0x01、你必须知道线程是什么？

线程是轻量级进程，是程序执行的最小单位

在介绍线程之前，我们必须要知道进程的概念。进程(Process)是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。进程是程序的基本执行体，线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

进程和线程是什么关系？

进程是线程的容器，一个进程可以容纳若干个线程。

我们可以把进程比喻成一个工厂的车间，线程就是车间里每个流水线上的工人，车间里的设备就是进程内的资源，工人在各自的流水线上使用设备生产，就像线程各自占用进程里的资源执行任务一样。

0x02线程的生命周期或状态

线程状态图

线程的所有状态在Thread中的State枚举中定义：

public enum State {
        NEW,
        RUNNABLE,
        BLOCKED,
        WAITING,
        TIMED_WAITING,
        TERMINATED;
    }

• NEW:刚刚创建的线程，这种线程还未开始执行。
• RUNNABLE:线程的start()方法调用时，表示线程开始执行，线程所需要的一切资源都准备好了。
• BLOCKED:当线程在执行过程中遇到synchronized同步块，就会进入BLOCKED阻塞状态，线程暂停运行，直到获取资源的锁。
• WAITING: 进入一个无时间限制的等待。
• TIMED_WAITING:进入一个有时限的等待状态。
• TERMINATED:线程执行完毕，表示结束。

注意：从NEW状态触发后，线程不能再回到NEW状态，同理，处于TERMINATED的线程也不能再回到RUNNABLE状态。

0x03并发的几个概念

同步(Synchronous)和异步(Asynchronous)

• 同步：方法调用一旦开始，调用者必须等到方法调用返回后，才能继续后续行为。

• 异步：方法调用更像一个消息的传递，一旦开始，方法调用就会立即返回，调用者可以继续后续的操作。

  
  同步和异步的方法调用

临界区

临界区用来表示一种公共资源或者说是共享数据，可以被多个线程使用。但一次只能由一个线程来使用它，其他线程想要使用，必须等待。
在并行程序中，临界区资源是保护的对象。

阻塞(Blocking)和非阻塞(Non-Blocking)

阻塞和非阻塞通常用来形容多线程间的相互影响。当一个线程占用了临界区资源，其他需要这个资源的线程必须在临界区等待。等待会导致线程挂起，这种情况就是阻塞。
非阻塞，强调没有一个线程可以妨碍其他线程的执行。

死锁(Deadlock)、饥饿(Starvation)和活锁(Livelock)

死锁、饥饿和活锁都属于多线程的活跃性问题，如果出现上述几种情况，那么相关线程可能就不再活跃，也就很难再继续执行下去。

• 死锁：两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁

产生死锁的四个必要条件：

（1） 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
（2） 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
（3） 不剥夺条件:进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。
（4） 循环等待条件:若干线程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

循环等待导致死锁产生

• 饥饿：一个或者多个线程因为种种原因无法获得所需要的资源，导致一直无法执行。如，线程优先级太低或者某一个线程一直占着关键资源不放，需要这个资源的线程无法正常执行。与死锁相比，饥饿是有可能在未来一段时间内解决的（比如高优先级的线程已经完成任务，不再执行）。
• 活锁：当两个线程秉承“谦让”原则，主动将资源释放给对方使用，那么就会出现资源不断在两个线程中跳动，而没有一个线程可以拿到所有资源而正常执行。这种情况就是活锁。

0x04并发级别

由于临界区的存在，多线程之间的并发必须受到控制。根据并发的策略，可以把并发的级别进行分类，可分为阻塞、无饥饿、无障碍、无锁、无等待几种。

阻塞(Blocking)

一个线程是阻塞的，那么在其他线程释放资源之前（即当前线程未得到临界区的锁），当前线程无法继续执行（挂起等待）。使用synchronized关键字和重入锁得到的就是阻塞的线程。

无饥饿(Starvation-Free)

如果线程之间是有优先级的，那么线程调度的时候总是会倾向于满足高优先级的线程。也就是说，对于同一资源的分配是不公平的。这种非公平的锁来说，系统允许优先级高的线程插队。就可能会导致低优先级的线程产生饥饿。

无障碍(Obstruction-Free)

无障碍是一种最弱的非阻塞调度。无障碍执行不会因为临界区的问题导致一方被挂起，任何线程都可以进入临界区，修改共享数据。对于无障碍的线程来说，一旦检测到多方同时修改共享数据的情况，它会立即对自己所做的修改进行回滚，确保数据安全。

无锁(Lock-Free)

无锁的并行都是无障碍的，所有线程都能尝试对临界区进行访问。

无等待(Wait-Free)

无等待是一种在无锁的基础上更进一步进行扩展，它要求所有线程都必须在有限步内完成，这样就不会引起饥饿问题。

0x05并发的原子性、可见性和有序性

• 原子性(Atomicity)：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。
• 可见性(Visibility):指当一个线程修改了某一个共享变量的值，其他线程是否能够立即知道这个修改。
• 有序性(Ordering)：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。但是一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。指令重排可以保证串行语义一致，但是没有义务保证多线程间的语义也一致。