Java Concurrent之Thread

Sonicery_D

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Java-Concurrent

今天看着看着源码，突然发现Thread的一些概念觉得那么的陌生。。。囧rz....所以特意整理一下以备不时之需。

其实线程也就是我们计算机中正在执行程序(进程)的某个单一顺序的控制流。线程不仅可以共享进程的内存空间，而且也拥有自己的工作内存（即系统分配的线程栈空间）。

对于我们的java程序，总是会有一个默认的主线程，当JVM加载java程序时发现main方法，就会启动一个线程即主线程。如果main方法里没有其他线程，那么main返回时jvm就回结束java程序。但如果main方法中启动了其他新的线程，jvm就会在主线程和这些线程之间进行轮流切换，保证每个线程都有机会使用CPU资源。这时，我们需要注意此时的主线程返回也不会导致java程序结束，jvm会等到该程序的所有线程结束，才会终结我们的程序。（也有例外情况，如果强制调用了Runtime的exit方法，而且安全管理器允许程序退出，则JVM也会终止程序）也即：java中的多线程其实是一种抢占机制(多个线程处于运行状态，但只允许一个线程运行，那么他们之间就会采用谁抢到算谁的的竞争方式抢占CPU)而不是分时机制。

线程的定义：

众所周知，java中定义一个线程既可以继承Thread类亦可实现Runnable接口，具体如何玩，想必也不必我啰嗦。他们之间的区别在于，因为java是单根继承，所以我们一般使用Runnable来定义线程，使用Runnable方式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)

至于Thread的启动时利用了JNI调用操作系统底层的方法。代码为证：

 private native void start0();

线程的生命周期：

在上图中，我们需要注意的是：使用Object.wait()/notify()方法时,这些方法其实都是针对已经获取了对象锁进行的操作，所以从语法的角度，我们必须将Object.wait()/notify()放在synchronized(obj){...}语法块中执行。从功能上来说，wait()方法是对象在获得对象锁后，主动释放对象锁同时阻塞(休眠)当前线程，直到其他线程调用该对象的notify()方法来唤醒该线程，才能继续获取对象锁继续执行。但是有一点需要我们注意的是，notify()方法唤醒线程并不是立即生效，而是在相应的synchronized(){}语法块执行结束，自动释放锁后，JVM在wait()对象锁的线程中随机选取一个赋予对象锁，唤醒线程继续执行。Thread.sleep()和Object.wait()都可以暂停当前线程，释放CPU资源，主要区别在Object.wait()释放CPU资源的同时，释放了对象锁的控制。Sleep()不释放的锁指的是“单线程锁” 而并非是对象锁。

以下代码依然不是同步的：

/**
 * @author Sonicery_D
 * @date 2014年11月13日
 * @version 1.0.0
 * @description
 **/
public class Share {

	public void print(String str){
		System.out.print("["+str);
		try {
			Thread.sleep(1000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
			System.out.print("thread interrupted ...");
		}
		System.out.print("]");
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		Share share = new Share();
		Call call1 = new Call("A",share);
		Call call2 = new Call("B",share);
		Call call3 = new Call("C",share);
		Call call4 = new Call("D",share);
	}
}
class Call implements Runnable{

	private Share share;
	private String str;
	public Call(String str,Share share){
		this.str = str;
		this.share = share;
		Thread thread = new Thread(this);
		thread.start();
	}
	@Override
	public void run() {
		share.print(str);
	}
	
}

我们需要将线程资源加锁：

public synchronized void print(String str){
		System.out.print("["+str);
		try {
			Thread.sleep(1000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
			System.out.print("thread interrupted ...");
		}
		System.out.print("]");
	}

新建状态(new):用new语句创建的线程对象处于新建状态，此时它和其它的java对象一样，仅仅在堆中被分配了内存

就绪状态(runnable):当一个线程创建了以后，其他的线程调用了它的start()方法，该线程就进入了就绪状态。处于这个状态的线程位于可运行池中，等待获得CPU的使用权.一旦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。

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)

运行状态(running): 一旦获取CPU(被JVM选中)，线程就进入运行(running)状态，线程的run()方法才开始被执行；在运行状态的线程执行自己的run()方法中的操作，直到调用其他的方法而终止、或者等待某种资源而阻塞、或者完成任务而死亡；如果在给定的时间片内没有执行结束，就会被系统给换下来回到线程的等待状态；此时线程是活着的（alive）；

