Java線程知識(shí)筆記
如果使用得當(dāng)，線程可以有效地降低程序的開發(fā)和維護(hù)等成本，同時(shí)提升復(fù)雜應(yīng)用程序的性能。具體說(shuō)，線程的優(yōu)勢(shì)有：
Java線程知識(shí)筆記
1、發(fā)揮多處理器的強(qiáng)大能力
現(xiàn)在，多處理器系統(tǒng)正日益盛行，并且價(jià)格不斷降低，即時(shí)在低端服務(wù)器和中斷桌面系統(tǒng)中，通常也會(huì)采用多個(gè)處理器，這種趨勢(shì)還在進(jìn)一步加快，因?yàn)橥ㄟ^(guò)提高時(shí)鐘頻率來(lái)提升性能已變得越來(lái)越困難，處理器生產(chǎn)廠商都開始轉(zhuǎn)而在單個(gè)芯片上放置多個(gè)處理器核。
試想，如果只有單個(gè)線程，雙核處理器系統(tǒng)上程序只能使用一半的CPU資源，擁有100個(gè)處理器的系統(tǒng)上將有99%的資源無(wú)法使用。多線程程序則可以同時(shí)在多個(gè)處理器上執(zhí)行，如果設(shè)計(jì)正確，多線程程序可以通過(guò)提高處理器資源的利用率來(lái)提升系統(tǒng)吞吐率。
2、在單處理器系統(tǒng)上獲得更高的吞吐率
如果程序是單線程的，那么當(dāng)程序等待某個(gè)同步I/O操作完成時(shí)，處理器將處于空閑狀態(tài)。而在多線程程序中，如果一個(gè)線程在等待I/O操作完成，另一個(gè)線程可以繼續(xù)運(yùn)行，使得程序能在I/O阻塞期間繼續(xù)運(yùn)行。
3、建模的簡(jiǎn)單性
通過(guò)使用線程，可以將復(fù)雜并且異步的工作流進(jìn)一步分解為一組簡(jiǎn)單并且同步的工作流，每個(gè)工作流在一個(gè)單獨(dú)的線程中運(yùn)行，并在特定的同步位置進(jìn)行交互。我們可以通過(guò)一些現(xiàn)有框架來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，例如Servlet和RMI，框架負(fù)責(zé)解決一些細(xì)節(jié)問(wèn)題，例如請(qǐng)求管理、線程創(chuàng)建、負(fù)載平衡，并在正確的時(shí)候?qū)⒄?qǐng)求分發(fā)給正確的應(yīng)用程序組件。
編寫Servlet的開發(fā)人員不需要了解多少請(qǐng)求在同一時(shí)刻要被處理，也不需要了解套接字的輸入流或輸出流是否被阻塞，當(dāng)調(diào)用Servlet的service方法來(lái)響應(yīng)Web請(qǐng)求時(shí)，可以以同步的方式來(lái)處理這個(gè)請(qǐng)求，就好像它是一個(gè)單線程程序。
4、異步事件的簡(jiǎn)化處理
服務(wù)器應(yīng)用程序在接受多個(gè)來(lái)自遠(yuǎn)程客戶端的套接字連接請(qǐng)求時(shí)，如果為每個(gè)連接都分配其各自的線程并且使用同步I/O，那么就會(huì)降低這類程序的開發(fā)難度。如果某個(gè)應(yīng)用程序?qū)μ捉幼謭?zhí)行讀操作而此時(shí)還沒(méi)有數(shù)據(jù)到來(lái)，那么這個(gè)讀操作將一直阻塞，直到有數(shù)據(jù)到達(dá)。
在單線程應(yīng)用程序中，這不僅意味著在處理請(qǐng)求的過(guò)程中將停頓，而且還意味著在這個(gè)線程被阻塞期間，對(duì)所有請(qǐng)求的處理都將停頓。
為了避免這個(gè)問(wèn)題，單線程服務(wù)器應(yīng)用程序必須使用非阻塞I/O，但是這種I/O的復(fù)雜性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同步I/O，并且很容易出錯(cuò)。然而，如果每個(gè)請(qǐng)求都擁有自己的處理線程，那么在處理某個(gè)請(qǐng)求時(shí)發(fā)生的阻塞將不會(huì)影響其他請(qǐng)求的處理。
知識(shí)回顧
進(jìn)程與線程是常常被提到的兩個(gè)概念。進(jìn)程擁有獨(dú)立的代碼段、數(shù)據(jù)空間，線程共享代碼段和數(shù)據(jù)空間，但有獨(dú)立的棧空間。線程是操作系統(tǒng)調(diào)度的最小單位，通常一個(gè)進(jìn)程會(huì)包含一個(gè)或多個(gè)線程。
