Java的多线程机制

程序、进程和线程：
程序是一段静态的代码，它是应用程序执行的蓝本。进程是程序的一次动态执行过程，它对应了从代码加载、执行至执行完毕的一个完整过程，这个过程也是进程本身从产生、发展至消亡的过程。线程是比进程更小的单位，一个进程执行过程中可以产生多个线程，每个线程有自身的产生、存在和消亡的过程，也是一个动态的概念。每个进程都有一段专用的内存区域，而线程间可以共享相同的内存区域(包括代码和数据)，并利用这些共享单元来实现数据交换、实时通信与必要的同步操作。

每个Java程序都有一个默认的主线程。Java程序总是从主类的main方法开始执行。当JVM加载代码，发现main方法后就启动一个线程，这个线程就称作"主线程"，该线程负责执行main方法。在main方法中再创建的线程就是其他线程。

如果main方法中没有创建其他线程，那么当main方法返回时JVM就会结束Java应用程序。但如果main方法中创建了其他线程，那么 JVM就要在主线程和其他线程之间轮流切换，保证每个线程都有机会使用CPU资源，main方法返回(主线程结束)JVM也不会结束，要一直等到该程序所有线程全部结束才结束Java程序(另外一种情况是：程序中调用了Runtime类的exit方法，并且安全管理器允许退出操作发生。这时JVM也会结束该程序)。


线程的状态与生命周期：
Java使用java.lang.Thread类及其子类的对象表示线程，新建的线程在它的一个完整生命周期中通常要经历如下四种状态：(新建、运行、（中断/挂起/阻塞）、消亡)
1、新建：
当一个Thread类或其子类对象被声明并创建，新生的线程对象就处于新建状态(此时它已经有了内存空间和其他资源)。

2、运行：
线程已经创建就具备了运行的条件，一旦轮到它来享用CPU资源时，即JVM将CPU使用权切换给该线程时，此线程就可以脱离创建它的主线程独立开始自己的生命周期了。
线程创建后仅仅是占有了内存资源，在JVM管理的线程中还没有这个线程，此线程必须调用start()方法(从父类继承)通知JVM，这样JVM就知道又有一个新的线程排队等候切换。

当JVM将CPU使用权切换给线程时，如果线程是Thread的子类创建的，该类中的run()方法立刻执行(run()方法中规定了该线程的具体使命)。Thread类中的run()方法没有具体内容，程序要在Thread类的子类中重写run()方法覆盖父类该方法。(注意：在线程没有结束 run()方法前，不要再调用start方法，否则将发生ILLegalThreadStateException异常)

3、挂起：
线程挂起的原因有一下四种：
(1)、JVM将CPU资源从当前线程切换给其他线程，使本线程让出CPU的使用权，并处于挂起状态。
(2)、线程使用CPU资源期间，执行了sleep(int millsecond)方法，使当前线程进入休眠状态。sleep(int millsecond)方法是Thread类中的一个类方法，线程执行该方法就立刻让出CPU使用权，进入挂起状态。经过参数millsecond指定的毫秒数之后，该线程就重新进到线程队列中排队等待CPU资源，然后从中断处继续运行。
(3)、线程使用CPU资源期间，执行了wait()方法，使得当前线程进入等待状态。等待状态的线程不会主动进入线程队列等待CPU资源，必须由其他线程调用notify()方法通知它，才能让该线程从新进入到线程队列中排队等待CPU资源，以便从中断处继续运行。
(4)、线程使用CPU资源期间，执行某个操作进入阻塞状态，如执行读/写操作引起阻塞。进入阻塞状态时线程不能进入线程队列，只有引起阻塞的原因消除时，线程才能进入到线程队列排队等待CPU资源，以便从中断处继续运行。

4、死亡：
死亡状态就是线程释放了实体，即释放了分配给线程对象的内存。线程死亡的原因有两个：
(1)、正常运行的线程完成了它的全部工作，即执行完run()方法中的全部语句，结束了run()方法。
(2)、线程被提前强制性终止，即强制run()方法结束。


