多線程編程學習總結

線程的概念和原理

為什么使用多線程？

為了更高效的完成任務和利用CPU資源，現在的操作系統設計為多任務操作系統，而多進程和多線程是實現多任務的方式。

什么是進程和線程？

進程是指一個內存中運行的應用程序，每個進程都有自己獨立的一塊內存空間，一個進程中可以啟動多個線程。進程是OS分配資源的最小單位。 線程是指進程中的一個執行流程，一個進程中可以運行多個線程。線程總是屬於某個進程，進程中的多個線程共享進程的內存。進程是OS調度的最小單位。

工作原理？

1. 多線程是這樣一種機制，它允許在程序中並發執行多個指令流，每個指令流都稱為一個線程，彼此間互相獨立。線程又稱為輕量級進程，它和進程一樣擁有獨立的執行控制，由操作系統負責調度，區別在於線程沒有獨立的存儲空間，而是和所屬進程中的其它線程共享一個存儲空間，這使得線程間的通信遠較進程簡單。
2. 具體到java內存模型，由於Java被設計為跨平台的語言，在內存管理上，顯然也要有一個統一的模型。系統存在一個主內存(Main Memory)， Java中所有變量都儲存在主存中，對於所有線程都是共享的。每條線程都有自己的工作內存(Working Memory)——調用棧，工作內存中保存的是主存中某些變量的拷貝，線程對所有變量的操作都是在工作內存中進行，線程之間無法相互直接訪問，變量傳遞均需要通過主存完成。
3. 多個線程的執行是並發的，也就是在邏輯上“同時”，而不管是否是物理上的“同時”。如果系統只有一個CPU，那么真正的“同時”是不可能的。多線程和傳統的單線程在程序設計上最大的區別在於，由於各個線程的控制流彼此獨立，使得各個線程之間的代碼是亂序執行的，將會帶來線程調度，同步等問題。

 

線程狀態轉換

線程的狀態轉換是線程控制的基礎。線程狀態總的可分為五大狀態：分別是新建、就緒、運行、等待/阻塞、死亡。用一個圖來描述如下： 

1、新建狀態：線程對象已經創建，還沒有在其上調用start()方法。

2、就緒狀態：當線程有資格運行，但調度程序還沒有把它選定為運行線程時線程所處的狀態。當start()方法調用時，線程首先進入可運行狀態。在線程運行之后或者從阻塞、等待或睡眠狀態回來后，也返回到就緒狀態。

3、運行狀態：線程調度程序從就緒線程池中選擇一個線程作為當前線程時線程所處的狀態。這也是線程進入運行狀態的唯一一種方式。

4、等待/阻塞/睡眠狀態：線程不會被分配 CPU 時間，無法執行；可能阻塞於I/O，或者阻塞於同步鎖。實際上這個三狀態組合為一種，其共同點是：線程仍舊是活的，但是當前沒有條件運行。換句話說，它是可運行的，但是如果某件事件出現，他可能返回到可運行狀態。

5、死亡態：當線程的run()方法完成時就認為它死去，調用 stop()或 destroy() 亦有同樣效果，但是不被推薦，前者會產生異常，后者是強制終止，不會釋放鎖。這個線程對象也許是活的，但是，它已經不是一個單獨執行的線程。線程一旦死亡，就不能復生。 如果在一個死去的線程上調用start()方法，會拋出java.lang.IllegalThreadStateException異常。

 

鎖機制

線程鎖機制的本質是解決線程通信中的互斥問題。 由於我們可以通過 private 關鍵字來保證數據對象只能被方法訪問，所以我們只需針對方法提出一套機制，這套機制就是 synchronized 關鍵字，它包括兩種用法：synchronized 方法和 synchronized 塊。注意：每個類實例對應一把鎖，同步和互斥等都是相對多線程而言的。

synchronized 方法

通過在方法聲明中加入 synchronized關鍵字來聲明 synchronized 方法，語法如下：

public synchronized void procData();

synchronized 方法原理：多個線程訪問同一個 synchronized 方法時，必須獲得調用該方法的類實例的鎖才能執行，否則所屬線程阻塞，方法一旦執行，就獨占該鎖，直到從該方法返回時才將鎖釋放，此后被阻塞的線程方能獲得該鎖，重新進入可執行狀態。這種機制確保了同一時刻對於每一個類實例，其所有聲明為 synchronized 的成員函數中至多只有一個處於可執行狀態（因為至多只有一個能夠獲得該類實例對應的鎖），從而有效避免了類成員變量的訪問沖突（只要所有可能訪問類成員變量的方法均被聲明為 synchronized）。

