深入解析Java进程与线程概念、创建、通信与线程安全-优快云博客

一.进程和线程

1.1进程

是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有一个独立的内存空间，一个应用程序可以同时运行多个进程；进程也是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位；系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程.

1.2线程

进程内部的一个独立执行单元；一个进程可以同时并发的运行多个线程，可以理解为一个进程便相当于一个单 CPU 操作系统，而线程便是这个系统中运行的多个任务。

1.3进程与线程的区别

根本区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是处理器任务调度和执行的基本单位（也可以理解为进程当中的一条执行流程）
资源开销：每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），程序之间的切换会有较大的开销；线程可以看做轻量级的进程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），线程之间切换的开销小。
包含关系：如果一个进程内有多个线程，则执行过程不是一条线的，而是多条线（线程）共同完成的；线程是进程的一部分，所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。
内存分配：同一进程的线程共享本进程的地址空间和资源，而进程之间的地址空间和资源是相互独立的
影响关系：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。
执行过程：每个独立的进程有程序运行的入口、顺序执行序列和程序出口。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，两者均可并发执行
调度和切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。

二.线程的创建方式

2.1继承Thread类

自定义一个类继承Thread类,并重写run()方法,没有返回值

2.2实现Runable接口

自定义一个类实现Runable接口,并重写run()方法,没有返回值

2.3实现Callable接口

自定义一个类实现Callable接口,重写call()方法.

创建Future的实现类FutureTask对象，把自定义的Callable实现类对象作为构造方法的参数.

创建Thread类的对象，把FutureTask对象作为构造方法的参数.

再调用FutureTask对象的get方法，就可以获取线程结束之后的结果。

Runable接口与Callable接口主要区别：
1、Runnable 接口 run 方法无返回值；Callable 接口 call 方法有返回值，是个泛型，和Future、FutureTask配合可以用来获取异步执行的结果。
2、Runnable 接口 run 方法只能抛出运行时异常，且无法捕获处理；Callable 接口 call 方法允许抛出异常，可以获取异常信息。
注：Callalbe接口支持返回执行结果，需要调用FutureTask.get()得到，此方法会阻塞主进程的继续往下执行，如果不调用不会阻塞。

2.4线程池创建

构造方法参数

/*
    public ThreadPoolExecutor(
        int corePoolSize,                       最大核心线程数（正式员工最大数量）
        int maximumPoolSize,                    所有线程最大数量(正式员工 + 临时员工的最大数量)
        long keepAliveTime,                     临时线程最大的空闲时间
        TimeUnit unit,                          临时线程最大空闲时间的单位，TimeUnit枚举类型
        BlockingQueue<Runnable> workQueue,      任务队列。待处理任务数量>核心线程空闲数量，多余的任务存入该队列。
                                                如果队列满了，又有新的任务，就会创建临时线程。
        ThreadFactory threadFactory,            线程工厂。创建新线程的工厂。
        RejectedExecutionHandler handler        任务拒绝策略。拒绝条件：要执行的任务 > 所有线程最大数量（参数2） + 任务队列容量（参数5）
    ) {
 */

工作流程

当有任务提交时，判断

三.线程状态

状态描述：

NEW(新建) 线程刚被创建，但是并未启动。

RUNNABLE(可运行) 线程可以在java虚拟机中运行的状态，可能正在运行自己代码，也可能没有，这取决于操作系统处理器。

BLOCKED(锁阻塞) 当一个线程试图获取一个对象锁，而该对象锁被其他的线程持有，则该线程进入Blocked状态；当该线程持有锁时，该线程将变成Runnable状态。

WAITING(无限等待) 一个线程在等待另一个线程执行一个（唤醒）动作时，该线程进入Waiting状态。进入这个状态后是不能自动唤醒的，必须等待另一个线程调用notify或者notifyAll方法才能够唤醒。

TIMED_WAITING(计时等待) 同waiting状态，有几个方法有超时参数，调用他们将进入Timed Waiting状态。这一状态将一直保持到超时期满或者接收到唤醒通知。带有超时参数的常用方法有Thread.sleep 、Object.wait。

TERMINATED(被终止) 因为run方法正常退出而死亡，或者因为没有捕获的异常终止了run方法而死亡。

四.线程安全问题

线程安全问题：简单来说，就是在多线程的调度下，导致出现了一些随机性，随机性使代码出现了一些bug

4.1问题产生背景

线程安全问题取决于线程共享数据是否安全,这个问题往往产生于对共享数据的并发修改.

