java-學習篇-併發編程基礎

進程

進程是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位。當一個程序進入內存運行時，即變成一個進程。
特徵：獨立性、動態性（程序只是一個靜態的指令集合，而進程是一個正在系統中活動的指令集合）、併發性。
進程是在一個上下文的執行環境中運行的，這個執行環境稱爲進程的映像，或稱進程圖像。進程的存儲映像組成部分：進程控制塊（PCB，即進程狀態信息）、進程執行的程序、執行時所需要的數據和進程執行時使用的工作區。

併發性：同一時刻只能有一條指令執行，但是多個進程指令被快速輪換執行。現代操作系統多進程的併發：共用式的多任務操作策略；搶佔式多任務操作策略。
並行性：指在同一時刻，有多條指令在多個處理器上同時執行。

線程

線程是進程的執行單元，線程可以擁有自己的堆棧、自己的程序計數器和自己的局部變量，但不擁有系統資源，與父進程的其他線程共享該進程所擁有的全部資源。線程是獨立運行的，它並不知道進程中是否還有其他線程存在。線程的執行是搶佔式的，當前運行的線程在任何時候都可能被掛起，以便另外一個線程可以運行。一個線程可以創建和撤銷另一個線程。

操作系統可以同時執行多個任務，每個任務就是進程；進程可以同時執行多個任務，每個任務就是線程。

線程的風險

• 安全性問題（永遠不發生糟糕的事情，核心是正確性）：由於多個線程要共享相同的內存地址空間，並且是併發運行，因此它們可能會訪問或修改其他線程正在使用的變量。
• 活躍性問題（某件正確的事情最終會發生）：當某個操作無法繼續執行下去時，就會發生活躍性問題。（死循環、死鎖、飢餓等）
• 性能問題（正確的事情儘快發生）：CPU時間將更多地花在線程調度而不是線程運行上。

線程的創建與啓動

Thread與Runnable

package java.lang;
public class Thread implements Runnable

Thread.currentThread();// 返回當前正在執行的線程對象
public final String getName()// 返回調用該方法的線程名字
public synchronized void start()

// 1.繼承Thread類來創建線程類，重寫run()方法，方法體就是線程執行體，調用start()方法開啓線程
// 2.創建Runnable接口的實現類，new Thread(Runnable target)創建Thread對象，調用start()方法開啓線程

Callable和Future

// Java 5開始，提供Callable和Future接口，Future實現類FutureTask
// Callable（函數式接口）提供一個call()方法可以作爲線程執行體，call()方法可以有返回值
package java.util.concurrent;
@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

// 3.創建Callable對象

線程生命週期

啓動線程使用start()方法，而不是run()方法！如果直接調用線程對象的run()方法，系統把線程對象當成一個普通對象，而run()方法也是一個普通方法，而不是線程執行體。

• 新建（new）
• 就緒（Runnable）：調用了start()方法之後，該線程處於就緒狀態，Java虛擬機會爲其創建方法調用棧和程序計數器，處於這個狀態中的線程並沒有開始運行，只是表示該線程可以運行了。至於該線程何時開始運行，取決於JVM裏線程調度器的調度。
• 運行（Running）
• 阻塞（Blocked）
• 死亡（Dead）

相關方法介紹：

• isAlive()：線程處於就緒、運行、阻塞三種狀態時，返回true
• stop()：該方法容易導致死鎖，通常不推薦使用。已廢棄

控制線程

join()
當在某個程序執行流中調用其他線程的join()方法時，調用線程將被阻塞，直到被join()方法加入的join線程執行完爲止。

sleep()
讓當前正在執行的線程暫停一段時間，並進入阻塞狀態。

yield()
讓當前正在執行的線程暫停，但它不會阻塞該線程，它只是將該線程轉入就緒狀態。

sleep()和yield()區別：

• sleep()方法暫停線程後，會給其他線程執行機會，不會理會其他線程的優先級；yield()方法只會給優先級相同，或優先級更高的線程執行機會。
• sleep()方法將線程轉入阻塞狀態；而yield()不會將線程轉入阻塞狀態，只是強制當前線程進入就緒狀態。

setDaemon(true)
設置後臺線程（Daemon Thread，守護線程）。如果所有的前臺線程都死亡，後臺線程會自動死亡。JVM的垃圾回收線程就是典型的後臺線程。

setPriority
設置線程優先級，範圍是1~10之間。

• MIN_PRIORITY：1
• NORM_PRIORITY：5，默認值
• MAX_PRIORITY：10

線程同步

• synchronized：同步鎖。同步代碼塊、同步方法。程序執行wait()方法，則當前線程暫停，並釋放同步監聽器；調用Thread.sleep()、Thread.yield()方法來暫停當前線程的執行，當前線程不會釋放同步監聽器。
• Lock顯式定義同步鎖。

package java.util.concurrent.locks;
Lock、ReadWriteLock（讀寫鎖）是java 5 提供的兩個根接口。
StampedLock java 8 新增類，在大多數場景中可以替代傳統的 ReentrantReadWriteLock。

// 可重入鎖（Lock實現類）
ReentrantLock

// ReadWriteLock 實現類
ReentrantReadWriteLock

class MyLock {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void methodA() {
        lock.lock();
        try {
            ...
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

• 死鎖：當兩個線程相互等待對方釋放同步監聽器時就會發生死鎖。

線程通信

• 等待/通知機制：Object類提供的wait()、notify()、notifyAll()。由同步監聽器對象來調用。
• 使用Lock對象來保證同步時，系統中不存在隱式的同步監聽器，也就不能使用等待/通知方法進行線程通信。調用Lock對象的newCondition()方法，將Condition實例綁定在一個Lock對象上。

package java.util.concurrent.locks;
public interface Condition 

await()
signal()
signalAll()

• 管道輸入/輸出流：主要用於線程之間的數據傳輸，而傳輸的媒介爲內存。
• 使用阻塞隊列（BlockingQueue）:主要用途不是作爲容器，而是作爲線程同步的工具。

線程組

package java.lang;
public class ThreadGroup implements Thread.UncaughtExceptionHandler

線程池

java 5 開始，java內建支持線程池。

package java.util.concurrent;
public class Executors

// 可重用的、具有固定線程數的線程池
ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)
// 可以在指定延遲後執行線程任務
ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
// java 8 新增方法
ExecutorService newWorkStealingPool(int parallelism)
ExecutorService newWorkStealingPool()

package java.util.concurrent;
public interface ExecutorService extends Executor

submit()
shutdown()

// 實現類
ThreadPoolExecutor

java 7 提供了 ForkJoinPool，支持將一個任務拆分成多個“小任務”並行計算，再把多個“小任務”的結果合併成總的計算結果。

線程相關類

• ThreadLocal