参考:
《Java并发编程的艺术》第四章
《Java多线程编程核心技术》
博客 https://www.jianshu.com/p/8a04b5ec786c Java多线程基础
博客 https://www.jianshu.com/p/12af2d966c13 Java并发编程1
一.线程简介
1.线程和进程
- 进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位，现代操作系统运行程序时会创建进程
- 线程也叫轻量级进程，是现代操作系统调度的最小单元，一个进程中可以有多个线程，每个线程都拥有各自的计数器、堆栈和局部变量等属性，并能够访问共享的内存变量
2.为什么使用多线程
- 更多的计算核心：充分利用多核处理器的硬件优势，将计算逻辑分配给多个处理器同时执行
- 更快的响应时间：在业务逻辑复杂的场景中，将数据一致性不强的操作派发给其他线程处理
- 更好的编程逻辑：Java提供了良好并且一致的多线程编程模型，方便开发者完成多线程开发
3.上下文切换
- CPU切换运行的线程时存储和恢复CPU的过程，使得线程能够从中断点恢复执行
- 线程上下文切换过程中会记录程序计数器、CPU寄存器状态等
- 多线程环境中上下文切换会带来一定的性能开销
4.线程优先级
- 现代操作系统采取分时的形式调度执行的线程
- 线程在获取操作系统分出的时间片后开始执行，时间片用完后停止执行，等待再次获得时间片
- 线程优先级决定线程获取CPU时间片的优先级
- 注意：Java线程优先级在某些操作系统中无效
5.线程的状态
| 状态名称 | 说明 |
|---|---|
| NEW | 初始状态，线程被构建，但还没有调用start()方法 |
| RUNNABLE | 运行状态，包括线程在操作系统中就绪和运行两种情况 |
| BLOCKED | 阻塞状态，表示线程阻塞于锁 |
| WAITING | 等待状态，进入等待状态的线程需要等待其他线程的特定动作(通知或中断) |
| TIME_WAITING | 超时等待状态，进入超时等待状态的线程可以在指定的时间自行返回 |
| TERMINATED | 终止状态，表示当前线程已经执行完毕 |
线程状态切换
6. Daemon线程
- 支持型线程，用作程序中后台调度以及支持型工作
- JVM不存在非Daemon线程时，Daemon线程将自动结束，JVM退出
- 注意，在JVM退出时，Daemon线程中的finally块可能不会执行
二.线程启动和终止
1.构造线程
-
void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name，long stackSize，AccessControlContext acc)方法完成线程构造 - 新构造的线程对象由其parent线程进行空间分配，继承了parent线程的Daemon、优先级和加载资源的contextClassLoader以及可继承的ThreadLocal，同时获得唯一的线程ID
2.线程的实现
- 继承Thread类，重写
run()方法，Thread类本身实现了Runnable接口 - 实现Runnable接口，重写
run()方法 - 使用ExecutorService、Callable、Future实现有返回结果的多线程
3.线程中断
- 一个线程应该自行停止，而非由其他线程强制中断或停止
-
Thread.stop()不保证资源的正确释放、Thread.suspend()暂停时不释放锁容易导致死锁、Thread.resume()等三个方法都已废弃 - 每个线程均有一个中断标志位，表示是否有其他线程对该线程进行了中断操作
- 当对一个线程调用
interrupt()方法时
1）如果线程处于等待状态(如sleep、wait、join)时，线程将立即退出等待状态，并抛出一个interruptedException异常，仅此而已
2）如果线程处于正常活动状态，会将该线程的中断标志设置为true，仅此而已。被设置中断标志的线程将继续正常运行，不受影响 - 所以
interrupt()并不能真正的中断线程，需要被调用的线程进行配合。如果一个线程有被中断的需求，可以这样做
1）在正常运行任务时，使用isInterrupted()方法经常检查本线程的中断标志位，如果被设置了中断标志就自行停止
2）线程处于等待状态时，catch到InterruptedException异常后退出线程 -
Thread.interrupted()方法将清除中断标志位，但并不代表线程又恢复，仅代表线程已响应该中断信号然后重置为可再次接收信号的状态 - 处于等待的线程在调用
interrupt()方法后抛出InterruptedException前，JVM将先清除线程的中断标志位
| Modifier and Type | Method | Description |
|---|---|---|
