參考:
《Java并發編程的藝術》第四章
《Java多線程編程核心技術》
博客 http://www.lxweimin.com/p/8a04b5ec786c Java多線程基礎
博客 http://www.lxweimin.com/p/12af2d966c13 Java并發編程1

一.線程簡介

1.線程和進程

• 進程是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位，現代操作系統運行程序時會創建進程
• 線程也叫輕量級進程，是現代操作系統調度的最小單元，一個進程中可以有多個線程，每個線程都擁有各自的計數器、堆棧和局部變量等屬性，并能夠訪問共享的內存變量

2.為什么使用多線程

• 更多的計算核心：充分利用多核處理器的硬件優勢，將計算邏輯分配給多個處理器同時執行
• 更快的響應時間：在業務邏輯復雜的場景中，將數據一致性不強的操作派發給其他線程處理
• 更好的編程邏輯：Java提供了良好并且一致的多線程編程模型，方便開發者完成多線程開發

3.上下文切換

• CPU切換運行的線程時存儲和恢復CPU的過程，使得線程能夠從中斷點恢復執行
• 線程上下文切換過程中會記錄程序計數器、CPU寄存器狀態等
• 多線程環境中上下文切換會帶來一定的性能開銷

4.線程優先級

• 現代操作系統采取分時的形式調度執行的線程
• 線程在獲取操作系統分出的時間片后開始執行，時間片用完后停止執行，等待再次獲得時間片
• 線程優先級決定線程獲取CPU時間片的優先級
• 注意：Java線程優先級在某些操作系統中無效

5.線程的狀態

線程狀態切換

6. Daemon線程

• 支持型線程，用作程序中后臺調度以及支持型工作
• JVM不存在非Daemon線程時，Daemon線程將自動結束，JVM退出
• 注意，在JVM退出時，Daemon線程中的finally塊可能不會執行

二.線程啟動和終止

1.構造線程

• void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name，long stackSize，AccessControlContext acc)方法完成線程構造
• 新構造的線程對象由其parent線程進行空間分配，繼承了parent線程的Daemon、優先級和加載資源的contextClassLoader以及可繼承的ThreadLocal，同時獲得唯一的線程ID

2.線程的實現

• 繼承Thread類，重寫run()方法，Thread類本身實現了Runnable接口
• 實現Runnable接口，重寫run()方法
• 使用ExecutorService、Callable、Future實現有返回結果的多線程

3.線程中斷

• 一個線程應該自行停止，而非由其他線程強制中斷或停止
• Thread.stop()不保證資源的正確釋放、Thread.suspend()暫停時不釋放鎖容易導致死鎖、Thread.resume()等三個方法都已廢棄
• 每個線程均有一個中斷標志位，表示是否有其他線程對該線程進行了中斷操作
• 當對一個線程調用interrupt()方法時
  1）如果線程處于等待狀態(如sleep、wait、join)時，線程將立即退出等待狀態，并拋出一個interruptedException異常，僅此而已
  2）如果線程處于正常活動狀態，會將該線程的中斷標志設置為true，僅此而已。被設置中斷標志的線程將繼續正常運行，不受影響
• 所以interrupt()并不能真正的中斷線程，需要被調用的線程進行配合。如果一個線程有被中斷的需求，可以這樣做
  1）在正常運行任務時，使用isInterrupted()方法經常檢查本線程的中斷標志位，如果被設置了中斷標志就自行停止
  2）線程處于等待狀態時，catch到InterruptedException異常后退出線程
• Thread.interrupted()方法將清除中斷標志位，但并不代表線程又恢復，僅代表線程已響應該中斷信號然后重置為可再次接收信號的狀態
• 處于等待的線程在調用interrupt()方法后拋出InterruptedException前，JVM將先清除線程的中斷標志位

