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在之前的章節中，我們都是假設程序中只有一條執行流，程序從main方法的第一條語句逐條執行直到結束。從本節開始，我們討論並發，在程序中創建線程來啟動多條執行流，並發和線程是一個復雜的話題，本節，我們先來討論Java中線程的一些基本概念。
創建線程
線程表示一條單獨的執行流，它有自己的程序執行計數器，有自己的棧。下面，我們通過創建線程來對線程建立一個直觀感受，在Java中創建線程有兩種方式，一種是繼承Thread，另外一種是實現Runnable接口，我們先來看第一種。
繼承Thread
Java中java.lang.Thread這個類表示線程，一個類可以繼承Thread並重寫其run方法來實現一個線程，如下所示：
public class HelloThread extends Thread { @Override public void run() { System.out.println("hello"); } }
HelloThread這個類繼承了Thread，並重寫了run方法。run方法的方法簽名是固定的，public，沒有參數，沒有返回值，不能拋出受檢異常。run方法類似於單線程程序中的main方法，線程從run方法的第一條語句開始執行直到結束。
定義了這個類不代表代碼就會開始執行，線程需要被啟動，啟動需要先創建一個HelloThread對象，然后調用Thread的start方法，如下所示：
public static void main(String[] args) { Thread thread = new HelloThread(); thread.start(); }
我們在main方法中創建了一個線程對象，並調用了其start方法，調用start方法后，HelloThread的run方法就會開始執行，屏幕輸出：
hello
為什么調用的是start，執行的卻是run方法呢？start表示啟動該線程，使其成為一條單獨的執行流，背后，操作系統會分配線程相關的資源，每個線程會有單獨的程序執行計數器和棧，操作系統會把這個線程作為一個獨立的個體進行調度，分配時間片讓它執行，執行的起點就是run方法。
如果不調用start，而直接調用run方法呢？屏幕的輸出並不會發生變化，但並不會啟動一條單獨的執行流，run方法的代碼依然是在main線程中執行的，run方法只是main方法調用的一個普通方法。
怎么確認代碼是在哪個線程中執行的呢？Thread有一個靜態方法currentThread，返回當前執行的線程對象：
public static native Thread currentThread();
每個Thread都有一個id和name：
public long getId() public final String getName()
這樣，我們就可以判斷代碼是在哪個線程中執行的，我們在HelloThead的run方法中加一些代碼：
@Override public void run() { System.out.println("thread name: "+ Thread.currentThread().getName()); System.out.println("hello"); }
如果在main方法中通過start方法啟動線程，程序輸出為：
thread name: Thread-0
hello
如果在main方法中直接調用run方法，程序輸出為：
thread name: main
hello
調用start后，就有了兩條執行流，新的一條執行run方法，舊的一條繼續執行main方法，兩條執行流並發執行，操作系統負責調度，在單CPU的機器上，同一時刻只能有一個線程在執行，在多CPU的機器上，同一時刻可以有多個線程同時執行，但操作系統給我們屏蔽了這種差異，給程序員的感覺就是多個線程並發執行，但哪條語句先執行哪條后執行是不一定的。當所有線程都執行完畢的時候，程序退出。
實現Runnable接口
通過繼承Thread來實現線程雖然比較簡單，但我們知道，Java中只支持單繼承，每個類最多只能有一個父類，如果類已經有父類了，就不能再繼承Thread，這時，可以通過實現java.lang.Runnable接口來實現線程。
Runnable接口的定義很簡單，只有一個run方法，如下所示：
public interface Runnable { public abstract void run(); }
一個類可以實現該接口，並實現run方法，如下所示：
public class HelloRunnable implements Runnable { @Override public void run() { System.out.println("hello"); } }
僅僅實現Runnable是不夠的，要啟動線程，還是要創建一個Thread對象，但傳遞一個Runnable對象，如下所示：
public static void main(String[] args) { Thread helloThread = new Thread(new HelloRunnable()); helloThread.start(); }