阻塞状态(blocked):当线程处于阻塞状态时，java虚拟机不会给线程分配CPU，直到线程重新进入就绪状态，它才有机会转到运行状态。

引起阻塞状态的情况大致如下：

(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。
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。
(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。JVM就会把线程放到这个对象的等待池中，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)、位于对象锁中的阻塞状态，当线程处于运行状态时，试图获得某个对象的同步锁时，如果该对象的同步锁已经被其他的线程占用，JVM就会把这个线程放到这个对象的琐池中。

死亡状态(dead)：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。

有三种方法可以使终止线程。

1. 使用退出标志，使线程正常退出，也就是当run方法完成后线程终止。

2. 使用stop方法强行终止线程（这个方法不推荐使用，因为stop和suspend、resume一样，也可能发生不可预料的结果）。

3. 使用interrupt方法中断线程。

一般来说，当调用start方法后，线程开始执行run方法中的代码。线程进入运行状态。可以通过Thread类的isAlive方法来判断线程是否处于运行状态。当线程处于运行状态时，isAlive返回true，当isAlive返回false时，可能线程处于等待状态，也可能处于停止状态。

在线程执行的过程中，可以通过两个方法使线程暂时停止执行。这两个方法是suspend和sleep。在使用suspend挂起线程后，可以通过resume方法唤醒线程。而使用sleep使线程休眠后，只能在设定的时间后使线程处于就绪状态（在线程休眠结束后，线程不一定会马上执行，只是进入了就绪状态，等待着系统进行调度）。

虽然suspend和resume可以很方便地使线程挂起和唤醒，但由于使用这两个方法可能会造成一些不可预料的事情发生，因此，这两个方法被标识为deprecated(抗议)标记，这表明在以后的jdk版本中这两个方法可能被删除，所以尽量不要使用这两个方法来操作线程。

线程中常用方法总结：

join()：等待此线程死亡后再继续，可使异步线程变为同步线程

也即，线程联合：一个线程A在占有CPU资源期间，可以让其他线程调用join()方法和本线程联合，如：

B.join();

此时称A在运行期间联合了B。这时A线程立刻中断执行，一直等到它联合的线程B执行完毕，A线程再重新排队等待CPU资源。但如果A准备联合的线程B已经结束，则B.join()不会产生任何效果。

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。

interrupt()：Thread.interrupt()对运行的线程是不起作用的，只对阻塞的线程起作用。Thread.interrupt()不会中断一个正在运行的线程，Thread.interrupt()实际完成的是在线程处于阻塞状态时，抛出一个中断信号，这样线程就可以退出阻塞状态，重新排队获取CPU资源。更确切的说，当线程被Object.wait(),Thread.join()和Thread.sleep()三个方法之一阻塞，那么再调用该线程的interrupt()方法时得到的一个中断异常(InterruptedException),从而提早地终结被阻塞状态。

那么当线程处于上述方法阻塞，正确中断线程的方式是设置共享变量，并调用interrupt()方法(注意：变量应该先设置)，如果线程没有被阻塞，调用interrupt将不起作用，否则线程将接受到异常，逃出阻塞状态。

//main 方法中在调用 interrupt()之前 将stop 设置为true

public void run(){

    while(!stop){
         try{
            //执行业务逻辑
         }catch(InterruptedException e){
              stop = true;
             logger.info("线程被Interrupt，退出");
         }
     }

}

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。

sleep()：让当前正在执行的线程休眠，有一个用法可以代替yield函数——sleep(0)

yield()：暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。也就是交出CPU一段时间

sleep和yield区别：

1、sleep()方法会给其他线程运行的机会，而不考虑其他线程的优先级，因此会给较低线程一个运行的机会；yield()方法只会给相同优先级或者更高优先级的线程一个运行的机会。

2、当线程执行了sleep(long millis)方法后，将转到阻塞状态，参数millis指定睡眠时间；当线程执行了yield()方法后，将转到就绪状态。

3、sleep()方法声明抛出InterruptedException异常，而yield()方法没有声明抛出任何异常

4、sleep()方法比yield()方法具有更好的移植性

如果希望明确地让一个线程给另外一个线程运行的机会，可以采取以下的办法之一：

1、调整各个线程的优先级

2、让处于运行状态的线程调用Thread.sleep()方法

3、让处于运行状态的线程调用Thread.yield()方法

4、让处于运行状态的线程调用另一个线程的join()方法

首先，wait()和notify(),notifyAll()是Object类的方法，sleep()和yield()是Thread类的方法。

(1).常用的wait方法有wait()和wait(long timeout):

void wait() 在其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法前，导致当前线程等待。

void wait(long timeout) 在其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法，或者超过指定的时间量前，导致当前线程等待。

wait()后，线程会释放掉它所占有的“锁标志”，从而使线程所在对象中的其它synchronized数据可被别的线程使用。

wait()和notify()因为会对对象的“锁标志”进行操作，所以它们必须在synchronized函数或synchronized　 block中进行调用。如果在non-synchronized函数或non-synchronized　block中进行调用，虽然能编译通过，但在运行时会发生IllegalMonitorStateException的异常。