多線程和多進(jìn)程都可以實(shí)現(xiàn)并發(fā)處理，如 nginx 使用多進(jìn)程方式、tomcat 使用多線程方式、Apache 支持混合使用。在 C/C++ 等語(yǔ)言中可以同時(shí)使用多進(jìn)程和多線程，而在 Java 中只能使用多線程。
在 Java 中，創(chuàng)建線程的唯一方式是創(chuàng)建 Thread 類的實(shí)例，調(diào)用實(shí)例的 start() 方法啟動(dòng)線程。
Java 線程實(shí)現(xiàn)
在 JDK 1.2 之前，Java 使用用戶線程實(shí)現(xiàn) Java 線程，在 JDK 1.2 及之后，Java 基于操作系統(tǒng)原生的.線程模型實(shí)現(xiàn) Java 線程。
使用用戶線程( User Thread, UT ) 實(shí)現(xiàn)，是指線程建立在用戶態(tài)空間，線程的建立、同步、調(diào)度與銷毀都在用戶態(tài)完成，進(jìn)程與用戶線程之間是1 : N 的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種情況下，內(nèi)核無(wú)法知道有多少個(gè)用戶線程，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。
使用內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)，是指基于輕量級(jí)進(jìn)程( Light Weight Process, LWP ) 來(lái)實(shí)現(xiàn)線程。每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都有一個(gè)內(nèi)核線程( Kernel-Level Thread, KLT ) 支持，與內(nèi)核線程之間是 1 : 1 的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種情況下，調(diào)度線程時(shí)可能需要在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間進(jìn)行切換。
由于輕量級(jí)進(jìn)程需要消耗內(nèi)核資源，能夠支持的線程數(shù)量是有限的。
如在 Windows 和 Linux 系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)原生的線程模型是 1 : 1 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于 Sun JDK 來(lái)說(shuō)，一個(gè) Java 線程就對(duì)應(yīng)著一個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程。
線程調(diào)度與狀態(tài)
在 Java中線程的調(diào)度方式是搶占式調(diào)度，即由系統(tǒng)來(lái)負(fù)責(zé)各個(gè)線程的時(shí)間分配，并在線程使用完分配的時(shí)間后調(diào)度下一個(gè)線程。任何一個(gè)線程都不能獨(dú)占 CPU 。Java 語(yǔ)言一共設(shè)置了 10 個(gè)線程優(yōu)先級(jí)，當(dāng)兩個(gè)線程同時(shí)等待執(zhí)行時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的先被調(diào)度。
線程的優(yōu)先級(jí)會(huì)被映射到操作系統(tǒng)原生線程上去，但各個(gè)操作系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)劃分不完全一樣，因此兩個(gè)優(yōu)先級(jí)不同的 Java 線程在操作系統(tǒng)中執(zhí)行時(shí)也可能處于相同的優(yōu)先級(jí)。
Java 定義了 5 種線程狀態(tài)，分別是新建 ( New )、運(yùn)行 ( Running )、等待 ( Waiting )、限期等待 ( Timed Waiting )、阻塞 ( Blocked ) 和結(jié)束 ( Terminated )。任一時(shí)刻，線程都處于 5 種狀態(tài)中的一種，并在各個(gè)狀態(tài)之間切換，如圖所示。