無論是通過繼承Thead還是實現Runnable接口來實現線程，啟動線程都是調用Thread對象的start方法。
線程的基本屬性和方法
id和name
前面我們提到，每個線程都有一個id和name，id是一個遞增的整數，每創建一個線程就加一，name的默認值是"Thread-"后跟一個編號，name可以在Thread的構造方法中進行指定，也可以通過setName方法進行設置，給Thread設置一個友好的名字，可以方便調試。
優先級
線程有一個優先級的概念，在Java中，優先級從1到10，默認為5，相關方法是：
public final void setPriority(int newPriority) public final int getPriority()
這個優先級會被映射到操作系統中線程的優先級，不過，因為操作系統各不相同，不一定都是10個優先級，Java中不同的優先級可能會被映射到操作系統中相同的優先級，另外，優先級對操作系統而言更多的是一種建議和提示，而非強制，簡單的說，在編程中，不要過於依賴優先級。
狀態
線程有一個狀態的概念，Thread有一個方法用於獲取線程的狀態：
public State getState()
返回值類型為Thread.State，它是一個枚舉類型，有如下值：
public enum State { NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED; }
關於這些狀態，我們簡單解釋下：
- NEW: 沒有調用start的線程狀態為NEW
- TERMINATED: 線程運行結束后狀態為TERMINATED
- RUNNABLE: 調用start后線程在執行run方法且沒有阻塞時狀態為RUNNABLE，不過，RUNNABLE不代表CPU一定在執行該線程的代碼，可能正在執行也可能在等待操作系統分配時間片，只是它沒有在等待其他條件
- BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING：都表示線程被阻塞了，在等待一些條件，其中的區別我們在后續章節再介紹
Thread還有一個方法，返回線程是否活着：
public final native boolean isAlive()
線程被啟動后，run方法運行結束前，返回值都是true。
是否daemo線程
Thread有一個是否daemo線程的屬性，相關方法是：
public final void setDaemon(boolean on) public final boolean isDaemon()
前面我們提到，啟動線程會啟動一條單獨的執行流，整個程序只有在所有線程都結束的時候才退出，但daemo線程是例外，當整個程序中剩下的都是daemo線程的時候，程序就會退出。
daemo線程有什么用呢？它一般是其他線程的輔助線程，在它輔助的主線程退出的時候，它就沒有存在的意義了。在我們運行一個即使最簡單的"hello world"類型的程序時，實際上，Java也會創建多個線程，除了main線程外，至少還有一個負責垃圾回收的線程，這個線程就是daemo線程，在main線程結束的時候，垃圾回收線程也會退出。
sleep方法
Thread有一個靜態的sleep方法，調用該方法會讓當前線程睡眠指定的時間，單位是毫秒：
public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;
睡眠期間，該線程會讓出CPU，但睡眠的時間不一定是確切的給定毫秒數，可能有一定的偏差，偏差與系統定時器和操作系統調度器的准確度和精度有關。
睡眠期間，線程可以被中斷，如果被中斷，sleep會拋出InterruptedException，關於中斷以及中斷處理，我們后續章節再介紹。
yield方法
Thread還有一個讓出CPU的方法：
public static native void yield();
這也是一個靜態方法，調用該方法，是告訴操作系統的調度器，我現在不着急占用CPU，你可以先讓其他線程運行。不過，這對調度器也僅僅是建議，調度器如何處理是不一定的，它可能完全忽略該調用。
join方法
在前面HelloThread的例子中，HelloThread沒執行完，main線程可能就執行完了，Thread有一個join方法，可以讓調用join的線程等待該線程結束，join方法的聲明為：
public final void join() throws InterruptedException
在等待線程結束的過程中，這個等待可能被中斷，如果被中斷，會拋出InterruptedException。
join方法還有一個變體，可以限定等待的最長時間，單位為毫秒，如果為0，表示無期限等待：
public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException
在前面的HelloThread示例中，如果希望main線程在子線程結束后再退出，main方法可以改為：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread thread = new HelloThread(); thread.start(); thread.join(); }
