Java多线程系列---“基础篇”01之 基本概念

多线程是Java中不可避免的一个重要主体。从本章开始，我们将展开对多线程的学习。接下来的内容，是对“JDK中新增JUC包”之前的Java多线程内容的讲解，涉及到的内容包括，Object类中的wait(), notify()等接口；Thread类中的接口；synchronized关键字。

注：JUC包是指，Java.util.concurrent包，它是由Java大师Doug Lea完成并在JDK1.5版本添加到Java中的。

在进入后面章节的学习之前，先对了解一些多线程的相关概念。
线程状态图

说明：
线程共包括以下5种状态。
1. 新建状态(New)         : 线程对象被创建后，就进入了新建状态。例如，Thread thread = new Thread()。
2. 就绪状态(Runnable): 也被称为“可执行状态”。线程对象被创建后，其它线程调用了该对象的start()方法，从而来启动该线程。例如，thread.start()。处于就绪状态的线程，随时可能被CPU调度执行。
3. 运行状态(Running) : 线程获取CPU权限进行执行。需要注意的是，线程只能从就绪状态进入到运行状态。
4. 阻塞状态(Blocked)  : 阻塞状态是线程因为某种原因放弃CPU使用权，暂时停止运行。直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。阻塞的情况分三种：
    (01) 等待阻塞 -- 通过调用线程的wait()方法，让线程等待某工作的完成。
    (02) 同步阻塞 -- 线程在获取synchronized同步锁失败(因为锁被其它线程所占用)，它会进入同步阻塞状态。
    (03) 其他阻塞 -- 通过调用线程的sleep()或join()或发出了I/O请求时，线程会进入到阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时，线程重新转入就绪状态。
5. 死亡状态(Dead)    : 线程执行完了或者因异常退出了run()方法，该线程结束生命周期。

 

这5种状态涉及到的内容包括Object类, Thread和synchronized关键字。这些内容我们会在后面的章节中逐个进行学习。
Object类，定义了wait(), notify(), notifyAll()等休眠/唤醒函数。
Thread类，定义了一些列的线程操作函数。例如，sleep()休眠函数, interrupt()中断函数, getName()获取线程名称等。
synchronized，是关键字；它区分为synchronized代码块和synchronized方法。synchronized的作用是让线程获取对象的同步锁。
在后面详细介绍wait(),notify()等方法时，我们会分析为什么“wait(), notify()等方法要定义在Object类，而不是Thread类中”。

 

补充：

1.进程：指的是一次程序的完整运行。在这个运行的过程中，内存、处理器、IO等资源操作都要为这个进程服务。

2.线程：线程是在进程的基础上划分了多个线程。一个进程可以包含多个线程。线程是比进程更快的处理单元，而且所占的资源也少。线程的存在离不开进程。进程消失了，线程一定会消失。

 

线程的优点及成本（来自：https://home.cnblogs.com/u/swiftma）

优点

为什么要创建单独的执行流？或者说线程有什么优点呢？至少有以下几点：

• 充分利用多CPU的计算能力，单线程只能利用一个CPU，使用多线程可以利用多CPU的计算能力。
• 充分利用硬件资源，CPU和硬盘、网络是可以同时工作的，一个线程在等待网络IO的同时，另一个线程完全可以利用CPU，对于多个独立的网络请求，完全可以使用多个线程同时请求。
• 在用户界面(GUI)应用程序中，保持程序的响应性，界面和后台任务通常是不同的线程，否则，如果所有事情都是一个线程来执行，当执行一个很慢的任务时，整个界面将停止响应，也无法取消该任务。
• 简化建模及IO处理，比如，在服务器应用程序中，对每个用户请求使用一个单独的线程进行处理，相比使用一个线程，处理来自各种用户的各种请求，以及各种网络和文件IO事件，建模和编写程序要容易的多。

成本

关于线程，我们需要知道，它是有成本的。创建线程需要消耗操作系统的资源，操作系统会为每个线程创建必要的数据结构、栈、程序计数器等，创建也需要一定的时间。

此外，线程调度和切换也是有成本的，当有当量可运行线程的时候，操作系统会忙于调度，为一个线程分配一段时间，执行完后，再让另一个线程执行，一个线程被切换出去后，操作系统需要保存它的当前上下文状态到内存，上下文状态包括当前CPU寄存器的值、程序计数器的值等，而一个线程被切换回来后，操作系统需要恢复它原来的上下文状态，整个过程被称为上下文切换，这个切换不仅耗时，而且使CPU中的很多缓存失效，是有成本的。

当然，这些成本是相对而言的，如果线程中实际执行的事情比较多，这些成本是可以接受的，但如果只是执行本节示例中的counter++，那相对成本就太高了。

另外，如果执行的任务都是CPU密集型的，即主要消耗的都是CPU，那创建超过CPU数量的线程就是没有必要的，并不会加快程序的执行。

 

上下文切换

即使是单核处理器也支持多线程执行代码，CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现 这个机制。时间片是CPU分配给各个线程的时间，因为时间片非常短，所以CPU通过不停地切 换线程执行，让我们感觉多个线程是同时执行的，时间片一般是几十毫秒（ms）。

CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后会切换到下一个
任务。但是，在切换前会保存上一个任务的状态，以便下次切换回这个任务时，可以再加载这
个任务的状态。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

这就像我们同时读两本书，当我们在读一本英文的技术书时，发现某个单词不认识，于是
便打开中英文字典，但是在放下英文技术书之前，大脑必须先记住这本书读到了多少页的第
多少行，等查完单词之后，能够继续读这本书。这样的切换是会影响读书效率的，同样上下文
切换也会影响多线程的执行速度。

多线程一定快吗

当并发执行累加操作不超过百万次时，速度会比串行执行累加操作要
慢。那么，为什么并发执行的速度会比串行慢呢？这是因为线程有创建和上下文切换的开销。

如何减少上下文切换

减少上下文切换的方法有无锁并发编程、CAS算法、使用最少线程和使用协程。
·无锁并发编程：多线程竞争锁时，会引起上下文切换，所以多线程处理数据时，可以用一 些办法来避免使用锁，如将数据的ID按照Hash算法取模分段，不同的线程处理不同段的数据。
·CAS算法：Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁。
·使用最少线程：避免创建不需要的线程，比如任务很少，但是创建了很多线程来处理，这
样会造成大量线程都处于等待状态。
·协程：在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务间的切换。

Java并发机制的底层实现原理

Java代码在编译后会变成Java字节码，字节码被类加载器加载到JVM里，JVM执行字节 码，最终需要转化为汇编指令在CPU上执行，Java中所使用的并发机制依赖于JVM的实现和 CPU的指令。

 

参考文献：

http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3479024.html 

《Java并发编程的艺术》