[并发编程] -- 线程篇

线程

• 1. 简介

• 1）定义

• 现代操作系统在运行一个程序时，会为其创建一个进程。例如，启动一个Java程序，操作系统就会创建一个Java进程。现代操作系统调度的最小单元是线程，也叫轻量级进程（LightWeightProcess），在一个进程里可以创建多个线程，这些线程都拥有各自的计数器、堆栈和局部变量等属性，并且能够访问共享的内存变量。处理器在这些线程上快速切换，让使读者感觉到这些线程在同时执行。

• 2） 那么为何要使用多线程

• 更多的处理器核心

• 更快的响应

• 更好的编程模型

• 3）优先级

• 由于是操作系统给线程分配时间片的处理方式。那么便可以通过优先级设置处理的先后，确保处理器不会被独占。

• 4）状态

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• 状态变换图
  

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• 2. 启动与终止

• 1）启动与中断

• 启动：当前线程（即parent线程）同步告知Java虚拟机，只要线程规划器空闲，应立即启动调用start()方法的线程。

• 中断：即是线程的一个标识位属性，通过调用该线程的interrupt()方法对其进行中断操作。也可以调用静态方法Thread.interrupted()对当前线程的中断标识位进行复位，当抛出InterruptedException之前，Java虚拟机会先将该线程的中断标识位清除，即此时调用isInterrupted()方法将会返回false。

• 2）安全地终止线程（优雅）

• 通过设置一个boolean变量控制

   public class Shutdown {
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            Runner one = new Runner();
            Thread countThread = new Thread(one, "CountThread");
            countThread.start();
            // 睡眠1秒，main线程对CountThread进行中断，使CountThread能够感知中断而结束
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            countThread.interrupt();
            Runner two = new Runner();
            countThread = new Thread(two, "CountThread");
            countThread.start();
            // 睡眠1秒，main线程对Runner two进行取消，使CountThread能够感知on为falseer结束
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            two.cancel();
        }

        private static class Runner implements Runnable {
            private long i;
            private volatile boolean on = true;

            @Override
            public void run() {
                while (on && !Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                    i++;
                }
                System.out.println("Count i = " + i);
            }

            public void cancel() {
                on = false;
            }
        }
    }

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• 3. 线程间通信

• 1）volatile和synchronized

• java在多个线程访问一个对象或对象的成员变量，每个线程拥有其拷贝，将其放入各自的缓存中，这样可以加速程序的执行，故线程看到的变量并不一定是最新的。假如需要最新的，此时需要通过volatile通知线程间从共享内存中获取，并刷新回各自的工作内存，即是保证了对所有线程对变量访问的可见性。
• 关键字synchronized可以修饰方法或者以同步块的形式来进行使用，它主要确保多个线程在同一个时刻，只能有一个线程处于方法或者同步块中，它保证了线程对变量访问的可见性和排他性。
  • 同步块的实现使用了monitorenter和monitorexit指令。
  • 同步方法则是依靠方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED来完成的。

本质:对一个对象的监视器（monitor）进行获取，而这个获取过程是排他的，也就是同一时刻只能有一个线程获取到由synchronized所保护对象的监视器。

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• 任意线程对Object（Object由synchronized保护）的访问，首先要获得Object的监视器。如果获取失败，线程进入同步队列，线程状态变为BLOCKED。当访问Object的前驱（获得了锁的线程）释放了锁，则该释放操作唤醒阻塞在同步队列中的线程，使其重新尝试对监视器的获取。

• • 2）等待/通知机制

等待/通知机制，是指一个线程A调用了对象O的wait()方法进入等待状态，而另一个线程B调用了对象O的notify()或者notifyAll()方法，线程A收到通知后从对象O的wait()方法返回，进而执行后续操作。

• 解决两个问题
  • 确保及时性
  • 降低开销
• 方法
  • notify: 通知一个对象上等待的线程，使其从wait方法返回，而返回的前提是线程获取到了对象的锁。
  • notifyAll：通知所有等待在该对象上的线程。
  • wait: 调用该方法的线程进入WAITING状态，只有等待另外线程的通知或被中断才会返回，需要注意，调用wait方法后，会释放对象的锁。
  • wait(long): 超时等待一段时间，这里的参数时间是毫秒，也就是等待长达n毫秒，如果没有通知就超时返回。
  • wait(long,int): 对于超时时间更细粒度的控制，可以达到纳秒。
• 使用注意事项
  • 使用wait()、notify()和notifyAll()时需要先对调用对象加锁。
  • 调用wait()方法后，线程状态由RUNNING变为WAITING，并将当前线程放置到对象的等待队列。
  • notify()或notifyAll()方法调用后，等待线程依旧不会从wait()返回，需要调用notify()或notifAll()的线程释放锁之后，等待线程才有机会从wait()返回。
  • notify()方法将等待队列中的一个等待线程从等待队列中移到同步队列中，而notifyAll()方法则是将等待队列中所有的线程全部移到同步队列，被移动的线程状态由WAITING变为BLOCKED。
  • 从wait()方法返回的前提是获得了调用对象的锁。

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上图中，WaitThread首先获取了对象的锁，然后调用对象的wait()方法，从而放弃了锁并进入了对象的等待队列WaitQueue中，进入等待状态。由于WaitThread释放了对象的锁，NotifyThread随后获取了对象的锁，并调用对象的notify()方法，将WaitThread从WaitQueue移到SynchronizedQueue中，此时WaitThread的状态变为阻塞状态。NotifyThread释放了锁之后，WaitThread再次获取到锁并从wait()方法返回继续执行。

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• 3）Thread.join()

定义：如果一个线程A执行了thread.join()语句,当前线程A等待thread线程终止之后才从thread.join()返回。

• 4）ThreadLocal

• ThreadLocal，即线程变量，是一个以ThreadLocal对象为键、任意对象为值的存储结构。
• ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。
  • 每个Thread对象内部都维护了一个ThreadLocalMap这样一个ThreadLocal的Map，可以存放若干个ThreadLocal。
  • 当我们在调用get()方法的时候，先获取当前线程，然后获取到当前线程的ThreadLocalMap对象，如果非空，那么取出ThreadLocal的value，否则进行初始化，初始化就是将initialValue的值set到ThreadLocal中。
  • 当我们调用set()方法的时候，很常规，就是将值设置进ThreadLocal中。
• 采用ThreadLocal 根本就没有竞争。

内存泄露:
实际上 ThreadLocalMap中使用的key为ThreadLocal的弱引用，弱引用的特点是，如果这个对象只存在弱引用，那么在下一次垃圾回收的时候必然会被清理掉。所以如果ThreadLocal没有被外部强引用的情况下，在垃圾回收的时候会被清理掉的，这样一来ThreadLocalMap中使用这个ThreadLocal的key也会被清理掉。但是，value是强引用，不会被清理，这样一来就会出现key为null的value。ThreadLocalMap实现中已经考虑了这种情况，在调用set()、get()、remove()方法的时候，会清理掉key为null的记录。如果说会出现内存泄漏，那只有在出现了key为null的记录后，没有手动调用remove()方法，并且之后也不再调用get()、set()、remove()方法的情况下。