Java高级-多线程机制详解

一、程序、进程与线程

要理解线程首先需要了解一些基本的东西，我们现在所使用的大多数操作系统都属于多任务，分时操作系统。正是由于这种操作系统的出现才有了多线程这个概念。我们使用的windows,linux就属于此列。什么是分时操作系统呢，通俗一点与就是可以同一时间执行多个程序的操作系统，在自己的电脑上面，你是不是一边听歌，一边聊天还一边看网页呢？但实际上，并不上cpu在同时执行这些程序，cpu只是将时间切割为时间片，然后将时间片分配给这些程序，获得时间片的程序开始执行，不等执行完毕，下个程序又获得时间片开始执行，这样多个程序轮流执行一段时间，由于现在cpu的高速计算能力，给人的感觉就像是多个程序在同时执行一样。

一般可以在同一时间内执行多个程序的操作系统都有进程的概念.一个进程就是一个执行中的程序,而每一个进程都有自己独立的一块内存空间,一组系统资源.在进程概念中,每一个进程的内部数据和状态都是完全独立的.因此可以想像创建并执行一个进程的系统开销是比较大的，所以线程出现了。在java中，程序通过流控制来执行程序流,程序中单个顺序的流控制称为线程,多线程则指的是在单个程序中可以同时运行多个不同的线程,执行不同的任务.多线程意味着一个程序的多行语句可以看上去几乎在同一时间内同时运行（你可以将前面一句话的程序换成进程，进程是程序的一次执行过程,是系统运行程序的基本单位）。

线程与进程相似,是一段完成某个特定功能的代码,是程序中单个顺序的流控制;但与进程不同的是,同类的多个线程是共享一块内存空间和一组系统资源,而线程本身的数据通常只有微处理器的寄存器数据,以及一个供程序执行时使用的堆栈.所以系统在产生一个线程,或者在各个线程之间切换时,负担要比进程小的多,正因如此,线程也被称为轻负荷进程(light-weight process).一个进程中可以包含多个线程.

多任务是指在一个系统中可以同时运行多个程序,即有多个独立运行的任务,每个任务对应一个进程，同进程一样,一个线程也有从创建,运行到消亡的过程,称为线程的生命周期.用线程的状态(state)表明线程处在生命周期的哪个阶段.线程有创建,可运行,运行中,阻塞,死亡五中状态.通过线程的控制与调度可使线程在这几种状态间转化每个程序至少自动拥有一个线程,称为主线程.当程序加载到内存时,启动主线程.

大体概括来说，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)。

二、线程的运行机制

Java中多线程就是一个类或一个程序执行或管理多个线程执行任务的能力，每个线程可以独立于其他线程而独立运行，当然也可以和其他线程协同运行，一个类控制着它的所有线程，可以决定哪个线程得到优先级，哪个线程可以访问其他类的资源，哪个线程开始执行，哪个保持休眠状态。

下面是线程的机制图：

线程的状态表示线程正在进行的活动以及在此时间段内所能完成的任务.线程有创建,可运行,运行中,阻塞,死亡五中状态.一个具有生命的线程,总是处于这五种状态之一：
1. 创建状态

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. 可运行状态

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。

3. 运行中状态

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)。

4. 阻塞状态

(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。

5. 死亡状态

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。

三、线程调度模型与优先级

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。

同一时刻如果有多个线程处于可运行状态,则他们需要排队等待CPU资源.此时每个线程自动获得一个线程的优先级(priority),优先级的高低反映线程的重要或紧急程度.可运行状态的线程按优先级排队,线程调度依据优先级基础上的"先到先服务"原则.线程调度管理器负责线程排队和CPU在线程间的分配,并由线程调度算法进行调度.当线程调度管理器选种某个线程时,该线程获得CPU资源而进入运行状态.

线程调度是先占式调度,即如果在当前线程执行过程中一个更高优先级的线程进入可运行状态,则这个线程立即被调度执行.先占式调度分为:独占式和分时方式。
1. 独占方式下,当前执行线程将一直执行下去,直到执行完毕或由于某种原因主动放弃CPU,或CPU被一个更高优先级的线程抢占。
2. 分时方式下,当前运行线程获得一个时间片,时间到时,即使没有执行完也要让出CPU,进入可运行状态,等待下一个时间片的调度.系统选中其他可运行状态的线程执行。分时方式的系统使每个线程工作若干步,实现多线程同时运行。

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。

另外请注意下面的线程同步规则（如果有不理解，不急，往下看）：

① 如果两个或是两个以上的线程都修改一个对象，那么把执行修改的方法定义为被同步的（Synchronized）,如果对象更新影响到只读方法，那么只读方法也应该定义为同步的。
② 如果一个线程必须等待一个对象状态发生变化，那么它应该在对象内部等待，而不是在外部等待，它可以调用一个被同步的方法，并让这个方法调用wait()。
③ 每当一个方法改变某个对象的状态的时候，它应该调用notifyAll()方法，这给等待队列的线程提供机会来看一看执行环境是否已发生改变。
④ 记住wait(),notify(),notifyAll()方法属于Object类，而不是Thread类，仔细检查看是否每次执行wait()方法都有相应的notify()或notifyAll()方法，且它们作用与相同的对象在java中每个类都有一个主线程，要执行一个程序，那么这个类当中一定要有main方法，这个man方法也就是java class中的主线程。

四、Java多线程实现方式

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。

五、Java线程同步

1. 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。

(1) 当两个并发线程访问同一个对象object中的这个synchronized(this)同步代码块时，一个时间内只能有一个线程得到执行。另一个线程必须等待当前线程执行完这个代码块以后才能执行该代码块。
(2) 当一个线程访问object的一个synchronized(this)同步代码块时，另一个线程仍然可以访问该object中的非synchronized(this)同步代码块。
(3) 当一个线程访问object的一个synchronized(this)同步代码块时，其他线程对object中所有其它synchronized(this)同步代码块的访问将被阻塞。
(4) 当一个线程访问object的一个synchronized(this)同步代码块时，它就获得了这个object的对象锁。结果，其它线程对该object对象所有同步代码部分的访问都被暂时阻塞。

2. 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。

3. 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。

 

六、其他

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。典型的守护线程例子是JVM中的系统资源自动回收线程，它始终在低级别的状态中运行，用于实时监控和管理系统中的可回收资源。