java 多线程（1）——线程的概念和原理

一、进程和线程的概念

进程：是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有自己独立的一块内存空间，一个进程中可以启动多个线程。

线程：是指进程中的一个执行流程，一个进程中可以运行多个线程。线程总是属于某个进程，进程中的多个线程共享进程的内存。

 

 

二、线程状态

一般来说，线程包括以下这几个状态：

创建(new)、就绪(runnable)、运行(running)、阻塞(blocked、time waiting、waiting)、消亡（dead）。

以下是每个状态的流转过程说明： 

1. 创建到就绪阶段：首先创建一个线程，不会立刻进入就绪状态，而是需要先进行资源分配（内存、CPU等），待资源准备完成之后，就进入线程的就绪状态。

2. 就绪到运行阶段：当线程进入就绪状态之后，不一定会立即被执行，需要等待CPU的执行时间，如果此时CPU正在处理其他任务，需要等到CPU执行完其他任务之后，线程才能进入运行状态。

3. 运行到阻塞阶段，到再次进入就绪阶段：在线程运行过程中，可能由于某种原因导致线程执行不下去了，这时线程就进入阻塞状态。当不再满足阻塞的条件时，线程会再次进入就绪状态。具体分以下几种情况：

3.1. 如果是用户让线程主动等待（调用了wait方法），则线程进入waiting状态，此时如果等待被唤醒（调用了notify方法），线程会再次进入就绪状态；

3.2. 如果是用户让线程主动睡眠（调用了sleep方法），则线程进入time waiting状态，此时如果睡眠时间到了，线程会再次进入就绪状态；

3.3. 如果是线程执行到同步代码块时被其他进程锁住，则线程进入blocked状态，此时如果同步代码块已经执行完毕，线程会再次进入就绪状态。

4. 运行到消亡阶段：如果线程突然被中断（调用了interrupt方法）或者任务执行完毕，线程就会进入消亡状态。

线程的几个状态流转示意图：

 

 

 

三、线程创建

创建线程有两种方式：

1. 继承Thread类，重写它的run()方法；

2. 实现Runnable接口，实现它的run()方法。

两种方式比较：实现Runnable接口相对于扩展Thread类来说，具有无可比拟的优势。这种方式不仅有利于程序的健壮性，使代码能够被多个线程共享，而且代码和数据资源相对独立，从而特别适合多个具有相同代码的线程去处理同一资源的情况。这样一来，线程、代码和数据资源三者有效分离，很好地体现了面向对象程序设计的思想。因此，几乎所有的多线程程序都是通过实现Runnable接口的方式来完成的。

 

 

四、线程启动

启动线程是通过调用Thread类的start方法来实现的。

在调用start()方法之后：发生了一系列复杂的事情：

1. 启动新的执行线程（具有新的调用栈）；

2. 该线程从新状态转移到可运行状态；

3. 当该线程获得机会执行时，其目标run()方法将运行。

 

 

五、线程调度方式一：睡眠

线程休眠的方法是调用Thead的静态方法：Thread.sleep(long millis)和Thread.sleep(long millis, int nanos)，那调用sleep休眠的哪个线程呢？简单说，哪个线程调用sleep，就休眠哪个线程。

 

  

六、线程调度方式二：让步

首先来看线程的优先级相关概念：

1.  线程的优先级：线程总是存在优先级，优先级范围在1~10之间（默认的优先级是5）。JVM线程调度程序是基于优先级的抢先调度机制。在大多数情况下，当前运行的线程优先级将大于或等于线程池中任何线程的优先级。但这仅仅是大多数情况。注意：当设计多线程应用程序的时候，一定不要依赖于线程的优先级。因为线程调度优先级操作是没有保障的，只能把线程优先级作用作为一种提高程序效率的方法，但是要保证程序不依赖这种操作。在一个线程中开启另外一个新线程，则新开线程称为该线程的子线程，子线程初始优先级与父线程相同。

 

2.  设置线程的优先级方法：线程默认的优先级是创建它的执行线程的优先级。

可以通过setPriority(int newPriority)更改线程的优先级。例如：

        Thread t = new MyThread();

        t.setPriority(8);

        t.start();

Thread类中有三个常量，定义线程优先级范围：

        static int MAX_PRIORITY  线程可以具有的最高优先级。

        static int MIN_PRIORITY  线程可以具有的最低优先级。

        static int NORM_PRIORITY 分配给线程的默认优先级。

 

3. 线程让步：线程的让步是通过静态方法Thread.yield()来实现的。

yield()方法的作用是：暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。

yield()应该做的是让当前运行线程回到可运行状态，以允许具有相同优先级的其他线程获得运行机会。因此，使用yield()的目的是让相同优先级的线程之间能适当的轮转执行。但是，实际中无法保证yield()达到让步目的，因为让步的线程还有可能被线程调度程序再次选中。