线程调度与优先级：
JVM的线程调度器负责管理线程，调度器把线程的优先级分为10个级别，分别用Thread类中的类常量表示。每个Java线程的优先级都在常数1-10之间。Thread类优先级常量有三个：
  static int MIN_PRIORITY  //1
  static int NORM_PRIORITY //5
  static int MAX_PRIORITY  //10
如果没有明确设置，默认线程优先级为常数5即Thread.NORM_PRIORITY。

线程优先级可以用setPriority(int grade)方法调整，如果参数grade不在1-10范围内，那么setPriority产生一个IllegalArgumenException异常。用getPriority()方法返回线程优先级。(注意：有些操作系统只能识别3个级别：1、5、10)

Java调度器的任务是使优先级高的线程能始终运行，一旦时间片有空闲，则使具有同等优先级的线程以轮流的方式顺序使用时间片。只有当高级别的线程死亡时(除非用 sleep(int millsecond)或wait()方法让出CPU资源)，低级别线程才有机会获得CPU资源。

实际编程时，不提倡使用线程的优先级来保证算法的正确执行。要编写正确、跨平台的多线程代码，必须假设线程在任何时刻都有可能被剥夺CPU资源的使用权。


Java中实现多线程有两种方法：
1、继承Thread类，覆盖run()方法：使用Thread子类创建线程的优点是可以在子类中增加新的成员变量或方法，使线程具有某种属性或功能。但Java不支持多继承，Thread类的子类不能再扩展其他的类。
2、实现Runnable接口：用Thread类直接创建线程对象，使用构造函数Thread(Runnable target)(参数target是一个Runnable接口)，创建线程对象时必须向构造方法参数传递一个实现Runnable接口类的实例，该实例对象称作所创线程的目标对象。当线程调用start()方法，一旦轮到它使用CPU资源，目标对象自动调用接口中的run()方法(接口回调)。

线程间可以共享相同的内存单元(包括代码和数据)，并利用这些共享单元来实现数据交换、实时通信与必要的同步操作。对于Thread(Runnable target)创建的使用同一目标对象的线程，可以共享该目标对象的成员变量和方法。
另外，创建目标对象类在必要时还可以是某个特定类的子类，因此，使用Runnable接口比使用Thread的子类更具有灵活性。
(注意：具有相同目标对象的线程，run()方法中的局部变量相互独立，互不干扰)

在线程中启动其他线程，当线程调用start()方法启动，使之从新建态进入就绪队列，一旦得到CPU资源就脱离创建它的主线程，开始自己的生命周期。


线程的常用方法：
start():线程调用该方法将启动线程，从新建态进入就绪队列，一旦享用CPU资源就可以脱离创建它的线程，独立开始自己的生命周期。

run():Thread类的run()方法与Runnable接口中的run()方法功能和作用相同，都用来定义线程对象被调度后所进行的操作，都是系统自动调用而用户不得引用的方法。run()方法执行完毕，线程就成死亡状态，即线程释放了分配给它的内存(死亡态线程不能再调用 start()方法)。在线程没有结束run()方法前，不能让线程再调用start()方法，否则将发生 IllegalThreadStateException异常。

sleep(int millsecond):有时，优先级高的线程需要优先级低的线程做一些工作来配合它，此时为让优先级高的线程让出CPU资源，使得优先级低的线程有机会运行，可以使用sleep(int millsecond)方法。线程在休眠时被打断，JVM就抛出InterruptedException异常。因此，必须在try-catch语句块中调用sleep方法。

isAlive():当线程调用start()方法并占有CPU资源后该线程的run()方法开始运行，在run()方法没有结束之前调用isAlive()返回true，当线程处于新建态或死亡态时调用isAlive()返回false。
注意：一个已经运行的线程在没有进入死亡态时，不要再给它分配实体，由于线程只能引用最后分配的实体，先前的实体就成为了"垃圾"，并且不能被垃圾回收机制收集。

currentThread():是Thread类的类方法，可以用类名调用，返回当前正在使用CPU资源的线程。

interrupt():当线程调用sleep()方法处于休眠状态，一个占有CPU资源的线程可以让休眠的线程调用interrupt()方法"吵醒"自己，即导致线程发生IllegalThreadStateException异常，从而结束休眠，重新排队等待CPU资源。


