《并发编程艺术》——线程

线程简介

什么是多线程

现代操作系统调度的最小单元是线程，也叫轻量级进程。

在一个进程里可以创建多个线程，这些线程都拥有各自的计数器、堆栈和局部变量等属性，并且能访问共享的内存变量。

为什么使用多线程

更多的处理器核心更快的响应时间更好的编程模型

线程的创建

继承Thread类并重写run方法。实现简单，但不符合里氏替换原则，不可以继承其他类。实现Runnable接口并重写run方法。避免了单继承局限性，编程更加灵活，实现解耦。实现Callable接口并重写call方法。可以获取线程执行结果的返回值，并且可以抛出异常。

线程的方法

sleep方法会导致当前线程进入休眠状态，与wait不同的是该方法不会释放锁资源，进入的是TIMED-WAITING状态yiled方法使当前线程让出CPU时间片给优先级相同或更高的线程，回到RUNNABLE状态，与其他线程一起重新竞争CPU时间片join方法用于等待其他线程运行终止，如果当前线程调用了另一个线程的join方法，则当前线程进入阻塞状态，当里那个一个线程结束时当前线程才能从阻塞状态转为就绪状态，等待获取CPU时间片。底层使用的是wait，也会释放锁。

线程优先级

优先级的范围从1~10，在线程构建的时候可以通过setPriority(int)方法来修改优先级，默认优先级是5，优先级高的线程分配时间片的数量要多于优先级低的线程。

线程优先级不能作为程序的正确性的依赖，因为操作系统可以不理会线程优先级的设定。

线程的状态

状态名称说明NEW初始状态，线程被构建，但还没有调用start()方法RUNNABLE运行状态，Java线程将操作系统中的就绪和运行两种状态笼统地称作“运行中”BLOCKED阻塞状态，表示线程阻塞于锁WAITING等待状态，表示线程进入等待状态，进入该状态表示当前线程需要等待其他线程做出一些特定动作TIME_WAITING超时等待状态，该状态不同于WAITING，它是可以正在指定的时间自行返回的TERMINATED终止状态，表示当前线程已经执行完毕

由图可知，线程创建之后，调用start()方法开始运行。当线程执行wait()方法之后，线程进入等待状态。进入等待状态的线程依靠其他线程的通知才能够返回运行状态，而超时等待状态相当于在等待状态的基础上增加了超时限制，也就是超时时间到达时会返回到运行状态。当线程调用同步方法时，在没有获取到锁的情况下，线程会进入到阻塞状态。线程在执行Runnable的run()方法后将进入到终止状态。

**注意：**Java将操作系统中的运行和就绪两个状态合并称为运行状态。

​ 阻塞状态是线程阻塞在进入synchronized关键字修饰的方法或代码块时的状态，但是阻塞在java.concurrent包中Lock接口的线程状态却是等待状态，因为java.concurrent包中Lock接口对于阻塞的实现均使用LockSupport类中的相关方法。

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守护线程

Deamon线程

守护线程是一种支持线程，它主要用于完成支持性工作，可以通过==setDeamon(true)==将线程设置为守护线程，但必须在启动前设置。

在构建Deamon线程时，不能依靠finally块中的内容来确保关闭或清理资源的逻辑。因为在JVM退出时所有守护线程都需要立即终止，但是DeamonRunner中的finally块并没有执行。

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启动和终止线程

构造线程

一个新构造的线程对象是由parent线程来进行空间分配的，而child线程继承了parent是否为Deamon线程、优先级和加载资源的contextClassLoader以及可继承的ThreadLocal，同时还会分配一个唯一的ID来标识这个child线程。

启动线程

调用start()方法启动这个线程，含义为：当前线程（parent线程）同步告知Java虚拟机，只要线程规划器空闲，应立即启动调用start()方法的线程。

中断

中断可以理解为一个标识位属性，表示一个运行中的线程是否被其他线程进行了中断操作。

其他线程通过调用interrupt()方法进行中断操作，通过isInterrupt()方法进行判断自身是否被中断来进行响应，也可以调用Thread.interrupt()对当前线程进行复位。

