4、Java 并发编程基础

线程作为操作系统调度的最小单元，多个线程能够同时执行，这将 显著提升程序性能，在多核环境中表现得更加明显。但是，过多地创建线程和对线程的不当管 理也容易造成问题

4.1 线程简介

什么是线程

• 线程都拥有各自的计数器、堆栈和局 部变量等属性，并且能够访问共享的内存变量，，一个Java程序的运行不仅仅是main()方法的运行，而是main线程和多个其他线 程的同时运行。

为什么要使用多线程

（1）更多的处理器核心

• 线程是大多数操作系统调度的基本单元，一个程序作为一个进程来运行，程序运行过程 中能够创建多个线程，而一个线程在一个时刻只能运行在一个处理器核心上
• 如果该程序使用多线程技术，将计算逻辑分配到多个处理器核心 上，就会显著减少程序的处理时间，并且随着更多处理器核心的加入而变得更有效率

（2）更快的响应时间

• 将数据一致性不强的操作派发给其他线程处 理（也可以使用消息队列），如生成订单快照、发送邮件等。这样做的好处是响应用户请求的线 程能够尽可能快地处理完成，缩短了响应时间，提升了用户体验

（3）更好的编程模型

线程优先级

• 现代操作系统基本采用时分的形式调度运行的线程，操作系统会分出一个个时间片，线 程会分配到若干时间片，当线程的时间片用完了就会发生线程调度，并等待着下次分配。线程 分配到的时间片多少也就决定了线程使用处理器资源的多少，而线程优先级就是决定线程需 要多或者少分配一些处理器资源的线程属性
• 在Java线程中，通过一个整型成员变量priority来控制优先级，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。设置线程优先级时，针对频繁阻塞（休眠或者I/O操 作）的线程需要设置较高优先级，而偏重计算（需要较多CPU时间或者偏运算）的线程则设置较 低的优先级，确保处理器不会被独占。在不同的JVM以及操作系统上，线程规划会存在差异， 有些操作系统甚至会忽略对线程优先级的设定

注意

线程优先级不能作为程序正确性的依赖，因为操作系统可以完全不用理会Java 线程对于优先级的设定。笔者的环境为：Mac OS X 10.10，Java版本为1.7.0_71，经过笔者验证 该环境下所有Java线程优先级均为5（通过jstack查看），对线程优先级的设置会被忽略。另外， 尝试在Ubuntu 14.04环境下运行该示例，输出结果也表示该环境忽略了线程优先级的设置。

线程的状态

• 线程在自身的生命周期中， 并不是固定地处于某个状态，而是随着代码的执行在不同的状态之间进行切换

• Java线程状态变迁
  

• 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需要依靠其他线程的通知才能够返回到运行状 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将 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，线程将会进入到阻塞 状态。线程在执行Runnable的run()方法之后将会进入到终止状态。
  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（获取锁）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 阻塞的实现均使用了LockSupport类中的相关方法。

Daemon线程

• Daemon线程是一种支持型线程，因为它主要被用作程序中后台调度以及支持性工作。当一个Java虚拟机中不存在非Daemon线程的时候，Java虚拟机将会退出。可以通过调 用Thread.setDaemon(true)将线程设置为Daemon线程。
• Daemon属性需要在启动线程之前设置，不能在启动线程之后设置
• Daemon线程被用作完成支持性工作，但是在Java虚拟机退出时Daemon线程中的finally块 并不一定会执行
• 在构建Daemon线程时，不能依靠finally块中的内容来确保执行关闭或清理资源
  的逻辑。

4.2 启动和终止线程

构造线程

• 在运行线程之前首先要构造一个线程对象，线程对象在构造的时候需要提供线程所需要 的属性，如线程所属的线程组、线程优先级、是否是Daemon线程等信息
• 一个新构造的线程对象是由其parent线程来进行空间分配的，而child线程 继承了parent是否为Daemon、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。至此，一个能够运行的线程对 象就初始化好了，在堆内存中等待着运行

