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Java 并发基础知识（一）：线程的基本概念

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1. 线程的概念

  • 线程表示一条单独的执行流，它有自己的程序执行计数器，有自己的栈

2. 在 Java 中创建线程的方式

  • 继承 Thread：继承 Thread 并重写其 run() 方法来实现一个子线程，再调用这个子线程对象的 start() 方法启动该子线程
  • 实现 Runnable：实现 Runnable 接口并实现 run() 方法，创建一个 Thread 子线程对象，传递一个 Runnable 对象，调用 Thread 对象的 start() 方法启动该子线程

3. 为什么调用的是 start() 方法，执行的却是 run() 方法

  • start() 表示启动该线程，使其成为一条单独的执行流。操作系统会分配线程相关的资源，每个线程会有单独的程序执行计数器和栈，操作系统会把这个线程作为一个独立的个体进行调度，分配时间片让它执行
  • 执行的起点就是 run() 方法

4. 如果不调用 start() 而直接调用 run() 方法呢，怎样确认代码是在哪个线程中执行的呢

  • 这时，并不会启动一条单独的执行流，run() 方法的代码依然是在 main() 线程中执行，run() 方法只是 main() 方法调用的一个普通方法
  • Thread 类有一个静态本地方法 currentThread()，返回当前执行的线程对象：public static native Thread currentThread()

5. 线程与 CPU 之间的关系是

  • 调用 start() 方法后就有了多条执行流，多条执行流并发执行，操作系统负责调度
  • 在单 CPU 的机器上，同一时刻只能有一个线程在执行；在多 CPU 的机器上，同一时刻可以有多个线程同时执行
  • 但操作系统给我们屏蔽了这种差异，给程序员的感觉就是多个线程并发执行，但哪条语句先执行哪条语句后执行是不一定的。当所有线程都执行完毕的时候，程序退出

6. 一个线程都有哪些基本属性和方法

  • 线程有一些基本属性和方法
  • 属性：id、name、优先级、状态
  • 方法：是否 daemon 线程、sleep() 方法、yield() 方法、join() 方法、过时方法等

7. 怎样理解线程的 id 和 name

  • 每个线程都有一个 id 和 name
  • id 是一个递增的整数，每创建一个线程就加 1
  • name 的默认值是 Thread- 后跟一个编号
  • name 可以在 Thread 的构造方法中进行指定，也可以在 setName() 方法中进行设置
  • 给 Thread 设置一个友好的名字，可以方便调试

8. 怎样理解线程的优先级

  • 线程有一个优先级的概念，在 Java 中，优先级从 1 到 10，默认为 5（不是从 0 开始）
  • 相关方法是：public final void setPriority(int newPriority)/public fianl int getPriority()
  • 这个优先级会被映射到操作系统中线程的优先级。不过，因为操作系统各不相同，不一定都是 10 个优先级，Java 中不同的优先级可能会被映射到操作系统中相同的优先级
  • 优先级对操作系统而言主要是一种建议和提示，而非强制。简单说，在编程中，不要过于依赖优先级

9. 怎样理解线程的状态，一个线程有哪些状态

  • 线程有一个状态的概念，Thread 有一个方法用于获取线程的状态：public State getState()

  • 返回值类型为：Thread.State，它是一个枚举类型，有如下值：NEW、RUNNABLE、BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING、TERMINATED

    • NEW：没有调用 start() 方法的线程的状态是 NEW
    • RUNNABLE：调用 start() 方法后线程在执行 run() 且没有阻塞时的状态是 RUNNABLE。不过，RUNNABLE 不代表 CPU 一定在执行该线程的代码，可能正在执行也可能在等待操作系统分配时间片，只是它没有在等待其他条件
    • BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING：都表示线程被阻塞了，在等待一些条件
    • TERMINATED：线程运行结束后状态是 TERMINATED

  • Thread 还有一个方法，返回线程是否活着：public final native boolean isAlive()。线程被启动后，run() 方法运行结束前，返回值都是 true