由此可以看出线程安全问题的产生需要同时满足两个条件:

多线程
对同一个共享资源进行修改操作

如果我们始终只用一个线程去增删改数据,那么就不会产生线程安全问题;此外如果我们只是使用多线程对同一个共享资源做数据查询,并不对数据产生修改,同样也不会出现线程安全问题.

4.2解决方案

给线程加锁,在执行线程任务之前,让线程们去竞争锁,只有竞争到锁的线程才可以对共享资源进行修改,其他没有竞争到该锁资源的线程进入锁阻塞的状态.只有当持有锁的线程释放了该锁,其他处于锁阻塞又会重新去竞争锁资源.

4.2.1使用Synchronized关键字

synchronized 是Java的关键字，它可以修饰方法和代码块。

出异常时会释放锁，不会出现死锁.

不会手动释放锁，只能等同步代码块或方法结束后释放锁.

使用方式:

普通同步方法，锁是当前实例对象 this
静态同步方法，锁是当前类的class对象
同步代码块，锁是括号里面的对象【必须共享】

4.2.2使用Lock接口的实现类

Lock 是 java.util.concurrent.locks 包中的一个接口，它只能作用在代码块上。

出异常时不会释放锁，会出现死锁，需要在finally中手动释放锁

可以调用api手动释放锁

使用方式:

需要先创建一个Lock的实现类,然后在需要加锁的代码前面使用该实现类对象的lock()方法;当想要释放锁时,就需要调用该锁对象的unlock()方法.

4.2.3Synchronized 与 Lock 的区别

4.3锁分类

4.3.1悲观锁与乐观锁

乐观锁和悲观锁是两种思想，用于解决并发场景下的数据竞争问题。

乐观锁：乐观锁在操作数据时非常乐观，认为别人不会同时修改数据。因此乐观锁不会上锁，只是在执行更新的时候判断一下在此期间别人是否修改了数据：如果别人修改了数据则放弃操作，否则执行操作。
悲观锁：悲观锁在操作数据时比较悲观，认为别人会同时修改数据。因此操作数据时直接把数据锁住，直到操作完成后才会释放锁；上锁期间其他人不能修改数据。

乐观锁的实现方式：

    乐观锁的实现方式主要有两种，一种是CAS（Compare and Swap，比较并交换）机制，一种是版本号机制。

CAS机制：

    CAS操作包括了三个操作数，分别是需要读取的内存位置（V）、进行比较的预期值（A）和拟写入的新值（B），操作逻辑是，如果内存位置V的值等于预期值A，则将该位置更新为新值B，否则不进行操作。另外，许多CAS操作都是自旋的，意思就是，如果操作不成功，就会一直重试，直到操作成功为止。

版本号机制：

    版本号机制的基本思路，是在数据中增加一个version字段用来表示该数据的版本号，每当数据被修改版本号就会加1。当某个线程查询数据的时候，会将该数据的版本号一起读取出来，之后在该线程需要更新该数据的时候，就将之前读取的版本号与当前版本号进行比较，如果一致，则执行操作，如果不一致，则放弃操作。

悲观锁的实现方式：

    悲观锁的实现方式也就是加锁，加锁既可以在代码层面（比如Java中的synchronized关键字），也可以在数据库层面（比如MySQL中的排他锁）。

4.3.2公平锁与非公平锁

公平锁

公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁。
公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。
缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU 唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大。

非公平锁

非公平锁是多个线程加锁时直接尝试获取锁，能抢到锁到直接占有锁，抢不到才会到等待队列的队尾等待。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁，所以非公平锁有可能出现后申请锁的线程先获取锁的场景。
非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU 不必唤醒所有线程。
缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。