程占用
  14. lockInterruptibly（） ： 如果当前线程未被中断，获取锁
  15. tryLock（） ： 尝试获得锁，仅在调用时锁未被线程占用，获得锁
  16. tryLock(long timeout TimeUnit unit)： 如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持，则获取该锁。

3.9.5. 2.非公平锁

  JVM 按随机、就近原则分配锁的机制则称为不公平锁， ReentrantLock 在构造函数中提供了是否公平锁的初始化方式，默认为非公平锁。 非公平锁实际执行的效率要远远超出公平锁，除非
程序有特殊需要，否则最常用非公平锁的分配机制。

3.9.5. 3.公平锁

  公平锁指的是锁的分配机制是公平的，通常先对锁提出获取请求的线程会先被分配到锁，ReentrantLock 在构造函数中提供了是否公平锁的初始化方式来定义公平锁。

3.9.5. 4.ReentrantLock 与 synchronized

  1. ReentrantLock 通过方法 lock()与 unlock()来进行加锁与解锁操作，与 synchronized 会
被 JVM 自动解锁机制不同， ReentrantLock 加锁后需要手动进行解锁。为了避免程序出现异常而无法正常解锁的情况，使用 ReentrantLock 必须在 finally 控制块中进行解锁操
作。
  2. ReentrantLock 相比 synchronized 的优势是可中断、公平锁、多个锁。这种情况下需要使用 ReentrantLock。

3.9.5. 5.ReentrantLock 实现

public class MyService {
	private Lock lock = new ReentrantLock();
	//Lock lock=new ReentrantLock(true);//公平锁
	//Lock lock=new ReentrantLock(false);//非公平锁
	private Condition condition=lock.newCondition();//创建 Condition
	public void testMethod() {
		try {
			lock.lock();//lock 加锁
			//1： wait 方法等待：
			//System.out.println("开始 wait");
			condition.await();
			//通过创建 Condition 对象来使线程 wait，必须先执行 lock.lock 方法获得锁
			//:2： signal 方法唤醒
			condition.signal();//condition 对象的 signal 方法可以唤醒 wait 线程
			for (int i = 0; i < 5; i++) {
			System.out.println("ThreadName=" + Thread.currentThread().getName()+ (" " + (i + 1)));
			}
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}finally{
			lock.unlock();
		}
	}
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3.9.5. 6.Condition 类和 Object 类锁方法区别区别

  1. Condition 类的 awiat 方法和 Object 类的 wait 方法等效
  2. Condition 类的 signal 方法和 Object 类的 notify 方法等效
  3. Condition 类的 signalAll 方法和 Object 类的 notifyAll 方法等效
  4. ReentrantLock 类可以唤醒指定条件的线程，而 object 的唤醒是随机的

3.9.5. 7.tryLock 和 lock 和 lockInterruptibly 的区别

  1. tryLock 能获得锁就返回 true，不能就立即返回 false， tryLock(long timeout,TimeUnit
unit)，可以增加时间限制，如果超过该时间段还没获得锁，返回 false
  2. lock 能获得锁就返回 true，不能的话一直等待获得锁
  3. lock 和 lockInterruptibly，如果两个线程分别执行这两个方法，但此时中断这两个线程，lock 不会抛出异常，而 lockInterruptibly 会抛出异常。

3.9.6. Semaphore 信号量

  Semaphore 是一种基于计数的信号量。它可以设定一个阈值，基于此，多个线程竞争获取许可信号，做完自己的申请后归还，超过阈值后，线程申请许可信号将会被阻塞。 Semaphore 可以用来构建一些对象池，资源池之类的， 比如数据库连接池。

3.9.6.1. 实现互斥锁（计数器为 1）

  我们也可以创建计数为 1 的 Semaphore，将其作为一种类似互斥锁的机制，这也叫二元信号量，表示两种互斥状态。

3.9.6.2.代码实现

  它的用法如下：

		// 创建一个计数阈值为 5 的信号量对象
		// 只能 5 个线程同时访问
		Semaphore semp = new Semaphore(5);
		try { // 申请许可
			semp.acquire();
			try {
				// 业务逻辑
			} catch (Exception e) {
			} finally {
				// 释放许可
				semp.release();
			}
		} catch (InterruptedException e) {
}
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3.9.6.3.Semaphore 与 ReentrantLock