三.線程間通信

1.volatile和synchronized

• Java支持多個線程同時訪問共享對象，現代多核處理器為了加速程序運行，每個線程會擁有共享對象的一份拷貝，由此引出內存可見性問題——一個線程看到的變量并一定是最新的
• volatile：修飾的字段(成員變量)，要求程序對該變量的訪問必須從共享內存獲取，修改必須同步刷新回共享內存，從而保證所有線程對變量訪問的可見性
• synchronized：修飾方法或同步塊，確保同一時刻，只有一個線程處于方法或同步塊中，保證了線程對變量訪問的可見性和排他性
• 對象、對象的監視器、同步隊列和執行線程之間的關系
  1）任意線程對由synchronized保護的object的訪問，首先要獲得object的監視器Monitor
  2）如果Monitor獲取失敗，線程進入同步隊列SynchronizedQueue，線程為BLOCKED狀態
  3）當其他獲得鎖訪問object的線程釋放鎖，該釋放操作喚醒阻塞在同步隊列中的線程，使其重新嘗試獲取object的Monitor

2.等待/通知機制

• 生產者消費者模式
  1）線程A修改了一個對象的值，線程B在感知變化后進行相應的操作
  2）整個過程開始于線程A(生產者)，最終執行于線程B(消費者)
  3）該模式隔離了“做什么”(What)和“怎么做”(How)，功能層面實現了解耦
• 原始辦法
  消費者線程不斷循環檢查信號變量是否變化，偽代碼如下，存在程序及時性和資源消耗量的兩難

while ( value != desire )  {
    Thread.sleep ( 1000 ) ;
}
doSometing();

• 等待/通知機制 notify/wait
  1）線程A調用對象O的wait()方法進入等待狀態
  2）線程B調用對象O的notify()或notifyAll()方法通知線程A
  3）線程A收到通知后從對象O的wait()方法返回，繼續執行后續操作

• 等待/通知機制流程
  1）使用wait()、notify()、notifyAll()時需要先對調用對象加鎖
  2）調用wait()后，線程狀態由RUNNING變為WAITING，并將當前線程放置在等待隊列
  3）notify()或notifyAll()方法調用后，等待線程依舊不會從wait()返回，需要調用notify()或notifyAll()的線程釋放鎖之后，等待線程才會從wait()返回
  4）notify()/notifyAll()將等待隊列中的一個/全部等待線程從等待隊列中移到同步隊列，被移動的線程狀態由WAITING變為BLOCKED
  5）從wait()方法返回(離開同步隊列開始運行)的前提是獲得了調用對象的鎖
  

  Wait/Notify

• 等待/通知的經典范式

等待方偽代碼
1.獲取對象的鎖
2.如果條件不滿足，則調用對象的wait()方法，被通知后仍要檢查條件
3.條件滿足則執行對應邏輯
synchronized(對象)  {
      while(條件不滿足)  {
            對象.wait();
      }
      對應的處理邏輯
}

通知方偽代碼
1.獲取對象的鎖
2.改變條件
3.通知所有等待在對象上的線程
synchronized(對象)  {
      改變條件
      對象.notifyAll();
}

3.管道輸入/輸出流

• 管道IO主要用于線程間數據傳輸，傳輸媒介為內存，與文件IO或網絡IO不同
• 主要實現類
  1）管道字節流：PipedOutputStream、PipedInputStream
  2）管道字符流：PipedReader、PipedWriter

PipedReader in = new PipedReader();
PipedWriter out = new PipedWriter();
//必須連接輸入流和輸出流，否則拋出異常
out.connect(in);

4.Thread.join()

• 線程A使用thread.join()表示當前線程A等待thread線程終止后才從thread.join()返回
• join()方法的源代碼邏輯結構與等待/通知經典范式一致，即加鎖、循環和處理邏輯三步

5.線程變量ThreadLocal

• 以ThreadLocal對象為鍵、任意對象為值得存儲結構，依附于線程
• 線程可以根據一個ThreadLocal對象查詢到綁定在這個線程上的一個值

那年離別日，只道住桐廬。桐廬人不見，今得廣州書