Java併發編程—基礎知識

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Java併發編程---基礎知識

什麼是線程

什麼是線程

線程是操作系統調度的最小單元，多個線程同時執行，能夠提高程序的性能。

線程和進程

現代操作系統在運行一個程序時，會爲其啓動一個進程；在一個進程裏可以創建多個線程，這些線程都擁有各自的線程私有內存：程序計數器、Java虛擬機棧、本地方法棧，且可以訪問線程共享內存的共享變量。一個程序進程中多個線程的切換(或多核並行)執行，提高了程序的性能。

線程的狀態和切換

Java線程在運行時的生命週期中有6種狀態進行切換，在同一時刻，線程只能處於其中一個狀態：

NEW：新建狀態，通過某種方式創建的，還未啓動(調用Thread.start()方法進行啓動)的線程處於該狀態；
RUNNABLE：運行狀態，包括操作系統的運行中和準備就緒兩種狀態；
BLOCKED：阻塞狀態，在臨界區等待獲取鎖；
WAITING：無限時等待狀態，等待其他線程顯示喚醒，使用Object.wait()等方法進入該狀態，在該狀態下不會被分配CPU時間片；
TIME_WAITING：超時等待狀態，同WAITING狀態，不過可以在指定時間內自我喚醒，使用Object.wait(long ms)等方法進入該狀態；
TERMINATED：終止狀態，線程已經結束執行。

線程的創建

Java中有多種方法可以實現線程的創建：

繼承Thread類；

public class ThreadCreate1 extends Thread{
    private int count;

    @Override
    public void run() {
        super.run();
        System.out.println("實現了Thread的線程，這裏是線程具體實現");
    }
}

實現Runable接口；

public class ThreadCreate2 implements Runnable{
    private int count;
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("繼承了Runnable的線程，這裏是線程具體實現");
    }
}

實現Callable接口；

public class ThreadCreate3 implements Callable<String> {
    private int count;

    @Override
    public String call() throws Exception {
        System.out.println("繼承了Callable的線程，這裏是線程具體實現");
        return "Callable";
    }
}

繼承FutureTask類。

ppublic class ThreadCreate4 extends FutureTask<String> {
    private int count;
    //演示用，實際中不會這麼寫
    public ThreadCreate4() {
        super(() -> {
            System.out.println("實現了FutureTask的線程，這裏是線程具體實現");
            return "Callable";
        });
    }
}

演示類：

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
    ThreadCreate1 threadCreate1 = new ThreadCreate1();
    ThreadCreate2 threadCreate2 = new ThreadCreate2();
    ThreadCreate3 threadCreate3 = new ThreadCreate3();
    ThreadCreate4 threadCreate4 = new ThreadCreate4();
  
     threadCreate1.start();
     new Thread(threadCreate2).start();
  
     Future<String> future3 = executor.submit(threadCreate3);
     Future<?> future4 = executor.submit(threadCreate4);
    
    }

結果：

實現了Thread的線程，這裏是線程具體實現
繼承了Runnable的線程，這裏是線程具體實現
繼承了Callable的線程，這裏是線程具體實現
實現了FutureTask的線程，這裏是線程具體實現

線程的啓動和執行

線程類(Thread)有兩個方法：

start()：啓動，該方法將線程加入線程組，由新建狀態(NEW)轉變爲可執行狀態(RUNABLE)，當線程分配到CPU時間片時，會執行該線程的run()方法；新建線程必須調用該方法，才能被CPU執行run()方法；或者是加入線程池框架，由框架進行執行。
run()：執行，線程運行時方法，Thread.run()方法實際上是調用Runnable的run()方法。

線程的結束

當線程執行完成或者被中斷時，會轉變成終止狀態(TERMINATED)。

線程的中斷

Java的中斷機制是一種線程協作機制，一個線程調用另一個線程的中斷方法，並不能使該線程立即結束，即並不能使用中斷直接終止一個線程。
每個線程對象裏都有一個Boolean類型的中斷標識，可以調用指定的方法來設置該標誌位，線程在合適的時機通過判斷中斷標識位來處理中斷請求，當然也可以選擇不處理。

線程關於中斷的方法如下：

public static boolean interrupted()：靜態方法，檢測當前線程是否已經中斷，且清除中斷標識位，即將Boolean值設爲false；
public boolean isInterrupted()：檢測當前線程是否已經中斷，和上面的方法一樣都是調用native方法private native boolean isInterrupted(boolean ClearInterrupted)，只不過上面的方法傳入true，本方法傳入false；
public void interrupt()：中斷線程，將中斷標識位設爲true的唯一方法。