  Semaphore 基本能完成 ReentrantLock 的所有工作，使用方法也与之类似，通过 acquire()与release()方法来获得和释放临界资源。经实测， Semaphone.acquire()方法默认为可响应中断锁，与 ReentrantLock.lockInterruptibly()作用效果一致，也就是说在等待临界资源的过程中可以被Thread.interrupt()方法中断。
  此外， Semaphore 也实现了 可轮询的锁请求与定时锁的功能，除了方法名 tryAcquire 与 tryLock不同，其使用方法与 ReentrantLock 几乎一致。 Semaphore 也提供了公平与非公平锁的机制，也可在构造函数中进行设定。
  Semaphore 的锁释放操作也由手动进行，因此与 ReentrantLock 一样，为避免线程因抛出异常而无法正常释放锁的情况发生，释放锁的操作也必须在 finally 代码块中完成。

3.9.7. AtomicInteger

  首先说明，此处 AtomicInteger ，一个提供原子操作的 Integer 的类，常见的还有
AtomicBoolean、 AtomicInteger、 AtomicLong、 AtomicReference 等，他们的实现原理相同，
区别在与运算对象类型的不同。令人兴奋地，还可以通过 AtomicReference将一个对象的所
有操作转化成原子操作。
  我们知道， 在多线程程序中，诸如++i 或 i++等运算不具有原子性，是不安全的线程操作之一。通常我们会使用 synchronized 将该操作变成一个原子操作，但 JVM 为此类操作特意提供了一些同步类，使得使用更方便，且使程序运行效率变得更高。通过相关资料显示，通常AtomicInteger的性能是 ReentantLock 的好几倍。

3.9.8. 可重入锁（递归锁）

  本文里面讲的是广义上的可重入锁，而不是单指 JAVA 下的 ReentrantLock。 可重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程 外层函数获得锁之后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响 。在 JAVA 环境下 ReentrantLock 和 synchronized 都是 可重入锁。

3.9.9. 公平锁与非公平锁

3.9.9.1.公平锁（Fair）

  加锁前检查是否有排队等待的线程，优先排队等待的线程，先来先得

3.9.9.2.非公平锁（Nonfair）

  加锁时不考虑排队等待问题，直接尝试获取锁，获取不到自动到队尾等待
  1. 非公平锁性能比公平锁高 5~10 倍，因为公平锁需要在多核的情况下维护一个队列
  2. Java 中的 synchronized 是非公平锁， ReentrantLock 默认的 lock()方法采用的是非公平锁。

3.9.10. ReadWriteLock 读写锁

  为。 了提高性能， Java 提供了读写锁，在读的地方使用读锁，在写的地方使用写锁，灵活控制，如果没有写锁的情况下，读是无阻塞的,在一定程度上提高了程序的执行效率。 读写锁分为读锁和写锁，多个读锁不互斥，读锁与写锁互斥，这是由 jvm 自己控制的，你只要上好相应的锁即可。

3.9.10. 1.读锁

  如果你的代码只读数据，可以很多人同时读，但不能同时写，那就上读锁

3.9.10.2.写锁

  如果你的代码修改数据，只能有一个人在写，且不能同时读取，那就上写锁。总之，读的时候上读锁，写的时候上写锁！
  Java 中 读 写 锁 有 个 接 口 java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock ， 也 有 具 体 的 实 现ReentrantReadWriteLock。

3.9.11. 共享锁和独占锁

  java 并发包提供的加锁模式分为独占锁和共享锁。

3.9.11.1. 独占锁

  独占锁模式下，每次只能有一个线程能持有锁， ReentrantLock 就是以独占方式实现的互斥锁。独占锁是一种悲观保守的加锁策略，它避免了读/读冲突，如果某个只读线程获取锁，则其他读线程都只能等待，这种情况下就限制了不必要的并发性，因为读操作并不会影响数据的一致性。