过期的suspend()、resume()、stop()

suspend()方法在调用后不会释放已经占有的资源(比如锁)，而是占着资源进入睡眠状态，这样引起死锁问题。

stop()方法在终结一个线程时不会保证线程的资源正常释放，通常没有给予线程完成资源释放工作的机会，因此导致程序可能工作在不确定状态下。

这些方法被标注为不建议使用的过时方法。

安全的终止线程

main线程通过中断操作和cancel(标识位方法)均可使线程得到终止，这种终止能让线程在终止时有机会去清理资源，而不是武断的将线程停止。

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线程间的通信

命令式编程中线程的通信机制有两种，共享内存和消息传递。

在共享内存的并发模型里线程间共享程序的公共状态，通过写-读内存中的公共状态进行隐式通信。

在消息传递的并发模型里线程间没有公共状态，必须通过发送消息来显式通信。

Java并发采用共享内存模型，线程之间的通信总是隐式进行，整个通信过程对程序员完全透明。

volatile和synchronized关键字

volatile告知程序任何变量的读需要从主内存中获取，写必须同步刷新回主内存，保证所有线程对变量的可见性。

synchronized确保多个线程在同一时刻只能有一个处于方法或同步块中，保证线程对变量访问的原子性、可见性、有序性。

等待/通知机制

是指一个线程A调用了对象O的wait()方法进入等待状态，而另一个线程B调用了对象O的notify()或者notifyAll()方法，线程A收到通知后结束阻塞并执行后续操作。对象的wait和notify/notifyAll如同开关信号，完成等待方和通知方的交互。

等待/通知机制依托于同步机制，其目的是确保wait()方法返回时能够感知到通知线程对变量做出的修改。

等待/通知的经典范式：生产者(通知方)、消费者(等待方)模式

等待方遵循规则：

获取对象的锁如果条件不满足，那么调用对象的wait()方法，被通知后仍要检查条件条件满足则执行对应的逻辑

通知方遵循规则：

获取对象的锁改变条件通知所有等待在对象上的线程

管道输入/输出流

用于线程之间的数据传输，传输媒介为内存。

具体是实现：PipedOutputStream、PipedInputStream、PipedReader、PipedWriter

PipeOutputStream、PipedWriter是输出流，相当于生产者

PipedInputStream、PipedReader是输入流，相当于消费者。

管道流使用一个默认大小为1kb的循环缓冲数组。输入流从缓冲数组读数据，输出流往缓冲数组中写数据。当数组已满时，输出流所在线程阻塞；当数组首次为空时，输入流所在线程阻塞。

Thread.join()的使用

如果一个线程A执行了thread.join()语句，其含义是：当前线程A等待thread线程终止之后才从thread.join()返回。即执行join方法，这个线程就会阻塞等待执行了join方法的线程终止，join的底层通过wait实现，线程终止时调用自身的notifyAll方法，通知所有等待在该线程对象上的线程。

ThreadLocal的使用

A等待thread线程终止之后才从thread.join()返回。即执行join方法，这个线程就会阻塞等待执行了join方法的线程终止，join的底层通过wait实现，线程终止时调用自身的notifyAll方法，通知所有等待在该线程对象上的线程。

ThreadLocal的使用

ThreadLocal即线程变量，是一个以ThreadLocal对象为键、任意对象为值的存储结构。它可以为每个线程创建单独的副本，副本值是线程私有的，互相之间不影响。 set方法

首先获取当前线程，然后再获取当前线程对应的ThreadLocalMap类型的对象map。如果map存在就直接设置值，key是当前的ThreadLocal对象，value是传入的参数。如果map不存在就通过createMap方法为当前线程创建一个ThreadLocalMap对象再设置值。

get方法

首先获取当前线程，然后再获取当前线程对应的ThreadLocalMap类型的对象map。如果map存在就以当前线程对应的ThreadLocal对象作为key获取Entry类型的对象e，如果存在就返回他的value属性。如果e不存在或map不存在就调用setInitialValue方法为当前线程创建一个ThreadLocalMap对象然后返回默认的初始值null。

remove方法

首先通过当前线程获取对应的ThreadLocalMap类型的对象m，如果m不为空，就解除ThreadLocal这个key及其对应的value值的联系。

存在的问题

线程重复使用会产生脏数据，由于线程池会重用Thread对象，因此与Thread绑定的ThreadLocal也会被重用。如果没有调用remove清理与线程相关的ThreadLocal信息，那么假如下一个线程也没有调用set设置初始值就可能get到重用的线程信息。

ThreadLocal还存在内存泄漏的问题，由于ThreadLocal是弱引用，但Entry的value是强引用，因此当Thread Local被垃圾回收后，value矣旧不会被释放。因此需要及时调用remove方法进行清理操作。