结论：yield()从未导致线程转到等待/睡眠/阻塞状态。在大多数情况下，yield()将导致线程从运行状态转到可运行状态，但有可能没有效果。

 

 

七、线程调度方式三：合并

Thread的非静态方法join()让一个线程B“加入”到另外一个线程A的尾部。在A执行完毕之前，B不能工作。

例如：

        Thread t = new MyThread();

        t.start();

        t.join();

另外，join()方法还有带超时限制的重载版本。例如t.join(5000);则让线程等待5000毫秒，如果超过这个时间，则停止等待，变为可运行状态。

线程的加入join()对线程栈导致的结果是线程栈发生了变化，当然这些变化都是瞬时的。

 

 

八、线程同步

1. 线程同步的目的？

为了防止多个线程访问一个数据对象时，对数据造成的破坏。

 

2. 线程同步的方法？

首先把竞争访问的资源类Foo变量x标识为private；然后使用synchronized关键字同步方法或代码。

 

3. 对象加锁的概念？

加锁：当程序运行到synchronized同步方法或代码块时才该对象锁才起作用。一个对象只有一个锁。所以，如果一个线程获得该锁，就没有其他线程可以获得锁，直到第一个线程释放（或返回）锁。这也意味着任何其他线程都不能进入该对象上的synchronized方法或代码块，直到该锁被释放。

释放锁：指持锁线程退出了synchronized同步方法或代码块。

 

4. 关于锁和同步，有一下几个要点：

1）只能同步方法，而不能同步变量和类；

2）每个对象只有一个锁；当提到同步时，应该清楚在什么上同步？也就是说：在哪个对象上同步？

3）不必同步类中所有的方法，类可以同时拥有同步和非同步方法。

4）如果两个线程要执行一个类中的synchronized方法，并且两个线程使用相同的实例来调用方法，那么一次只能有一个线程能够执行方法，另一个需要等待，直到锁被释放。也就是说：如果一个线程在对象上获得一个锁，就没有任何其他线程可以进入（该对象的）类中的任何一个同步方法。

5）如果线程拥有同步和非同步方法，则非同步方法可以被多个线程自由访问而不受锁的限制。

6）线程睡眠时，它所持的任何锁都不会释放。

7）线程可以获得多个锁。比如，在一个对象的同步方法里面调用另外一个对象的同步方法，则获取了两个对象的同步锁。

8）同步损害并发性，应该尽可能缩小同步范围。同步不但可以同步整个方法，还可以同步方法中一部分代码块。

9）在使用同步代码块时候，应该指定在哪个对象上同步，也就是说要获取哪个对象的锁。

10）注意：在使用synchronized关键字时候，应该尽可能避免在synchronized方法或synchronized块中使用sleep或者yield方法，因为synchronized程序块占有着对象锁，你休息那么其他的线程只能一边等着你醒来执行完了才能执行。不但严重影响效率，也不合逻辑。同样，在同步程序块内调用yeild方法让出CPU资源也没有意义，因为你占用着锁，其他互斥线程还是无法访问同步程序块。当然与同步程序块无关的线程可以获得更多的执行时间。

 

5. 当考虑阻塞时，一定要注意哪个对象正被用于锁定：

 1、调用同一个对象中非静态同步方法的线程将彼此阻塞。如果是不同对象，则每个线程有自己的对象的锁，线程间彼此互不干预。

2、调用同一个类中的静态同步方法的线程将彼此阻塞，它们都是锁定在相同的Class对象上。

3、静态同步方法和非静态同步方法将永远不会彼此阻塞，因为静态方法锁定在Class对象上，非静态方法锁定在该类的对象上。 

4、对于同步代码块，要看清楚什么对象已经用于锁定（synchronized后面括号的内容）。在同一个对象上进行同步的线程将彼此阻塞，在不同对象上锁定的线程将永远不会彼此阻塞。

 

 

 九、线程交互

void notify() ：唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。

void notifyAll()：唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。

void wait()：导致当前的线程等待，直到其他线程调用此对象的 notify()方法或 notifyAll()方法。

当然，wait()还有另外两个重载方法：

         void wait(long timeout)：导致当前的线程等待，直到其他线程调用此对象的 notify()方法或 notifyAll()方法，或者超过指定的时间量。  

         void wait(long timeout, int nanos)：导致当前的线程等待，直到其他线程调用此对象的 notify()方法或 notifyAll()方法，或者其他某个线程中断当前线程，或者已超过某个实际时间量。

 当在对象上调用wait()方法时，执行该代码的线程立即放弃它在对象上的锁。然而调用notify()时，并不意味着这时线程会放弃其锁。如果线程荣然在完成同步代码，则线程在移出之前不会放弃锁。因此，只要调用notify()并不意味着这时该锁变得可用。

 

       综上所述，上图的改进版如下图：