3.9.11.2 共享锁

  共享锁则允许多个线程同时获取锁，并发访问 共享资源，如： ReadWriteLock。 共享锁则是一种乐观锁，它放宽了加锁策略，允许多个执行读操作的线程同时访问共享资源。
  1. AQS 的内部类 Node 定义了两个常量 SHARED 和 EXCLUSIVE，他们分别标识 AQS 队列中等待线程的锁获取模式。
  2. java 的并发包中提供了 ReadWriteLock，读-写锁。它允许一个资源可以被多个读操作访问，或者被一个 写操作访问，但两者不能同时进行。

3.9.12. 重量级锁（ Mutex Lock ）

  Synchronized 是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的。但是监视器锁本质又
是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock 来实现的。而操作系统实现线程之间的切换这就需要从用
户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么
Synchronized 效率低的原因。因此， 这种依赖于操作系统 Mutex Lock 所实现的锁我们称之为“重量级锁” 。 JDK 中对 Synchronized 做的种种优化，其核心都是为了减少这种重量级锁的使用。
JDK1.6 以后，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，提高性能，引入了“轻量级锁”和
“偏向锁”。

3.9.13. 轻量级锁

  锁的状态总共有四种：无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

3.9.13.1.锁升级

  随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁（但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级）。
  “轻量级” 是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的。但是，首先需要强调一点的是，轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用产生的性能消耗。在解释轻量级锁的执行过程之前， 先明白一点， 轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的情况，如果存在同一时间访问同一锁的情况，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

3.9.14. 偏向锁

  Hotspot 的作者经过以往的研究发现大多数情况下锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得。 偏向锁的目的是在某个线程获得锁之后，消除这个线程锁重入（CAS）的开销，看起来让这个线程得到了偏护。。 引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次 CAS 原子指令， 而偏向锁只需要在置换ThreadID 的时候依赖一次 CAS 原子指令（由于一旦出现多线程竞争的情况就必须撤销偏向锁，所以偏向锁的撤销操作的性能损耗必须小于节省下来的 CAS 原子指令的性能消耗）。上面说过， 轻量级锁是为了在线程交替执行同步块时提高性能， 而偏向锁则是在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能。

3.9.15. 分段锁

  分段锁也并非一种实际的锁，而是一种思想 ConcurrentHashMap 是学习分段锁的最好实践

3.9.16. 锁优化

3.9.16.1.减少锁持有时间

  只用在有线程安全要求的程序上加锁

3.9.16.2.减小锁粒度

  将大对象（这个对象可能会被很多线程访问），拆成小对象，大大增加并行度，降低锁竞争。降低了锁的竞争，偏向锁，轻量级锁成功率才会提高。最最典型的减小锁粒度的案例就是
ConcurrentHashMap。

3.9.16.2.锁分离

   最常见的锁分离就是读写锁 ReadWriteLock，根据功能进行分离成读锁和写锁，这样读读不互斥，读写互斥，写写互斥，即保证了线程安全，又提高了性能，具体也请查看[高并发 Java 五]
JDK 并发包 1。读写分离思想可以延伸，只要操作互不影响，锁就可以分离。比如LinkedBlockingQueue 从头部取出，从尾部放数据

3.9.16.4.锁粗化

  通常情况下，为了保证多线程间的有效并发，会要求每个线程持有锁的时间尽量短，即在使用完公共资源后，应该立即释放锁。但是，凡事都有一个度， 如果对同一个锁不停的进行请求、同步和释放，其本身也会消耗系统宝贵的资源，反而不利于性能的优化 。