過時方法
Thread類中還有一些看上去可以控制線程生命周期的方法，如：
public final void stop() public final void suspend() public final void resume()
這些方法因為各種原因已被標記為了過時，我們不應該在程序中使用它們。
共享內存及問題
共享內存
前面我們提到，每個線程表示一條單獨的執行流，有自己的程序計數器，有自己的棧，但線程之間可以共享內存，它們可以訪問和操作相同的對象。我們看個例子，代碼如下：
public class ShareMemoryDemo { private static int shared = 0; private static void incrShared(){ shared ++; } static class ChildThread extends Thread { List<String> list; public ChildThread(List<String> list) { this.list = list; } @Override public void run() { incrShared(); list.add(Thread.currentThread().getName()); } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { List<String> list = new ArrayList<String>(); Thread t1 = new ChildThread(list); Thread t2 = new ChildThread(list); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println(shared); System.out.println(list); } }
在代碼中，定義了一個靜態變量shared和靜態內部類ChildThread，在main方法中，創建並啟動了兩個ChildThread對象，傳遞了相同的list對象，ChildThread的run方法訪問了共享的變量shared和list，main方法最后輸出了共享的shared和list的值，大部分情況下，會輸出期望的值：
2
[Thread-0, Thread-1]
通過這個例子，我們想強調說明執行流、內存和程序代碼之間的關系。
- 該例中有三條執行流，一條執行main方法，另外兩條執行ChildThread的run方法。
- 不同執行流可以訪問和操作相同的變量，如本例中的shared和list變量。
- 不同執行流可以執行相同的程序代碼，如本例中incrShared方法，ChildThread的run方法，被兩條ChildThread執行流執行，incrShared方法是在外部定義的，但被ChildThread的執行流執行，在分析代碼執行過程時，理解代碼在被哪個線程執行是很重要的。
- 當多條執行流執行相同的程序代碼時，每條執行流都有單獨的棧，方法中的參數和局部變量都有自己的一份。
當多條執行流可以操作相同的變量時，可能會出現一些意料之外的結果，我們來看下。
競態條件
所謂競態條件(race condition)是指，當多個線程訪問和操作同一個對象時，最終執行結果與執行時序有關，可能正確也可能不正確，我們看一個例子：
public class CounterThread extends Thread { private static int counter = 0; @Override public void run() { for (int i = 0; i < 1000; i++) { counter++; } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { int num = 1000; Thread[] threads = new Thread[num]; for (int i = 0; i < num; i++) { threads[i] = new CounterThread(); threads[i].start(); } for (int i = 0; i < num; i++) { threads[i].join(); } System.out.println(counter); } }
這段代碼容易理解，有一個共享靜態變量counter，初始值為0，在main方法中創建了1000個線程，每個線程對counter循環加1000次，main線程等待所有線程結束后輸出counter的值。
期望的結果是100萬，但實際執行，發現每次輸出的結果都不一樣，一般都不是100萬，經常是99萬多。為什么會這樣呢？因為counter++這個操作不是原子操作，它分為三個步驟：
- 取counter的當前值
- 在當前值基礎上加1
- 將新值重新賦值給counter