其中，各個(gè)狀態(tài)含義如下：
新建：創(chuàng)建后未啟動(dòng);
運(yùn)行：對(duì)于 Java 來(lái)說(shuō)，線程已經(jīng)運(yùn)行，但對(duì)于操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可能在運(yùn)行或等待;
等待：線程等待被其他線程喚醒，如調(diào)用了 wait、join 且沒(méi)有指定超時(shí)時(shí)間;
限期等待：線程等待一段時(shí)間后被系統(tǒng)喚醒，如調(diào)用了 sleep、wait、join 并設(shè)置了超時(shí)時(shí)間;
阻塞：線程進(jìn)入同步區(qū)域需要與其他線程協(xié)調(diào)同步，如需要進(jìn)入 synchronized 區(qū)域但其他線程尚未退出此區(qū)域;
結(jié)束：run 方法執(zhí)行完成后，線程結(jié)束。
虛擬機(jī)棧
在 Java 內(nèi)存模型中，每個(gè)虛擬機(jī)線程都有自己私有的虛擬機(jī)棧。棧與線程同時(shí)創(chuàng)建，其中存儲(chǔ)的是線程的棧幀 ( Stack Frame )。每個(gè)方法的調(diào)用，都對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀的入棧和出棧。在棧幀中，存儲(chǔ)著局部變量表 ( Local Variable Table )、操作棧 ( Operand Stack )、動(dòng)態(tài)連接 ( Dynamic Linking )、返回地址 ( Return Address ) 和其他附加信息。
線程的工作內(nèi)存
在內(nèi)存模型中，Java 要求所有的變量都必須存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每個(gè)線程擁有自己的工作內(nèi)存。工作內(nèi)存中保存了線程需要讀寫的變量的主內(nèi)存的副本。線程對(duì)變量的讀寫操作都在工作內(nèi)存中直接進(jìn)行，并不會(huì)去操作主內(nèi)存中的內(nèi)容，主內(nèi)存與工作內(nèi)存的同步由虛擬機(jī)完成。不同線程不能訪問(wèn)彼此的工作內(nèi)存，變量值的傳遞需要經(jīng)過(guò)主內(nèi)存才能完成。
Volatile 修飾的變量可以保證變量對(duì)所有線程可見(jiàn)，即某個(gè)線程修改變量后，其他線程總能立刻讀到新值。即便如此，多線程并發(fā)時(shí)，對(duì) volatile 變量進(jìn)行自增自減操作也不能保證線程安全。
總結(jié)
線程在 Java 中只能通過(guò)創(chuàng)建 Thread 類的實(shí)例來(lái)創(chuàng)建。在 JDK 1.2 之后，Java 中的線程基于操作系統(tǒng)原生的線程模型來(lái)實(shí)現(xiàn)線程。線程的調(diào)度方式是搶占式調(diào)度，即由系統(tǒng)來(lái)負(fù)責(zé)各個(gè)線程的時(shí)間分配，并在線程使用完分配的時(shí)間后調(diào)度下一個(gè)線程。Java 定義了 5 種線程狀態(tài)：新建、運(yùn)行、等待、限期等待、阻塞和結(jié)束。
每個(gè)虛擬機(jī)線程都有自己私有的虛擬機(jī)棧。棧與線程同時(shí)創(chuàng)建，其中存儲(chǔ)的是線程的棧幀。每個(gè)方法的調(diào)用，都對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀的入棧和出棧。每個(gè)線程擁有自己的工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中保存了線程需要讀寫的變量的主內(nèi)存的副本。線程對(duì)變量的讀寫操作都在工作內(nèi)存中直接進(jìn)行，并不會(huì)去操作主內(nèi)存中的內(nèi)容，主內(nèi)存與工作內(nèi)存的同步由虛擬機(jī)完成。
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