3.9.16.5.锁消除

  锁消除是在编译器级别的事情。 在即时编译器时，如果发现不可能被共享的对象，则可以消除这些对象的锁操作，多数是因为程序员编码不规范引起。
锁消除请戳

3.10. 线程基本方法

  线程相关的基本方法有 wait， notify， notifyAll， sleep， join， yield 等。

3.10.1. 线程等待（wait）

  调用该方法的线程进入 WAITING 状态，只有等待另外线程的通知或被中断才会返回，需要注意的是调用 wait()方法后， 会释放对象的锁 。因此， wait 方法一般用在同步方法或同步代码块中。

3.10.2. 线程睡眠（sleep）

  sleep 导致当前线程休眠，与 wait 方法不同的是 sleep 不会释放当前占有的锁 ,sleep(long)会导致线程进入 TIMED-WATING 状态，而 wait()方法会导致当前线程进入 WATING 状态

3.10.3. 线程让步（yield）

  yield 会使当前线程 让出 CPU 执行时间片，与其他线程一起重新竞争 CPU 时间片。一般情况下，优先级高的线程有更大的可能性成功竞争得到 CPU 时间片， 但这又不是绝对的，有的操作系统对线程优先级并不敏感。

3.10.4. 线程中断（interrupt）

  中断一个线程，其本意是 给这个线程一个通知信号，会影响这个线程内部的一个中断标识位。 这个线程本身并不会因此而改变状态(如阻塞，终止等)。
  1. 调用 interrupt()方法并不会中断一个正在运行的线程。也就是说处于 Running 状态的线程并不会因为被中断而被终止，仅仅改变了内部维护的中断标识位而已。
  2. 若调用 sleep()而使线程处于 TIMED-WATING 状态，这时调用 interrupt()方法，会抛出InterruptedException,从而使线程提前结束 TIMED-WATING 状态。
  3. 许多声明抛出 InterruptedException 的方法(如 Thread.sleep(long mills 方法))，抛出异
常前，都会清除中断标识位，所以抛出异常后，调用 isInterrupted()方法将会返回 false。
  4. 中断状态是线程固有的一个标识位，可以通过此标识位安全的终止线程。比如,你想终止一个线程 thread 的时候，可以调用 thread.interrupt()方法，在线程的 run 方法内部可以根据 thread.isInterrupted()的值来优雅的终止线程。

3.10.5. Join 等待其他线程终止

   join() 方法，等待其他线程终止，在当前线程中调用一个线程的 join() 方法，则当前线程转为阻塞状态，回到另一个线程结束，当前线程再由阻塞状态变为就绪状态，等待 cpu 的宠幸。

3.10.6. 为什么要用 join()方法？

  很多情况下，主线程生成并启动了子线程，需要用到子线程返回的结果，也就是需要主线程需要在子线程结束后再结束，这时候就要用到 join() 方法

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程运行开始!");
Thread6 thread1 = new Thread6();
thread1.setName("线程 B");
thread1.join();
System.out.println("这时 thread1 执行完毕之后才能执行主线程");
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3.10.7. 线程唤醒（notify）

  Object 类中的 notify() 方法， 唤醒在此对象监视器上等待的单个线程，如果所有线程都在此对象上等待，则会选择唤醒其中一个线程，选择是任意的，并在对实现做出决定时发生，线程通过调用其中一个 wait() 方法，在对象的监视器上等待， 直到当前的线程放弃此对象上的锁定，才能继续执行被唤醒的线程，被唤醒的线程将以常规方式与在该对象上主动同步的其他所有线程进行竞争。类似的方法还有 notifyAll() ，唤醒再次监视器上等待的所有线程。

3.10.8. 其他方法：

  1. sleep()：强迫一个线程睡眠Ｎ毫秒。
  2. isAlive()： 判断一个线程是否存活。
  3. join()： 等待线程终止。
  4. activeCount()： 程序中活跃的线程数。
  5. enumerate()： 枚举程序中的线程。
  6. currentThread()： 得到当前线程。
  7. isDaemon()： 一个线程是否为守护线程。
  8. setDaemon()： 设置一个线程为守护线程。 (用户线程和守护线程的区别在于，是否等待主线程依赖于主线程结束而结束)
  9. setName()： 为线程设置一个名称。
  10. wait()： 强迫一个线程等待。
  11. notify()： 通知一个线程继续运行。
  12. setPriority()： 设置一个线程的优先级。
  13. getPriority():：获得一个线程的优先级。