10. 怎样理解一个线程是否是 daemon 线程

  • Thread 有一个是否 daemon 线程的属性，相关方法是：public final void setDaemon(boolean on)/public final boolean isDaemon()
  • 启动线程会启动一条单独的执行流，整个程序只有在所有线程都结束的时候才退出。但 daemon 线程是个例外，当整个线程剩下的都是 daemon 线程的时候，程序就会退出
  • daemon 线程的作用是：它一般是其他线程的辅助线程，在它辅助的主线程退出的时候，它就没有存在的意义了
  • 即使运行一个最简单的程序，实际上，Java 也会创建多个线程。除了 main 线程外，至少还有一个负责垃圾回收的线程，这个线程就是 daemon 线程。在 main 线程结束的时候，垃圾回收线程也会退出

11. 对线程的 sleep() 方法的理解

  • 作用：sleep() 是 Thread 的一个静态本地方法，调用该方法会让当前线程睡眠指定的时间，单位是毫秒：public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException
  • 原理：睡眠期间，该线程会让出 CPU，但睡眠时间不一定是确切的给定毫秒数，可能有一定偏差，偏差与系统定时器和操作系统调度器的准确度和精度有关
  • 中断：睡眠期间，线程可以被中断，如果被中断，sleep() 会抛出 InterruptedException 异常

12. 对线程的 yield() 方法的理解

  • yield() 也是 Thread 的一个静态本地方法：public static native void yield()
  • 调用该方法，是告诉操作系统的调度器，现在不着急占用 CPU，可以让其他线程先运行
  • 不过，这对调度器也仅仅是建议，调度器如何处理是不一定的，它可能完全忽略该调用

13. 对线程的 join() 方法的理解

  • 作用：join() 方法可以让调用 join() 的线程等待该线程结束（相当于把子线程放到主线程中串行执行，更符合 join 单词的本意）。join() 方法的声明为：public final void join() throws InterruptedException
  • 中断：在等待线程结束的过程中，这个等待可能被中断，如果被中断，会抛出 InterruptedException 异常
  • 扩展：join() 方法还有一个变体，可以限定等待的最长时间。单位是毫秒，如果是 0，表示无限期等待：public final synchronized void join() throws InterruptedException

14. Thread 类中的过时方法有哪些

  • Thread 类中还有一些看上去可以控制线程生命周期的方法，如：public final void stop()/public final void suspend()/public final void resume()
  • 这些方法因为各种原因已被标记为了过时，不应该在程序中使用它们

15. 线程之间共享内存导致可能的问题有哪些

  • 每个线程表示一条单独的执行流，有自己的程序计数器，有自己的栈。但是，线程之间可以共享内存，它们可以访问和操作相同的对象。这就导致可能出现一些意料之外的结果，包括
    • 竞态条件（race condition）
    • 内存可见性问题

16. 什么是竞态条件（race condition），出现竞态条件的原因是，怎样解决

  • 概念：当多个线程访问和操作同一个对象时，最终执行结果与时序有关，可能正确也可能不正确

  • 原因：很多操作并不是原子操作。比如，自增操作：counter++，它分为三个步骤

    • 取 counter 的当前值
    • 在当前值基础上加 1
    • 将新值重新赋值给 counter

  • 解决

    • 使用 synchronized 关键字
    • 使用显示锁
    • 使用原子变量

17. 什么是内存可见性问题，出现内存可见性问题的原因是

  • 概念：多个线程可以共享访问和操作相同的变量，但一个线程对一个共享变量的修改，另一个线程不一定马上就能看到，甚至永远也看不到
  • 原因：在计算机系统中，除了内存，数据还会被缓存在 CPU 的寄存器以及各级缓存中。当访问一个变量时，可能直接从寄存器或 CPU 缓存中获取，而不一定到内存中去取；当修改一个变量时，也可能是先写到缓存中，稍后才会同步更新到内存中。在单线程的程序中，这一般不是问题，但在多线程的程序中，尤其是在有多 CPU 的情况下，这就是严重的问题。一个线程对内存的修改，另一个线程看不到，一是修改没有及时同步到内存，二是另一个线程根本就没从内存读
  • 解决
    • 使用 volatile 关键字
    • 使用 synchronized 关键字
    • 使用显示锁同步