使用 wait()需要注意：

wait()方法必须放在一个循环中，因为在多线程环境中，共享对象的状态随时可能改变。当一个在对象等待池中的线程被唤醒后，并不一定立即恢复运行，等到这个线程获得了锁及CPU才能继续运行，又可能此时对象的状态已经发生了变化。

(2).Thread.sleep(long millis),必须带有一个时间参数。

sleep(long)使当前线程进入停滞状态，所以执行sleep()的线程在指定的时间内肯定不会被执行；

sleep(long)可使优先级低的线程得到执行的机会，当然也可以让同优先级和高优先级的线程有执行的机会；

sleep(long)是不会释放锁标志的。

(3).yield()没有参数。

sleep 方法使当前运行中的线程睡眼一段时间，进入不可运行状态，这段时间的长短是由程序设定的，yield 方法使当前线程让出CPU占有权，但让出的时间是不可设定的。

yield()也不会释放锁标志。

实际上，yield()方法对应了如下操作：先检测当前是否有相同优先级的线程处于同可运行状态，如有，则把 CPU 的占有权交给此线程，否则继续运行原来的线程。所以yield()方法称为“退让”，它把运行机会让给了同等优先级的其他线程。

sleep方法允许较低优先级的线程获得运行机会，但yield()方法执行时，当前线程仍处在可运行状态，所以不可能让出较低优先级的线程些时获得CPU占有权。在一个运行系统中，如果较高优先级的线程没有调用 sleep 方法，又没有受到 I/O阻塞，那么较低优先级线程只能等待所有较高优先级的线程运行结束，才有机会运行。

yield()只是使当前线程重新回到可执行状态，所以执行yield()的线程有可能在进入到可执行状态后马上又被执行。所以yield()只能使同优先级的线程有执行的机会。

volitile 语义：

volatile相当于synchronized的弱实现，也就是说volatile实现了类似synchronized的语义，却又没有锁机制。它确保对volatile字段的更新以可预见的方式告知其他的线程。

volatile包含以下语义：

（1）Java 存储模型不会对valatile指令的操作进行重排序：这个保证对volatile变量的操作时按照指令的出现顺序执行的。

（2）volatile变量不会被缓存在寄存器中（只有拥有线程可见）或者其他对CPU不可见的地方，每次总是从主存中读取volatile变量的结果。也就是说对于volatile变量的修改，其它线程总是可见的，并且不是使用自己线程栈内部的变量。也就是在happens-before法则中，对一个volatile变量的写操作后，其后的任何读操作理解可见此写操作的结果。

尽管volatile变量的特性不错，但是volatile并不能保证线程安全的，也就是说volatile字段的操作不是原子性的，volatile变量只能保证可见性（一个线程修改后其它线程能够理解看到此变化后的结果），要想保证原子性，目前为止只能加锁！

数据同步：

线程同步的特征：

1、如果一个同步代码块和非同步代码块同时操作共享资源，仍然会造成对共享资源的竞争。因为当一个线程执行一个对象的同步代码块时，其他的线程仍然可以执行对象的非同步代码块。（所谓的线程之间保持同步，是指不同的线程在执行同一个对象的同步代码块时，因为要获得对象的同步锁而互相牵制）

2、每个对象都有唯一的同步锁

3、在静态方法前面可以使用synchronized修饰符。

synchronized(this)与synchronized(static XXX)的区别:

在JAVA中的Object类型中，都是带有一个内存锁的，在有线程获取该内存锁后，其它线程无法访问该内存，从而实现JAVA中简单的同步、互斥操作。synchronized就是针对内存区块申请内存锁，this关键字代表类的一个对象，所以其内存锁是针对相同对象的互斥操作，而static成员属于类专有，其内存空间为该类所有成员共有，这就导致synchronized()对static成员加锁，相当于对类加锁，也就是在该类的所有成员间实现互斥，在同一时间只有一个线程可访问该类的实例。

4、当一个线程开始执行同步代码块时，并不意味着必须以不间断的方式运行，进入同步代码块的线程可以执行Thread.sleep()或者执行Thread.yield()方法，此时它并不释放对象锁，只是把运行的机会让给其他的线程。

5、 Synchronized声明不会被继承，如果一个用synchronized修饰的方法被子类覆盖，那么子类中这个方法不在保持同步，除非用synchronized修饰。