兩個線程可能同時執行第一步，取到了相同的counter值，比如都取到了100，第一個線程執行完后counter變為101，而第二個線程執行完后還是101，最終的結果就與期望不符。
怎么解決這個問題呢？有多種方法：
- 使用synchronized關鍵字
- 使用顯式鎖
- 使用原子變量
關於這些方法，我們在后續章節再介紹。
內存可見性
多個線程可以共享訪問和操作相同的變量，但一個線程對一個共享變量的修改，另一個線程不一定馬上就能看到，甚至永遠也看不到，這可能有悖直覺，我們來看一個例子。
public class VisibilityDemo { private static boolean shutdown = false; static class HelloThread extends Thread { @Override public void run() { while(!shutdown){ // do nothing } System.out.println("exit hello"); } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { new HelloThread().start(); Thread.sleep(1000); shutdown = true; System.out.println("exit main"); } }
在這個程序中，有一個共享的boolean變量shutdown，初始為false，HelloThread在shutdown不為true的情況下一直死循環，當shutdown為true時退出並輸出"exit hello"，main線程啟動HelloThread后睡了一會，然后設置shutdown為true，最后輸出"exit main"。
期望的結果是兩個線程都退出，但實際執行，很可能會發現HelloThread永遠都不會退出，也就是說，在HelloThread執行流看來，shutdown永遠為false，即使main線程已經更改為了true。
這是怎么回事呢？這就是內存可見性問題。在計算機系統中，除了內存，數據還會被緩存在CPU的寄存器以及各級緩存中，當訪問一個變量時，可能直接從寄存器或CPU緩存中獲取，而不一定到內存中去取，當修改一個變量時，也可能是先寫到緩存中，而稍后才會同步更新到內存中。在單線程的程序中，這一般不是個問題，但在多線程的程序中，尤其是在有多CPU的情況下，這就是個嚴重的問題。一個線程對內存的修改，另一個線程看不到，一是修改沒有及時同步到內存，二是另一個線程根本就沒從內存讀。
怎么解決這個問題呢？有多種方法：
- 使用volatile關鍵字
- 使用synchronized關鍵字或顯式鎖同步
關於這些方法，我們在后續章節再介紹。
線程的優點及成本
優點
為什么要創建單獨的執行流？或者說線程有什么優點呢？至少有以下幾點：
- 充分利用多CPU的計算能力，單線程只能利用一個CPU，使用多線程可以利用多CPU的計算能力。
- 充分利用硬件資源，CPU和硬盤、網絡是可以同時工作的，一個線程在等待網絡IO的同時，另一個線程完全可以利用CPU，對於多個獨立的網絡請求，完全可以使用多個線程同時請求。
- 在用戶界面(GUI)應用程序中，保持程序的響應性，界面和后台任務通常是不同的線程，否則，如果所有事情都是一個線程來執行，當執行一個很慢的任務時，整個界面將停止響應，也無法取消該任務。
- 簡化建模及IO處理，比如，在服務器應用程序中，對每個用戶請求使用一個單獨的線程進行處理，相比使用一個線程，處理來自各種用戶的各種請求，以及各種網絡和文件IO事件，建模和編寫程序要容易的多。
成本
關於線程，我們需要知道，它是有成本的。創建線程需要消耗操作系統的資源，操作系統會為每個線程創建必要的數據結構、棧、程序計數器等，創建也需要一定的時間。
此外，線程調度和切換也是有成本的，當有當量可運行線程的時候，操作系統會忙於調度，為一個線程分配一段時間，執行完后，再讓另一個線程執行，一個線程被切換出去后，操作系統需要保存它的當前上下文狀態到內存，上下文狀態包括當前CPU寄存器的值、程序計數器的值等，而一個線程被切換回來后，操作系統需要恢復它原來的上下文狀態，整個過程被稱為上下文切換，這個切換不僅耗時，而且使CPU中的很多緩存失效，是有成本的。
當然，這些成本是相對而言的，如果線程中實際執行的事情比較多，這些成本是可以接受的，但如果只是執行本節示例中的counter++，那相對成本就太高了。
另外，如果執行的任務都是CPU密集型的，即主要消耗的都是CPU，那創建超過CPU數量的線程就是沒有必要的，並不會加快程序的執行。
小結
本節，我們介紹了Java中線程的一些基本概念，包括如何創建線程，線程的一些基本屬性和方法，多個線程可以共享內存，但共享內存也有兩個重要問題，一個是競態條件，另一個是內存可見性，最后，我們討論了線程的一些優點和成本。
針對共享內存的兩個問題，下一節，我們討論Java的一個解決方案 - synchronized關鍵字。
(與其他章節一樣，本節所有代碼位於 https://github.com/swiftma/program-logic)
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