18. 多线程的优点

  • 充分利用多 CPU 的计算能力。单线程只能利用一个 CPU，使用多线程可以利用多 CPU 的计算能力
  • 充分利用硬件资源。CPU 和硬盘、网络是可以同时工作的，一个线程在等待网络 IO 的同时，另一个线程完全可以利用 CPU，对于多个独立的网络请求，完全可以使用多个线程同时请求
  • 在用户界面（GUI）应用程序中，保持程序的响应性。界面和后台任务通常是不同的线程，否则，如果所有事情都是一个线程来执行，当执行一个很慢的任务时，整个界面将停止响应，也无法取消该任务
  • 简化建模及 IO 处理。比如，在服务器应用程序中，对每个用户请求使用一个单独的线程进行处理，相比使用一个线程，处理来自各种用户的各种请求，以及各种网络和文件 IO 事件，建模和编写线程要容易得多

19. 线程的成本

  • 线程是有成本的，创建线程需要消耗操作系统的资源，操作系统会为每个线程创建必要的数据结构、栈、程序计数器等，创建也需要一定的时间
  • 线程调度和切换也是有成本的，当有大量可运行线程的时候，操作系统会忙于调度，为一个线程分配一段时间，执行完后，再让另一个线程执行；一个线程被切换出去后，操作系统需要保存它的当前上下文状态到内存，上下文状态包括当前 CPU 寄存器的值、程序计数器的值等。而一个线程被切换回来后，操作系统需要恢复它原来的上下文状态，整个过程称为上下文切换。这个切换不仅耗时，而且使 CPU 中的很多缓存失效
  • 成本是相对而言的，如果线程中实际执行的事情比较多，这些成本是可以接受的
  • 另外，如果执行的任务都是 CPU 密集型的，即主要消耗的都是 CPU，那创建超过 CPU 数量的线程就是没有必要的，并不会加快程序的执行

20. 进程和线程的区别

  • 概念

    • 进程：是并发执行的程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位，是一个动态概念，竞争计算机系统资源的基本单位
    • 线程：是进程的一个执行单元，是进程内的调度实体。比进程更小的独立运行的基本单位。线程也被称为轻量级进程
    • 一个程序至少一个进程，一个进程至少一个线程

  • 为什么会有线程

    • 每个进程都有自己的地址空间，即进程空间。在网络或多用户换机下，一个服务器通常需要接收大量不确定数量用户的并发请求，为每一个请求都创建一个进程显然行不通（系统开销大响应用户请求效率低），因此操作系统中线程概念被引进
    • 线程的执行过程是线性的，尽管中间会发生中断或者暂停，但是进程所拥有的资源只为该线状执行过程服务，一旦发生线程切换，这些资源需要被保护起来
    • 进程分为单线程进程和多线程进程，单线程进程宏观来看也是线性执行过程，微观上只有单一的执行过程。多线程进程宏观是线性的，微观上多个执行操作
    • 线程的改变只代表CPU的执行过程的改变，而没有发生进程所拥有的资源的变化

  • 区别

    • 地址空间：同一进程的线程共享本进程的地址空间，而进程之间则是独立的地址空间

    • 资源拥有：同一进程内的线程共享本进程的资源如内存、I/O、cpu 等，但是进程之间的资源是独立的

      • 一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响，但是一个线程崩溃整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮。
      • 进程切换时，消耗的资源大、效率高。所以涉及到频繁的切换时，使用线程要好于进程。同样如果要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程不能用进程

    • 执行过程：每个独立的进程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序入口。但是线程不能独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制

    • 线程是处理器调度的基本单位，进程是系统资源分配的基本单位

    • 进程和线程都可以并发执行

  • 优缺点

    • 线程执行开销小，但是不利于资源的管理和保护。线程适合在SMP机器（双CPU系统）上运行
    • 进程执行开销大，但是能够很好的进行资源管理和保护。进程可以跨机器迁移

  • 进程、线程的使用场景

    • 对资源的管理和保护要求高，不限制开销和效率时，使用多进程
    • 要求效率高，频繁切换时，资源的保护管理要求不是很高时，使用多线程
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