编程体系结构(05)：Java多线程并发

一、多线程导图

二、多线程基础

1、基础概念

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。

2、创建方式

继承Thread类、实现Runnable接口、基于Callable和Future接口、Timer是后台线程、线程池。

3、线程状态

状态描述：初始状态、运行状态、阻塞状态、等待状态、超时等待状态、终止状态。

4、执行机制

JVM中一个应用是可以有多个线程并行执行，线程被一对一映射为服务所在操作系统线程，调度在可用的CPU上执行，启动时会创建一个操作系统线程；当该线程终止时，这个操作系统线程也会被回收。

5、内存模型

在虚拟机启动运行时，会创建多个线程，数据区中有的模块是线程共享的，有的是线程私有的：

线程共享：元数据区、堆Heap；

线程私有：虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器；

单个CPU在特定时刻只能执行一个线程，所以多线程通过几块空间的使用，然后不断的争抢CPU的执行时间段。

三、常见概念

1、线程优先级

线程调度器倾向执行线程优先级高的线程，线程优先级高说明获取CPU资源的概率高，或者获取的执行时间分片多，被执行的概率高但不代表优先级低的一定最后执行。

2、守护线程

守护线程是支持辅助型线程，主要在程序中起到调度和支持性作用，当Jvm中非守护线程全部结束，守护线程也就会结束。

3、线程加入

线程A中，执行线程B的加入方法，那么A线程就会等待线程B执行完毕再返回继续执行。

4、本地线程

ThreadLocal也叫做线程本地变量，为变量在每个线程中的创建副本，每个线程可以访问自己内部的副本变量，线程之间互不相互影响。

四、线程安全

在上图线程与内存空间的占用方式看，在线程访问共享内存块时，保证线程安全就很有必要。

1、同步控制

Synchronized关键字同步控制，可以修饰方法，修饰代码块，修饰静态方法等，同步控制的资源少，可以提高多线程效率。

2、加锁机制

Lock接口：Java并发编程中资源加锁的根接口之一，规定了资源锁使用的几个基础方法。

ReentrantLock类：实现Lock接口的可重入锁，即线程如果获得当前实例的锁，并进入任务方法，在线程没有释放锁的状态下，可以再次进入任务方法，特点：互斥排它性，即同一个时刻只有一个线程进入任务。

Condition接口：描述可能会与锁有关联的条件变量，提供了更强大的功能，例如在线程的等待/通知机制上，Conditon可以实现多路通知和选择性通知。

3、Volatile关键字

volatile修饰成员变量，不能修饰方法，即标识该线程在访问这个变量时需要从共享内存中获取，对该变量的修改，也需要同步刷新到共享内存中，保证了变量对所有线程的可见性。

五、线程通信

线程是个独立的个体，但是在线程执行过程中，如果处理同一个业务逻辑，可能会产生资源争抢，导致并发问题，甚至死锁现象，线程之间协调工作，就需要通信机制来保障。

1、基础方法

相关方法是Java中Object层级的基础方法，任何对象都有该方法：notify()随机通知一个在该对象上等待的线程，使其结束wait状态返回；wait()线程进入waiting等待状态，不会争抢锁对象，也可以设置等待时间；

2、等待/通知机制

等待/通知机制，该模式下指线程A在不满足任务执行的情况下调用对象wait()方法进入等待状态，线程B修改了线程A的执行条件，并调用对象notify()或者notifyAll()方法，线程A收到通知后从wait状态返回，进而执行后续操作。两个线程通过基于对象提供的wait()/notify()/notifyAll()等方法完成等待和通知间交互，提高程序的可伸缩性。

3、管道流通信

管道流主要用于在不同线程间直接传送数据，一个线程发送数据到输出管道，另一个线程从输入管道中读取数据，进而实现不同线程间的通信。

六、线程池

1、Executor接口

Executor系统中，将线程任务提交和任务执行进行了解耦的设计，Executor有各种功能强大的实现类，提供便捷方式来提交任务并且获取任务执行结果，封装了任务执行的过程，不再需要Thread().start()方式，显式创建线程并关联执行任务。

2、核心参数

3、相关API类

线程池任务：核心接口：Runnable、Callable接口和接口实现类；

任务的结果：接口Future和实现类FutureTask；

任务的执行：核心接口Executor和ExecutorService接口。在Executor框架中有两个核心类实现了ExecutorService接口，ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor。

七、常用线程API

1、Fork/Join机制

Fork/Join框架用于并行执行任务，核心的思想就是将一个大任务切分成多个小任务，然后汇总每个小任务的执行结果得到这个大任务的最终结果。核心流程：切分任务，模块任务异步执行，单任务结果合并。

2、容器类

ConcurrentHashMap：使用分段锁机制，把容器中数据分成一段一段的方式存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问，即考虑安全性也顾及执行效率。

ConcurrentLinkedQueue：基于链接节点的无界线程安全队列，按照FIFO先进先出原则对元素进行排序，队列的头部 是队列中时间最长的元素，队列的尾部是队列中时间最短的元素，新的元素添加到队列的尾部，获取元素操作从队列头部得到。

3、原子类

JDK自带原子操作类，处理多个线程同时操作一个变量的情况，其中包括：基本类型、数组类型、引用类型、属性修改类型。

八、应用场景

1、定时任务

通过配置设置一些程序在指定时间点，或者周期时间内规律循环执行，这里任务的执行就是基于多线程技术。

2、异步处理

异步处理就是不按照当前同步代码块程序执行，异步处理与同步处理是对立的，异步的实现也需要多线程或者多进程，提高程序效率。

3、任务分解

分布式数据库中常见操作，数据分布在不同的数据库的副本中，在执行查询时，每个服务都要跑查询任务，最后在一个服务上做数据合并，或者提供一个中间引擎层，用来汇总数据，在大型的定时任务中，经常把要处理的任务按照特定策略分片，多个线程同时处理。

4、连接池技术

创建和管理一个连接的缓冲池的技术，这些连接准备好被任何需要它们的线程使用，减少连接不断创建和释放的问题，提高程序效率。