響應中斷的方式：

拋出InterruptedException異常，交由調用棧上層處理；
屏蔽中斷請求，不做處理；
響應中斷，在任務處理前判斷中斷標識位，提前結束任務。

何時使用中斷：

點擊某個桌面應用中的取消按鈕時；
某個操作超過了一定的執行時間限制需要中止時；
多個線程做相同的事情，只要一個線程成功其它線程都可以取消時；
一組線程中的一個或多個出現錯誤導致整組都無法繼續時；
當一個應用或服務需要停止時。

守護線程(Daemon線程)

守護線程是一致支持型線程，主要被用作程序中後臺調度和支持下工作。
當JVM中不存在非Daemon線程時，虛擬機會退出。
通過Thread.setDaemon(boolean)方法將線程設置爲守護線程。

線程安全和線程不安全

線程安全性：當多個線程訪問某個類時，這個類始終都能表現出正確的行爲，那麼這個類就是線程安全的，否則即爲線程不安全

線程的安全問題都是由全局變量或靜態變量引起的，即對共享變量的訪問(讀或者寫)會引起線程安全問題。
以下幾種情況是線程安全的：

無狀態的方法，即方法不訪問共享變量，只使用方法棧的局部變量；
正確加鎖同步的方法；
無鎖同步的方法，亦作非阻塞同步。

多線程優缺點

多線程：

將任務分解成多個線程交由單核CPU分時處理，或多核CPU並行處理。

優點：

提高多核CPU的利用率：如果單線程執行，那麼在一個CPU運行時，其他CPU乾瞪眼不會做出一絲貢獻；
提高應用處理性能；

缺點：

增加了上下文切換的開銷：從任務的保存到再加載就是一次上下文切換；
線程安全性：因爲多線程同時訪問共享變量，如果沒有做好臨界區的同步，會導致結果錯誤，如髒數據等；
佔用更多的內存空間：每個線程都需要方法棧、程序計數器等堆棧內存。

線程間通信

線程間通信是指：線程之間通過何種機制進行信息的交換。
在命令式編程中，線程間通信方式有兩種：

共享內存：線程對共享內存進行讀寫；
消息傳遞

同步：指程序中用於控制不同線程之間操作發生的相對順序的機制。
- 共享內存的通信機制中，程序必須顯式地指定某個方法或代碼需要在線程之間進行互斥訪問，即顯式同步；
- 消息傳遞的通信機制中，由於消息的發送在接收之前，所以是隱式同步

Java採用共享內存的併發通信模型，整個通信過程對程序員完全透明。

線程相關的常用方法

Thread.currentThread()：獲取當前正在執行的線程；
Thread.sleep(long)：使調用該方法的線程休眠指定的時間，繼續持有原有的鎖；
threadA.join()：調用該方法的線程等待threadA線程的結束；必須在線程啓動後調用纔有效，因爲該方法需要判斷threadA線程isActive()；
實例：

     public static void main(String[] args) {
        Thread test1 = new Thread(() -> System.out.println("test1線程執行完畢"));
        test1.start();
        Thread test2 = new Thread(() -> {
            try {
                test1.join();//線程2等待線程1執行結束
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("test2線程執行完畢");
        });
   
        test2.start();
   
        try {
            test2.join();//主線程等待線程2執行結束
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("main線程執行完畢");
    
    }

結果：
test1線程執行完畢
test2線程執行完畢
main線程執行完畢

Object.wait()/wait(long)：使調用該方法的線程進入WAITING狀態，進入該對象的等待集合，並釋放該對象的鎖；只有當該對象的notify()/notifyAll()方法被調用或線程被中斷纔會返回，從等待隊列中移除；
Objetc.notify()：通知一個在該對象上等待的線程(任意選擇，具體方式由是實現者決定)，從wait()方法上返回，參與對象鎖的競爭；只有競爭到了該鎖才能真正返回，並該對象鎖；只有持有該對象鎖的線程(有且只有一個)才能調用該方法；
Object.notifyAll()：通知該對象上等待的所有線程進行以上操作。

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什麼是線程

線程和進程

線程的狀態和切換

線程的創建

線程的啓動和執行

線程的結束

線程的中斷

守護線程(Daemon線程)

線程安全和線程不安全

多線程優缺點

線程間通信

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