在 Java 中，不光是類實例，每一個類也對應一把鎖，這樣我們也可將類的靜態成員函數聲明為 synchronized ，以控制其對類的靜態成員變量的訪問。

synchronized 方法的缺陷：若將一個大的方法聲明為synchronized 將會大大影響效率，典型地，若將線程類的方法 run() 聲明為 synchronized ，由於在線程的整個生命期內它一直在運行，因此將導致它對本類任何 synchronized 方法的調用都永遠不會成功。當然我們可以通過將訪問類成員變量的代碼放到專門的方法中，將其聲明為 synchronized ，並在主方法中調用來解決這一問題，但是 Java 為我們提供了更好的解決辦法，那就是 synchronized 塊。

synchronized 塊

通過 synchronized關鍵字來聲明synchronized 塊，語法如下：

synchronized(syncObject) {
    //允許訪問控制的代碼
}

synchronized 塊是這樣一個代碼塊，其中的代碼必須獲得對象 syncObject （如前所述，可以是類實例或類）的鎖方能執行，具體機制同前所述。由於可以針對任意代碼塊，且可任意指定上鎖的對象，故靈活性較高。  

阻塞機制

阻塞機制的本質是為了解決線程通信的同步問題。鎖和阻塞機制解決線程通信中的互斥和同步問題。

為了解決對共享存儲區的訪問沖突，引入了鎖機制，考察多個線程對共享資源的訪問，顯然鎖機制已經不夠了，因為在任意時刻所要求的資源不一定已經准備好了被訪問，反過來，同一時刻准備好了的資源也可能不止一個。為了解決這種情況下的訪問控制問題，引入了對阻塞機制的支持。

阻塞指的是暫停一個線程的執行以等待某個條件發生（如某資源就緒）。Java 提供了大量方法來支持阻塞，下面讓我們逐一分析。

1. sleep()方法：sleep()允許指定以毫秒為單位的一段時間作為參數，它使得線程在指定的時間內進入阻塞狀態，不能得到CPU 時間，指定的時間一過，線程重新進入可執行狀態。典型地，sleep() 被用在等待某個資源就緒的情形：測試發現條件不滿足后，讓線程阻塞一段時間后重新測試，直到條件滿足為止。
2. suspend()和resume()方法：兩個方法配套使用，suspend()使得線程進入阻塞狀態，並且不會自動恢復，必須其對應的resume() 被調用，才能使得線程重新進入可執行狀態。典型地，suspend() 和 resume() 被用在等待另一個線程產生的結果的情形：測試發現結果還沒有產生后，讓線程阻塞，另一個線程產生了結果后，調用resume()使其恢復。

1. yield() 方法：yield() 使得線程放棄當前分得的 CPU 時間，但是不使線程阻塞，即線程仍處於可執行狀態，隨時可能再次分得 CPU 時間。調用 yield() 的效果等價於調度程序認為該線程已執行了足夠的時間從而轉到另一個線程。
2. wait() 和 notify() 方法：兩個方法配套使用，wait() 使得線程進入阻塞狀態，它有兩種形式，一種允許指定以毫秒為單位的一段時間作為參數，另一種沒有參數，前者當對應的 notify() 被調用或者超出指定時間時線程重新進入可執行狀態，后者則必須對應的 notify() 被調用。

 