3.11. 线程上下文切换

  巧妙地利用了时间片轮转的方式, CPU 给每个任务都服务一定的时间，然后把当前任务的状态保存下来，在加载下一任务的状态后，继续服务下一任务， 任务的状态保存及再加载, 这段过程就叫做上下文切换。时间片轮转的方式使多个任务在同一颗 CPU 上执行变成了可能。

3.11.1. 进程

  （有时候也称做任务）是指一个程序运行的实例。在 Linux 系统中，线程就是能并行运行并且与他们的父进程（创建他们的进程）共享同一地址空间（一段内存区域）和其他资源的轻量
级的进程。

3.11.2. 上下文

  是指某一时间点 CPU 寄存器和程序计数器的内容。

3.11.3. 寄存器

  是 CPU 内部的数量较少但是速度很快的内存（与之对应的是 CPU 外部相对较慢的 RAM 主内存）。寄存器通过对常用值（通常是运算的中间值）的快速访问来提高计算机程序运行的速
度。

3.11.4. 程序计数器

  是一个专用的寄存器， 用于表明指令序列中 CPU 正在执行的位置，存的值为正在执行的指令的位置或者下一个将要被执行的指令的位置，具体依赖于特定的系统。

3.11.5. PCB-“切换桢”

  上下文切换可以认为是内核（操作系统的核心）在 CPU 上对于进程（包括线程）进行切换，上下文切换过程中的信息是保存在进程控制块（PCB, process control block）中的。 PCB 还经常被称作“切换桢”（switchframe）。 信息会一直保存到 CPU 的内存中，直到他们被再次使用。

3.11.6. 上下文切换的活动：

  1. 挂起一个进程，将这个进程在 CPU 中的状态（上下文）存储于内存中的某处。
  2. 在内存中检索下一个进程的上下文并将其在 CPU 的寄存器中恢复。
  3. 跳转到程序计数器所指向的位置（即跳转到进程被中断时的代码行），以恢复该进程在程序中。

3.11.7. 引起线程上下文切换的原因

  1. 当前执行任务的时间片用完之后，系统 CPU 正常调度下一个任务；
  2. 当前执行任务碰到 IO 阻塞，调度器将此任务挂起，继续下一任务；
  3. 多个任务抢占锁资源，当前任务没有抢到锁资源，被调度器挂起，继续下一任务；
  4. 用户代码挂起当前任务，让出 CPU 时间；
  5. 硬件中断；

3.12. 同步锁与死锁

3.12.1. 同步锁

  当多个线程同时访问同一个数据时，很容易出现问题。为了避免这种情况出现，我们要保证线程同步互斥，就是指并发执行的多个线程，在同一时间内只允许一个线程访问共享数据。 Java 中可以使用 synchronized 关键字来取得一个对象的同步锁。

3.12.2. 死锁

  何为死锁，就是多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。

3.13. 线程池原理

  线程池做的工作主要是控制运行的线程的数量，处理过程中将任务放入队列，然后在线程创建后启动这些任务，如果线程数量超过了最大数量超出数量的线程排队等候，等其它线程执行完毕，再从队列中取出任务来执行。 他的主要特点为： 线程复用； 控制最大并发数； 管理线程。

3.13.1. 线程复用

  每一个 Thread 的类都有一个 start 方法。 当调用 start 启动线程时 Java 虚拟机会调用该类的 run方法。 那么该类的 run() 方法中就是调用了 Runnable 对象的 run() 方法。 我们可以继承重写Thread 类，在其 start 方法中添加不断循环调用传递过来的 Runnable 对象。 这就是线程池的实
现原理。 循环方法中不断获取 Runnable 是用 Queue 实现的，在获取下一个 Runnable 之前可以
是阻塞的。