GUI线程：JVM在运行包含图形界面应用程序时，会自动启动更多线程，其中有两个重要的线程：AWT-EventQueue和AWT-Windows。AWT-EventQueue线程负责处理GUI事件，AWT-Windows线程负责将窗体或组件绘制到桌面。


线程同步：(用synchronized修饰某个方法，该方法修改需要同步的变量；或用volatile修饰基本变量)
当两个或多个线程同时访问一个变量，并且一个线程需要修改这个变量时，应对这样的问题进行处理，否则可能发生混乱。

要处理线程同步，可以把修改数据的方法用关键字synchronized修饰。一个方法使用synchronized修饰，当一个线程A使用这个方法时，其他线程想使用该方法时就必须等待，直到线程A使用完该方法。所谓同步就是多个线程都需要使用一个synchronized修饰的方法。

volatile 比同步简单，只适合于控制对基本变量(整数、布尔变量等)的单个实例的访问。java中的volatile关键字与C++中一样，用volatile修饰的变量在读写操作时不会进行优化(取cache里的值以提高io速度)，而是直接对主存进行操作，这表示所有线程在任何时候看到的volatile变量值都相同。


在同步方法中使用wait()、notify()、notifyAll()方法：
当一个线程使用的同步方法中用到某个变量，而此变量又需要其他线程修改后才能符合本线程需要，那么可以在同步方法中使用wait()方法。中断方法的执行，使本线程等待，暂时让出CPU资源，并允许其他线程使用这个同步方法。其他线程如果在使用这个同步方法时不需要等待，那么它使用完这个同步方法时应当用notifyAll()方法通知所有由于使用这个同步方法而处于等待的线程结束等待。曾中断的线程就会从中断处继续执行，并遵循"先中断先继续"的原则。如果用的notify()方法，那么只是通知等待中的线程中某一个结束等待。


计时器线程Timer：(Timer还有很多高级操作，详细见JDK，这里做个概述)
java.swing.Timer类用于周期性地执行某些操作。有两个常用构造函数
public Timer(int delay, ActionListener listener)：参数listener是计时器的监视器，计时器发生振铃的事件是ActionEvent类型事件，当振铃事件发生，监视器会监视到这个事件并回调ActionListener接口中的actionPerformed(ActionEvent e)方法。

public Timer(int delay)：使用该构造方法，计时器要再调用addActionListener(ActionListener listener)方法获得监视器。

如果想让计时器只震动一次，可以让计时器调用setRepeats(boolean b)方法，参数b取false即可。
计时器还可以调用setInitialDelay(int delay)方法设置首次振铃的延时，如果没有设置首次振铃默认延时为构造函数中的参数delay。
还可以调用getDelay()和setDelay(int delay)获取和设置延时。
计时器创建后调用start()启动，调用stop()停止，即挂起，调用restart()重新启动计时器，即恢复线程。


线程联合：
一个线程A在占有CPU资源期间，可以让其他线程调用join()方法和本线程联合，如：
  B.join();
此时称A在运行期间联合了B。这时A线程立刻终端执行，一直等到它联合的线程B执行完毕，A线程再重新排队等待CPU资源。但如果A准备联合的线程B已经结束，则B.join()不会产生任何效果。


守护线程：
线程默认是非守护线程，非守护线程也称用户线程，一个线程调用setDaemon(boolean on)方法可以将自己设置成一个守护(Daemon)线程，如：
  thread.setDaemon(true);
一个线程必须在自己运行之前设置自己是否是守护线程。守护线程是当程序中所有用户线程都已结束运行时即使守护线程的run()方法还有需要执行的语句，守护线程也会立刻结束运行。因此守护线程用于做一些不是很严格的工作，当线程随时结束时不会产生什么不良后果。