阻塞方法比較

1. 2和4區別的核心在於，前面敘述的所有方法，阻塞時都不會釋放占用的鎖（如果占用了的話），而這一對方法則相反。上述的核心區別導致了一系列的細節上的區別。
2. 首先，前面敘述的所有方法都隸屬於Thread 類，但是這一對卻直接隸屬於 Object 類，也就是說，所有對象都擁有這一對方法。因為這一對方法阻塞時要釋放占用的鎖，而鎖是任何對象都具有的，調用任意對象的 wait() 方法導致線程阻塞，並且該對象上的鎖被釋放。而調用任意對象的notify()方法則導致因調用該對象的 wait() 方法而阻塞的線程中隨機選擇的一個解除阻塞（但要等到獲得鎖后才真正可執行）。
3. 其次，前面敘述的所有方法都可在任何位置調用，但是這一對方法卻必須在 synchronized 方法或塊中調用，理由也很簡單，只有在synchronized 方法或塊中當前線程才占有鎖，才有鎖可以釋放。同樣的道理，調用這一對方法的對象上的鎖必須為當前線程所擁有，這樣才有鎖可以釋放。因此，這一對方法調用必須放置在這樣的 synchronized 方法或塊中，該方法或塊的上鎖對象就是調用這一對方法的對象。若不滿足這一條件，則程序雖然仍能編譯，但在運行時會出現 IllegalMonitorStateException 異常。

 

wait() 和 notify() 方法的上述特性決定了它們經常和synchronized 方法或塊一起使用，將它們和操作系統的進程間通信機制作一個比較就會發現它們的相似性：synchronized方法或塊提供了類似於操作系統原語的功能，它們的結合用於解決各種復雜的線程間通信問題。

 

關於 wait() 和 notify() 方法

1. 調用 notify() 方法導致解除阻塞的線程是從因調用該對象的 wait() 方法而阻塞的線程中隨機選取的，我們無法預料哪一個線程將會被選擇，所以編程時要特別小心，避免因這種不確定性而產生問題。
2. 除了 notify()，還有一個方法 notifyAll() 也可起到類似作用，唯一的區別在於，調用 notifyAll() 方法將把因調用該對象的wait()方法而阻塞的所有線程一次性全部解除阻塞。當然，只有獲得鎖的那一個線程才能進入可執行狀態。

談到阻塞，就不能不談一談死鎖，略一分析就能發現，suspend() 方法和不指定超時期限的 wait() 方法的調用都可能產生死鎖。遺憾的是，Java 並不在語言級別上支持死鎖的避免，我們在編程中必須小心地避免死鎖。

以上我們對 Java 中實現線程阻塞的各種方法作了一番分析，我們重點分析了 wait() 和 notify() 方法，因為它們的功能最強大，使用也最靈活，但是這也導致了它們的效率較低，較容易出錯。實際使用中我們應該靈活使用各種方法，以便更好地達到我們的目的。

 

關於join()方法

join()方法可用於讓當前線程阻塞，以等待特定線程(調用join的線程)的消亡。不允許線程對象在自己的可執行體中調用自己線程的join。  

線程優先級

線程的優先級代表該線程的重要程度，當有多個線程同時處於可執行狀態並等待獲得 CPU 時間時，線程調度系統根據各個線程的優先級來決定給誰分配 CPU 時間，優先級高的線程有更大的機會獲得 CPU 時間，優先級低的線程也不是沒有機會，只是機會要小一些罷了。

你可以調用 Thread 類的方法 getPriority() 和 setPriority()來存取線程的優先級，線程的優先級界於1(MIN_PRIORITY)和10(MAX_PRIORITY)之間，缺省是5(NORM_PRIORITY)。  

守護線程與用戶線程

線程可以分為用戶線程(User)和守護線程(Daemon)： 守護線程是一類特殊的線程，它和普通線程的區別在於它並不是應用程序的核心部分，當一個應用程序的所有非守護線程終止運行時，即使仍然有守護線程在運行，應用程序也將終止，反之，只要有一個非守護線程在運行，應用程序就不會終止。守護線程一般被用於在后台為其它線程提供服務。 可以通過調用方法 isDaemon() 來判斷一個線程是否是守護線程，也可以調用方法 setDaemon() 來將一個線程設為守護線程。

個人對Daemon線程更直觀的理解是：無論User還是Daemon線程，都具有可執行序列，擁有自己的工作棧，區別在於：Daemon線程會隨着其父線程結束而結束，它不屬於程序本體。另一層意思，父線程的結束取決於其所有子User線程，而與daemon線程無關。它們之間的不同決定了它們用於不同的場景，守護線程一般為其他線程提供服務，如垃圾回收器。