启动线程

• 线程对象在初始化完成之后，调用start()方法就可以启动这个线程。线程start()方法的含义 是：当前线程（即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
  注意
  启动一个线程前，最好为这个线程设置线程名称，因为这样在使用jstack分析程 序或者进行问题排查时，就会给开发人员提供一些提示，自定义的线程最好能够起个名字。

理解中断

• 线程的一个标识位属性，它表示一个运行中的线程是否被其他线程进行 了中断操作。中断好比其他线程对该线程打了个招呼，其他线程通过调用该线程的interrupt() 方法对其进行中断操作
• ，线程通过方法isInterrupted()来进行判断是否 被中断，也可以调用静态方法Thread.interrupted()对当前线程的中断标识位进行复位。如果该 线程已经处于终结状态，即使该线程被中断过，在调用该线程对象的isInterrupted()时依旧会返 回false
• 抛出InterruptedException，此时调用isInterrupted()方法将会返回false

过期的suspend()、resume()和stop()

暂停、恢复和停止操作

• 不建议使用的原因主要有：
  以suspend()方法为例，在调用后，线程不会释放已经占有的资 源（比如锁），而是占有着资源进入睡眠状态，这样容易引发死锁问题。同样，stop()方法在终结 一个线程时不会保证线程的资源正常释放，通常是没有给予线程完成资源释放工作的机会， 因此会导致程序可能工作在不确定状态下。
  注意
  正因为suspend()、resume()和stop()方法带来的副作用，这些方法才被标注为不建 议使用的过期方法，而暂停和恢复操作可以用后面提到的等待/通知机制来替代。

安全地终止线程

• 中断状态是线程的一个标识位，而中断操作是一种简便的线程间交互 方式，而这种交互方式最适合用来取消或停止任务。
• 利用一个boolean 变量来控制是否需要停止任务并终止该线程。

4.3 线程间通信

volatile和synchronized关键字

• 关键字volatile可以用来修饰字段（成员变量），就是告知程序任何对该变量的访问均需要 从共享内存中获取，而对它的改变必须同步刷新回共享内存，它能保证所有线程对变量访问 的可见性
  过多地使用volatile是不必要的，因为 它会降低程序执行的效率
• 关键字synchronized可以修饰方法或者以同步块的形式来进行使用，它主要确保多个线程 在同一个时刻，只能有一个线程处于方法或者同步块中，它保证了线程对变量访问的可见性 和排他性
• 同步块的实现使用了monitorenter和monitorexit指令，同步方法则 是依靠方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED来完成。本质是对一个对象的监视器（monitor）进行获取，而这个获取过程是排他的，也就是同一时刻只能有一个 线程获取到由synchronized所保护对象的监视器
• 任意一个对象都拥有自己的监视器，当这个对象由同步块或者这个对象的同步方法调用 时，执行方法的线程必须先获取到该对象的监视器才能进入同步块或者同步方法，而没有获 取到监视器（执行该方法）的线程将会被阻塞在同步块和同步方法的入口处，进入BLOCKED 状态

等待/通知机制

等待/通知的相关方法是任意Java对象都具备的，因为这些方法被定义在所有对象的超类 java.lang.Object上

• 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收到通知后从对象O的wait()方法返回，进而 执行后续操作。上述两个线程通过对象O来完成交互，而对象上的wait()和notify/notifyAll()的 关系就如同开关信号一样，用来完成等待方和通知方之间的交互工作
• 调用wait()、notify()以 及notifyAll()时需要注意的细节
  1）使用wait()、notify()和notifyAll()时需要先对调用对象加锁。
  2）调用wait()方法后，线程状态由RUNNING变为WAITING，并将当前线程放置到对象的 等待队列。
  3）notify()或notifyAll()方法调用后，等待线程依旧不会从wait()返回，需要调用notify()或 notifAll()的线程释放锁之后，等待线程才有机会从wait()返回。
  4）notify()方法将等待队列中的一个等待线程从等待队列中移到同步队列中，而notifyAll() 方法则是将等待队列中所有的线程全部移到同步队列，被移动的线程状态由WAITING变为 BLOCKED。
  5）从wait()方法返回的前提是获得了调用对象的锁。
• 等待/通知机制依托于同步机制，其目的就是确保等待线程从 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