3.13.2. 线程池的组成

  一般的线程池主要分为以下 4 个组成部分：
  1. 线程池管理器：用于创建并管理线程池
  2. 工作线程：线程池中的线程
  3. 任务接口：每个任务必须实现的接口，用于工作线程调度其运行
  4. 任务队列：用于存放待处理的任务，提供一种缓冲机制
  Java 中的线程池是通过 Executor 框架实现的，该框架中用到了 Executor， Executors，
ExecutorService， ThreadPoolExecutor ， Callable 和 Future、 FutureTask 这几个类。

  ThreadPoolExecutor 的构造方法如下：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize, long keepAliveTime,
	TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
	this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
	Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}
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  1. corePoolSize：指定了线程池中的线程数量。
  2. maximumPoolSize：指定了线程池中的最大线程数量。
  3. keepAliveTime：当前线程池数量超过 corePoolSize 时，多余的空闲线程的存活时间，即多次时间内会被销毁。
  4. unit： keepAliveTime 的单位。
  5. workQueue：任务队列，被提交但尚未被执行的任务。
  6. threadFactory：线程工厂，用于创建线程，一般用默认的即可。
  7. handler：拒绝策略，当任务太多来不及处理，如何拒绝任务。

3.13.3. 拒绝策略

  线程池中的线程已经用完了，无法继续为新任务服务，同时，等待队列也已经排满了，再也塞不下新任务了。这时候我们就需要拒绝策略机制合理的处理这个问题。JDK 内置的拒绝策略如下：
  1. AbortPolicy ： 直接抛出异常，阻止系统正常运行。
  2. CallerRunsPolicy ： 只要线程池未关闭，该策略直接在调用者线程中，运行当前被丢弃的任务。显然这样做不会真的丢弃任务，但是，任务提交线程的性能极有可能会急剧下降。
  3. DiscardOldestPolicy ： 丢弃最老的一个请求，也就是即将被执行的一个任务，并尝试再次提交当前任务。
  4. DiscardPolicy ： 该策略默默地丢弃无法处理的任务，不予任何处理。如果允许任务丢
失，这是最好的一种方案。以上内置拒绝策略均实现了 RejectedExecutionHandler 接口，若以上策略仍无法满足实际需要，完全可以自己扩展 RejectedExecutionHandler 接口。

3.13.4. Java 线程池工作过程

  1. 线程池刚创建时，里面没有一个线程。任务队列是作为参数传进来的。不过，就算队列里面
有任务，线程池也不会马上执行它们。
  2. 当调用 execute() 方法添加一个任务时，线程池会做如下判断：
    a) 如果正在运行的线程数量小于 corePoolSize，那么马上创建线程运行这个任务；
    b) 如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize，那么将这个任务放入队列；
    c) 如果这时候队列满了，而且正在运行的线程数量小于 maximumPoolSize，那么还是要
创建非核心线程立刻运行这个任务；
    d) 如果队列满了，而且正在运行的线程数量大于或等于 maximumPoolSize，那么线程池
会抛出异常 RejectExecutionException。
  3. 当一个线程完成任务时，它会从队列中取下一个任务来执行。
  4. 当一个线程无事可做，超过一定的时间（keepAliveTime）时，线程池会判断，如果当前运行的线程数大于 corePoolSize，那么这个线程就被停掉。所以线程池的所有任务完成后，它最终会收缩到 corePoolSize 的大小。

3.14. JAVA 阻塞队列原理

  阻塞队列，关键字是阻塞，先理解阻塞的含义，在阻塞队列中，线程阻塞有这样的两种情况：
  1. 当队列中没有数据的情况下，消费者端的所有线程都会被自动阻塞（挂起），直到有数据放入队列。

  2. 当队列中填满数据的情况下，生产者端的所有线程都会被自动阻塞（挂起），直到队列中有空的位置，线程被自动唤醒。

3.14.1. 阻塞队列的主要方法