java并发编程——多线程

本章主要介绍java中多线程并发编程基础知识，包括的内容有： 

• 进程，线程，协程的区别
• 多线程的实现方式
• 线程中断和优先级
• 线程状态的切换

一、进程、线程和协程

1.1 进程、线程和协程

进程是资源分配的最小单位，操作系统会以进程为单位，分配系统资源（CPU时间片、内存等资源）。进程拥有自己独立的堆和栈，既不共享堆，也不共享栈。

线程是CPU调度的最小单位，线程有自己的堆栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，共享堆不共享栈。

协程是一种比线程更加轻量级的存在，协程不是被操作系统内核所管理，而完全是由程序所控制（也就是在用户态执行）。这样带来的好处就是性能得到了很大的提升，不会像线程切换那样消耗资源。

【区别】

• 调度性：进程是操作系统资源分配的单位，线程作为调度和分配的基本单位。
• 并发性：进程可以并发进行，同一个进程内的线程也可以并发进行；
• 资源分配：进程是拥有资源的一个独立单位，线程不拥有系统资源，但可以访问隶属于进程的资源。
• 系统开销：进程的创建和销毁，涉及到操作系统资源的分配和回收，系统开销要大于线程。
• 健壮性：进程之间相对独立，一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产生影响。线程是一个进程中的不同执行路径，一个线程死掉就等于整个进程死掉，所以多进程的程序要比多线程的程序健壮。

【联系】

• 一个线程只能属于一个进程，一个进程至少拥有一个线程
• 资源分配给进程，同一进程内的线程共享该进程的所有资源
• 处理机分配给线程，CPU调度是分配给线程的

与多线程相比，协程具有的优势特点是：

• 线程是用户程序控制的，协程切换没有线程切换的开销，和多线程相比，线程数量越多，协程的性能优势越明显。
• 协程中控制共享资源不需要加锁，也不存在同时写变量的冲突，执行效率比线程要高。

1.2 并行和并发：

并行是时间上各不影响的同时执行，而并发在时间上是相互应用时间片段，宏观上看是并行的。

1.3 阻塞和非阻塞：

形容多线程之间的相互影响，当一个线程独占临街资源时，其他线程需要等待，导致线程挂起，这就是阻塞。

1.4 临界区：

表示一种公共资源，可以被多个线程使用，但是每次只允许一个线程独占。

1.5 死锁、活锁

死锁：指两个或多个线程在执行的过程中，由于资源相互竞争造成阻塞的现象。若无相关操作，他们将被无限期阻塞下去。死锁是一个静态问题，进程会被卡死，但是不会占用cpu。

活锁：是一个动态过程，比如：线程A、B都需要临界资源a和临界资源b,线程A占用a，需要b，线程B占用b,需要a，放弃了资源以后，A又获得了b资源，B又获得了a资源，如此反复，则发生了活锁。

1.6 饥饿：

指某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。

二、多线程的实现方式

创建多线程，可以通过以下几种方式：

• 继承Thread，重写run方法
• 实现runnable接口，重写run方法
• 实现callable接口，重写run方法，并把任务提交给线程池
• 继承FutureTask,FutureTask提供Callable和Runnable接口的构造函数，
• 通过ForkJoin框架并行执行任务，其内部的ForkJoinTask继承Future接口。

三、线程的中断和优先级

3.1 线程的优先级

java 中线程默认的优先级有10级，MAX_PRIORITY和MIN_PRIORITY分别是最高级10和最低级1,当然还有默认级别是5；线程优先级的一些特性:

• 线程优先级的继承特性:也就是如果线程A启动线程B,那么线程A和B的优先级是一样的;
• 线程优先级的规则性:即线程会优先级的大小顺序执行,但不一定是优先级较大的先执行完,因为线程的优先级还有下面第三个特性:
• 线程优先级的随机特性;

可以通过Thread.setPriority(level)来实现对线程优先级的控制。

java 中有两种线程：用户线程和守护线程，可以通过isDaemon()方法来区别它们：如果返回false，则说明该线程是“用户线程”；否则就是“守护线程”。

当Java虚拟机启动时，通常有一个单一的非守护线程（该线程通过是通过main()方法启动）。JVM会一直运行直到下面的任意一个条件发生，JVM就会终止运行：
(01) 调用了exit()方法，并且exit()有权限被正常执行。
(02) 所有的“非守护线程”都死了(即JVM中仅仅只有“守护线程”)。

每一个线程都被标记为“守护线程”或“用户线程”。当只有守护线程运行时，JVM会自动退出。

3.2 线程的中断

线程中断：中断是一种协作机制，调用线程的interrupt方法不一定会中断正在运行的线程，它会要求线程在合适的时机结束自己。每个线程都会有一个boolean的中断状态，interrupt方法只是将状态设置为true，对于非阻塞的线程，只是状态进行了改变，并不一定会立即停止。如果线程上使用了Thread.sleep(), Object.wait(), Thread.join()，这个线程收到中断信号后, 会抛出InterruptedException, 同时会把中断状态置回为false。

Thread.stop()：会释放掉所有的监管monitor，无论线程执行到哪里，都会立即停止线程，不推荐使用。

wait和notify区别

共同点： 
1）都是在多线程的环境下，都可以在程序的调用处阻塞指定的毫秒数，并返回。 
2）wait()和sleep()都可以通过interrupt()方法 打断线程的暂停状态 ，从而使线程立刻抛出InterruptedException。 

不同点：

1）sleep和yield方法都是Thread类方法，wait和notify，notifyAll都是object的方法；

2）sleep睡眠时，保持对象锁，仍然占有该锁；而wait睡眠时，释放对象锁。

3）sleep可以在任何地方使用，并且需要捕获编译异常；wait和notify，notifyAll需要在同步块中使用。

四、线程的基本状态

1）新建状态：被new()出来

2）runnable状态：线程start

3）running状态：线程获得时间片，正执行

4）等待状态：线程被wait，释放掉锁的状态

5）等锁状态：线程被notify后，进入等锁池

6）阻塞状态：线程sleep，join或者Io阻塞

7）dead：线程执行完

线程之间的扭转关系可有：

五、多线程中的happen-before

Java语言中有一个“先行发生”（happen—before）的规则，它是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系。Java内存模型中的八条可保证happen—before的规则，它们无需任何同步器协助就已经存在。

• 程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性
• volatile规则：volatile变量的写，先发生于读，这保证了volatile变量的可见性
• 锁规则：解锁（unlock）必然发生在随后的加锁（lock）前
• 传递性：A先于B，B先于C，那么A必然先于C
• 线程的start()方法先于它的每一个动作
• 线程的所有操作先于线程的终结（Thread.join()）
• 线程的中断（interrupt()）先于被中断线程的代码
• 对象的构造函数执行结束先于finalize()方法

public class HappenBeforeTest extends Thread {
    private boolean flag;

    @Override
    public void run(){
        while(!flag){
            System.out.println("thread run");
        }
        System.out.println("thread stop");

    }

    public boolean getStop(){
        flag = true;
        return flag;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        HappenBeforeTest test = new HappenBeforeTest();
        test.start();
        Thread.sleep(1000);
        test.getStop();
        Thread.sleep(1000);
    }
}

这个程序在client模式下能够正常的打印thread run和thread stop。但是在Server模式下可能将是无限循环。因为虽然getStop函数设定了结束标识，但是线程不一定能取到值，甚至会运行抛出异常。

参考文献：进程、线程和协程之间的区别和联系_~青萍之末~的博客-CSDN博客_进程线程协程

参考文献：http://www.cnblogs.com/GarfieldEr007/p/5746362.html