| void | interrupt() | Interrupts this thread |
| static boolean | interrupted() | Tests whether the current thread has been interrupted |
| boolean | isInterrupted() | Tests whether this thread has been interrupted |
三.线程间通信
1.volatile和synchronized
- Java支持多个线程同时访问共享对象，现代多核处理器为了加速程序运行，每个线程会拥有共享对象的一份拷贝，由此引出内存可见性问题——一个线程看到的变量并一定是最新的
-
volatile：修饰的字段(成员变量)，要求程序对该变量的访问必须从共享内存获取，修改必须同步刷新回共享内存，从而保证所有线程对变量访问的可见性 -
synchronized：修饰方法或同步块，确保同一时刻，只有一个线程处于方法或同步块中，保证了线程对变量访问的可见性和排他性 - 对象、对象的监视器、同步队列和执行线程之间的关系
1）任意线程对由synchronized保护的object的访问，首先要获得object的监视器Monitor
2）如果Monitor获取失败，线程进入同步队列SynchronizedQueue，线程为BLOCKED状态
3）当其他获得锁访问object的线程释放锁，该释放操作唤醒阻塞在同步队列中的线程，使其重新尝试获取object的Monitor
2.等待/通知机制
- 生产者消费者模式
1）线程A修改了一个对象的值，线程B在感知变化后进行相应的操作
2）整个过程开始于线程A(生产者)，最终执行于线程B(消费者)
3）该模式隔离了“做什么”(What)和“怎么做”(How)，功能层面实现了解耦 - 原始办法
消费者线程不断循环检查信号变量是否变化，伪代码如下，存在程序及时性和资源消耗量的两难
while ( value != desire ) {
Thread.sleep ( 1000 ) ;
}
doSometing();
-
等待/通知机制 notify/wait
1）线程A调用对象O的wait()方法进入等待状态
2）线程B调用对象O的notify()或notifyAll()方法通知线程A
3）线程A收到通知后从对象O的wait()方法返回，继续执行后续操作 -
等待/通知机制流程
1）使用wait()、notify()、notifyAll()时需要先对调用对象加锁
2）调用wait()后，线程状态由RUNNING变为WAITING，并将当前线程放置在等待队列
3）notify()或notifyAll()方法调用后，等待线程依旧不会从wait()返回，需要调用notify()或notifyAll()的线程释放锁之后，等待线程才会从wait()返回
4）notify()/notifyAll()将等待队列中的一个/全部等待线程从等待队列中移到同步队列，被移动的线程状态由WAITING变为BLOCKED
5）从wait()方法返回(离开同步队列开始运行)的前提是获得了调用对象的锁
Wait/Notify
-
等待/通知的经典范式
等待方伪代码
1.获取对象的锁
2.如果条件不满足，则调用对象的wait()方法，被通知后仍要检查条件
3.条件满足则执行对应逻辑
synchronized(对象) {
while(条件不满足) {
对象.wait();
}
对应的处理逻辑
}
通知方伪代码
1.获取对象的锁
2.改变条件
3.通知所有等待在对象上的线程
synchronized(对象) {
改变条件
对象.notifyAll();
}
3.管道输入/输出流
- 管道IO主要用于线程间数据传输，传输媒介为内存，与文件IO或网络IO不同
- 主要实现类
1）管道字节流：PipedOutputStream、PipedInputStream
2）管道字符流：PipedReader、PipedWriter
PipedReader in = new PipedReader();
PipedWriter out = new PipedWriter();
//必须连接输入流和输出流，否则抛出异常
out.connect(in);
4.Thread.join()
- 线程A使用thread.join()表示当前线程A等待thread线程终止后才从thread.join()返回
-
join()方法的源代码逻辑结构与等待/通知经典范式一致，即加锁、循环和处理逻辑三步
5.线程变量ThreadLocal
- 以ThreadLocal对象为键、任意对象为值得存储结构，依附于线程
- 线程可以根据一个ThreadLocal对象查询到绑定在这个线程上的一个值
那年离别日，只道住桐庐。桐庐人不见，今得广州书
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