等待方

• 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
• 获得对象的锁。
• 改变条件。
• 通知所有等待在对象上的线程。

管道输入/输出流

主要用于线程之间的数据传输，而传输的媒介为内存。

• PipedOutputStream、PipedInputStream、 PipedReader和PipedWriter，前两种面向字节，而后两种面向字符

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。
• 线程Thread除了提供join()方法之外，还提供了join(long millis) 和join(long millis,int nanos) 两个具备超时特性的方法。这两个超时方法表示，如果线程thread 在给定的超时时间里没有终止，那么将会从该超时方法中返回
• 当线程终止时，会调用线程自身的notifyAll()方法，会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。这 个结构被附带在线程上，也就是说一个线程可以根据一个ThreadLocal对象查询到绑定在这个 线程上的一个值。
• 可以通过set(T)方法来设置一个值，在当前线程下再通过get()方法获取到原先设置的值

4.4 线程应用实例

等待超时模式

• 等待/通知的经典范式，即加锁、条件循环和处理逻辑3个步骤，而这种 范式无法做到超时等待
  假设超时时间段是T，那么可以推断出在当前时间now+T之后就会超时。
  定义如下变量。
  ···等待持续时间：REMAINING=T。
  ···超时时间：FUTURE=now+T。
  ··· 这时仅需要wait(REMAINING)即可，在wait(REMAINING)返回之后会将执行： REMAINING=FUTURE–now。如果REMAINING小于等于0，表示已经超时，直接退出，否则将 继续执行wait(REMAINING)

连接池

连接池的定义
它通过构造函数初始化连接的最大上限，通过一个双向队列 来维护连接，调用方需要先调用fetchConnection(long)方法来指定在多少毫秒内超时获取连接， 当连接使用完成后，需要调用releaseConnection(Connection)方法将连接放回线程池

线程池技术及其示例

• 对于服务端的程序，经常面对的是客户端传入的短小（执行时间短、工作内容较为单一） 任务，需要服务端快速处理并返回结果。如果服务端每次接受到一个任务，创建一个线程，然 后进行执行，这在原型阶段是个不错的选择，但是面对成千上万的任务递交进服务器时，如果 还是采用一个任务一个线程的方式，那么将会创建数以万记的线程，这不是一个好的选择。因 为这会使操作系统频繁的进行线程上下文切换，无故增加系统的负载，而线程的创建和消亡 都是需要耗费系统资源的，也无疑浪费了系统资源。
• 线程池技术能够很好地解决这个问题，它预先创建了若干数量的线程，并且不能由用户 直接对线程的创建进行控制，在这个前提下重复使用固定或较为固定数目的线程来完成任务 的执行。这样做的好处是，一方面，消除了频繁创建和消亡线程的系统资源开销，另一方面， 面对过量任务的提交能够平缓的劣化。
• 线程池的本质就是使用了一个线程安全的工作队列连接工作者线程和客户端 线程，客户端线程将任务放入工作队列后便返回，而工作者线程则不断地从工作队列上取出 工作并执行。当工作队列为空时，所有的工作者线程均等待在工作队列上，当有客户端提交了 一个任务之后会通知任意一个工作者线程，随着大量的任务被提交，更多的工作者线程会被 唤醒
• 线程池中线程数量并不是越多越好，具体的数量需要评估每个任务的处理时间，以 及当前计算机的处理器能力和数量。使用的线程过少，无法发挥处理器的性能；使用的线程过 多，将会增加系统的无故开销，起到相反的作用。