多线程知识点

 

1. 多线程基本概念

　　1) 概念：多线程简单来说是一个程序具备同时执行多个功能的能力。在多线程中，这些功能被称为线程，每个线程都有自己的执行路径，它们可以并行（xíng）运行，同时共享程序的资源与内存。

　　　而在传统的单线程程序中，代码会顺序执行，一个任务完成后才会开始下一个任务。

　　　多线程的优势在于可以提高程序的效率和响应能力，尤其在处理一些并发性任务时特别有用。

 

　　2) 进程与线程

　　　进程（Process）：进程是计算机中正在运行的一个程序实例。它包含了程序的代码、数据和程序执行时所需要的系统资源，如内存、文件句柄等。

　　　　　　　　　　　  每个进程都有自己独立的内存空间，一个进程无法直接访问另一个进程的内存，除非通过特殊的机制（如进程间通信）。

　　　　　　　　　　　  进程之间是相互独立的，一个进程的崩溃通常不会影响其他进程。

　　　　　　简单可以理解为进程即为计算机的一个程序，当此程序运行时，不可以运行相同的程序。

　　　线程（Thread）：线程是进程中的一个执行单元，是程序执行的最小单位。一个进程中可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源。

　　   总的来说一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源，但每个线程有自己独立的执行路径。在多线程编程中，线程之间需要进行同步和协作，以确保数据的一致性和正确性。

 

　　3) 并行与串行

　　并行（Parallel）：并行执行是同时执行多个任务。多个任务可以同时进行，互不干扰。加快任务的执行速度。（异步操作）

　　　　　　　　　　并行执行可以显著提高程序的性能和效率，尤其是在处理大规模数据或需要大量计算的任务时。 

　　串行（Serial）：串行执行是按顺序一个接一个地执行任务。每个任务按照指定的顺序执行，前一个任务的完成通常是下一个任务的开始条件。（同步操作）

 

　　3) CPU时间片　　

　　　CPU时间片是操作系统中的一个概念，用于描述操作系统将CPU时间分配给各个正在运行的进程或线程的机制。简单来说，CPU时间片就是操作系统给每个进程或线程分配的一段时间，在这段时间内，该进程或线程可以使用CPU执行其任务。

　　　使用CPU时间片，操作系统可以实现多任务并发执行，即使在单个CPU上也可以同时运行多个进程或线程。这种方式可以提高系统的响应速度和效率，使得多个任务能够共享系统资源，但也可能导致一些调度开销。

• • 当一个进程或线程获得CPU时间片时，它就可以在CPU上执行一段时间。
  • 当这段时间结束时，操作系统会将CPU时间片分配给下一个就绪状态的进程或线程，这样就实现了进程或线程之间的切换。
  • CPU时间片的大小通常是固定的，但也可以根据系统的调度算法和策略进行调整。

　　4) 计算密集型 与 IO密集型

　　　计算密集型（CPU-bound）：长时间占用CPU。需要大量的CPU计算资源。如：视频剪辑、加密算法。

　　　IO密集型（IO-bound）：CPU计算时间短、访问外加设备时间长input、output。

　　

　　5) 上下文切换　　

　　　　上下文切换，发生在多任务环境下，用于实现多个任务之间的切换和调度。当一个任务被暂停执行并切换到另一个任务时，操作系统需要保存当前任务的执行环境（称为上下文），并加载新任务的执行环境，使得新任务可以继续执行。这个过程称为上下文切换。

　　　　发生情况：

• • 当一个任务的时间片用尽，需要切换到另一个任务时。
  • 当一个任务被阻塞（例如等待IO操作完成）时，需要切换到另一个任务。
  • 当一个任务被中断处理程序中断时，需要切换到中断处理程序。
  • 当一个任务主动放弃CPU执行权时，例如通过系统调用yield()。

 

2. 创建方式

　　1) 继承 Thread() 类创建线程

　　通过继承 Thread()类，重写Thread()的 run()方法，创建该类的实例，并调用start()方法，启动新线程。

 