需要注意的是setDaemon()方法必須在線程對象沒有調用start()方法之前調用，否則沒效果。  

線程組機制

1. 線程組是一個 Java 特有的概念，在 Java 中，線程組是類ThreadGroup 的對象，每個線程都隸屬於唯一一個線程組，這個線程組在線程創建時指定並在線程的整個生命期內都不能更改。你可以通過調用包含 ThreadGroup 類型參數的 Thread 類構造函數來指定線程屬的線程組，若沒有指定，則線程缺省地隸屬於名為 system 的系統線程組。
2. 在 Java 中，除了預建的系統線程組外，所有線程組都必須顯式創建。在 Java 中，除系統線程組外的每個線程組又隸屬於另一個線程組，你可以在創建線程組時指定其所隸屬的線程組，若沒有指定，則缺省地隸屬於系統線程組。這樣，所有線程組組成了一棵以系統線程組為根的樹。
3. Java 允許我們對一個線程組中的所有線程同時進行操作，比如我們可以通過調用線程組的相應方法來設置其中所有線程的優先級，也可以啟動或阻塞其中的所有線程。
4. Java 的線程組機制的另一個重要作用是線程安全。線程組機制允許我們通過分組來區分有不同安全特性的線程，對不同組的線程進行不同的處理，還可以通過線程組的分層結構來支持不對等安全措施的采用。Java 的 ThreadGroup 類提供了大量的方法來方便我們對線程組樹中的每一個線程組以及線程組中的每一個線程進行操作。

 

ThreadLocal

java.lang.ThreadLocal是local variable（線程局部變量）。它為每一個使用該變量的線程都提供一個變量值的副本，使每一個線程都可以獨立地改變自己的副本，而不會和其它線程的副本沖突。從線程的角度看，就好像每一個線程都完全擁有該變量。ThreadLocal本質是一個線程安全的hashMap，key為threadName，Value為線程內的變量。

• Synchronized用於線程間的數據共享，而ThreadLocal則用於線程間的數據隔離。
• ThreadLocal使用場合主要解決多線程中數據因並發產生不一致問題。ThreadLocal為每個線程的中並發訪問的數據對象提供一個副本，通過訪問副本來運行業務，這樣的結果是耗費了內存，但大大減少了線程同步所帶來性能消耗，也減少了線程並發控制的復雜度。
• ThreadLocal不能使用原子類型，只能使用Object類型。ThreadLocal的使用比synchronized要簡單得多。
• ThreadLocal和Synchonized都用於解決多線程並發訪問。但是ThreadLocal與synchronized有本質的區別。synchronized是利用鎖的機制，使變量或代碼塊在某一時該只能被一個線程訪問。而ThreadLocal為每一個線程都提供了變量的副本，使得每個線程在某一時間訪問到的並不是同一個對象，這樣就隔離了多個線程對數據的數據共享。而Synchronized卻正好相反，它用於在多個線程間通信時能夠獲得數據共享。
• 當然ThreadLocal並不能替代synchronized,它們處理不同的問題域。Synchronized用於實現鎖機制，比ThreadLocal更加復雜。

 

小結

• 我們一起學習了 Java 多線程編程的方方面面，包括創建線程，以及對多個線程進行調度、管理。我們深刻認識到了多線程編程的復雜性，以及線程切換開銷帶來的多線程程序的低效性，這也促使我們認真地思考一個問題：我們是否需要多線程？何時需要多線程？
• 多線程的核心在於多個代碼塊並發執行，本質特點在於各代碼塊之間的代碼是亂序執行的。我們的程序是否需要多線程，就是要看這是否也是它的內在特點。
• 假如我們的程序根本不要求多個代碼塊並發執行，那自然不需要使用多線程；假如我們的程序雖然要求多個代碼塊並發執行，但是卻不要求亂序，則我們完全可以用一個循環來簡單高效地實現，也不需要使用多線程；只有當它完全符合多線程的特點時，多線程機制對線程間通信和線程管理的強大支持才能有用武之地，這時使用多線程才是值得的。

 

參考資料： http://programming.iteye.com/blog/158568 http://lavasoft.blog.51cto.com/62575/51926