　　2) 实现runnable() 接口创建线程

• • 创建一个实现了Runnable接口的类。
  • 实现Runnable接口的run()方法，该方法包含了线程需要执行的任务代码。
  • 创建Thread类的实例，将实现了Runnable接口的类的实例作为参数传递给Thread的构造函数。
  • 调用Thread实例的start()方法，启动新线程。

 

　　3) 使用Callable接口和Future接口来创建线程

　　可以返回一个结果，而且可以抛出一个受检查的异常。Future接口可以用来获取Callable线程的执行结果。

 

　　4) 线程池，例如用Executor框架

　　使用线程池可以更有效地管理线程的生命周期和资源，而Executor框架是Java中用于管理线程池的一个重要工具。

 

　　5) 使用匿名内部类  或 Lambda表达式

 

　　Thread 和 Runnable的区别

• Thread类是Java中表示线程的一个类，它直接继承自Object类，并实现了Runnable接口。
• Runnable接口是一个功能接口，只包含了一个抽象方法run()，用于定义线程要执行的任务。
• 使用Runnable接口创建线程可以避免单继承的限制，因为一个类可以同时实现多个接口。
• 实现资源共享，适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。

 

3. 线程池

　　1) 概念

　　　线程池的主要作用是线程复用、线程资源管理、控制操作系统的最大并发数，能够有效地管理线程的生命周期和资源，以保证系统高效（通过线程资源复用实现）且安全（通过控制最大线程并发数实现）地运行。

 

　　3) 线程状态

1. 新建（NEW）：线程对象已经被创建，但是尚未调用start()方法，因此线程处于NEW状态。

2. 就绪（Runnable）：线程对象已经被创建并调用了start()方法，线程进入了就绪状态，等待获取CPU时间片以执行。

3. 运行（Running）：当线程获取到CPU时间片并开始执行时，线程处于运行状态。

4. 阻塞（Blocked）：线程因为某些原因被挂起，暂时无法继续执行，例如等待获取锁、等待IO操作完成等情况。在这种情况下，线程处于阻塞状态。

5. 死亡（Terminated）：线程的run()方法执行完毕或者调用了interrupt()方法中断自己时，线程处于死亡状态。在这种情况下，线程不再运行。

　　注意：就绪状态和运行状态的区别在于，就绪状态表示线程已经准备好获取CPU时间片执行任务，而运行状态表示线程正在执行任务。

 

4. 线程基本方法

　　1) 线程等待（Wait）：wait()方法使当前线程进入等待状态，并释放对象的锁，直到其他线程调用notify()或notifyAll()方法来唤醒它。

　　2) 线程睡眠（Sleep）：sleep()方法使当前线程暂停执行指定的时间，进入睡眠状态，在指定时间结束后，线程重新进入就绪状态。

　　3) 线程让步（Yield）：yield()方法使当前线程让出CPU执行权，让其他具有相同优先级的线程有机会执行，但是让出的时间是不确定的。

　　4) 线程中断（Interrupt）：interrupt()方法用于中断线程的执行，当调用该方法时，线程会收到一个中断信号，可以在合适的地方进行处理。

　　这些方法在多线程编程中经常用到，可以实现线程的等待、睡眠、让步和中断等操作，从而实现线程间的协作和控制。

 

5. 线程安全问题

　　线程安全是指在多线程环境下，对共享资源的访问不会导致数据的不一致或不正确的情况。在多线程编程中，线程安全是一个重要的概念，因为多个线程可能同时访问共享的数据，如果不加以合适的保护和同步控制，就会出现线程安全问题，导致程序运行出现不确定的结果或者错误。

　　可以简单理解为，在多线程环境中，如果多个线程同时访问同一个方法或者共享的数据，并且这个方法或数据没有被适当地保护或同步控制，就可能导致数据的不一致或不正确。

 

　　解决：

• 使用锁机制（如synchronized关键字或Lock接口）来保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。
• 使用线程安全的数据结构，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等，它们内部已经实现了同步控制。
• 使用volatile关键字确保共享变量的可见性。
• 避免使用不可重入锁或者不可中断锁，以减少死锁的可能性。