Java线程相关

一：理解多线程
多线程是一种机制，它允许在程序中并发执行多个指令流，每个指令流都称为一个线程，彼此间互相独立。 线程又称为轻量级进程，它和进程一样拥有独立的执行控制，由操作系统负责调度，区别在于线程没有独立的存储空间，而是和所属进程中的其它线程共享一个存储空间，这使得线程间的通信远较进程简单。
多个线程的执行是并发的，也就是在逻辑上“同时”，而不管是否是物理上的“同时”。如果系统只有一个CPU，那么真正的“同时”是不可能的，但是由于CPU的速度非常快，用户感觉不到其中的区别，因此我们也不用关心它，只需要设想各个线程是同时执行即可。
多线程和传统的单线程在程序设计上最大的区别在于，由于各个线程的控制流彼此独立，使得各个线程之间的代码是乱序执行的，由此带来的线程调度，同步等问题，将在以后探讨。

二：实现多线程
为了创建一个新的线程，我们必须指明这个线程所要执行的代码，而这就是在Java中实现多线程我们所需要做的一切。
Java通过类做到这一点的。作为一个完全面向对象的语言，Java提供了类 java.lang.Thread 来方便多线程编程，这个类提供了大量的方法来方便我们控制自己的各个线程。
那么如何提供给 Java 我们要线程执行的代码呢？让我们来看一看 Thread 类。Thread 类最重要的方法是 run() ，它为Thread 类的方法 start() 所调用，提供我们的线程所要执行的代码。为了指定我们自己的代码，只需要覆盖它！
方法一：继承 Thread 类，覆盖方法 run()
我们在创建的 Thread 类的子类中重写 run() ,加入线程所要执行的代码即可。eg：

public class MyThread extends Thread {
　int count= 1, number;
　public MyThread(int num) {
　　number = num;
　　System.out.println("创建线程 " + number);
　}
　public void run() {
　　while(true) {
　　　System.out.println("线程 " + number + ":计数 " + count);
　　　if(++count== 6) return;
　　}
　}
　public static void main(String args[]) {
　　for(int i = 0; i 〈 5; i++) new MyThread(i+1).start();
　}
}

上述方法简单明了，符合习惯，但它也有一个很大的缺点，那就是如果我们的类已经从一个类继承（如小程序必须继承自 Applet 类），则无法再继承 Thread 类，这时如果我们又不想建立一个新的类，应如何？
探索一种新的方法：不创建 Thread 类的子类，而是直接使用它，那么只能将我们的方法作为参数传递给 Thread 类的实例，有点类似回调函数。但是 Java 没有指针，我们只能传递一个包含这个方法的类的实例。使用接口限制这个类必须包含这一方法。（虽然抽象类也可满足，但是需要继承，而我们之所以要采用这种新方法，就是为了避免继承带来的限制）
Java 提供了接口 java.lang.Runnable 来支持这种方法。
方法二：实现 Runnable 接口
Runnable 接口只有一个方法 run()，我们声明自己的类实现 Runnable 接口并提供这一方法，将我们的线程代码写入其中，就完成了这一部分的任务。但是 Runnable 接口并没有任何对线程的支持，我们还必须创建 Thread 类的实例，这一点通过 Thread 类的构造函数public Thread(Runnable target);来实现。eg：

public class MyThread implements Runnable {
　int count= 1, number;
　public MyThread(int num) {
　　number = num;
　　System.out.println("创建线程 " + number);
　}
　public void run() {
　　while(true) {
　　　System.out.println("线程 " + number + ":计数 " + count);
　　　if(++count== 6) return;
　　}
　}
　public static void main(String args[]) {
　　for(int i = 0; i 〈 5; i++) new Thread(new MyThread(i+1)).start();
　}
}

严格地说，创建 Thread 子类的实例也是可行的，但是必须注意的是，该子类必须没有覆盖 Thread 类的 run 方法，否则该线程执行的将是子类的 run 方法，而不是我们用以实现Runnable 接口的类的 run 方法。
　　使用 Runnable 接口来实现多线程使得我们能够在一个类中包容所有的代码，有利于封装，它的缺点在于，我们只能使用一套代码，若想创建多个线程并使各个线程执行不同的代码，则仍必须额外创建类，如果这样的话，在大多数情况下也许还不如直接用多个类分别继承 Thread 来得紧凑。　
拓：创建线程有几种不同的方式？哪种比较常用？
有三种方式可以用来创建线程：
1）继承Thread类
2）实现Runnable接口
3）应用程序可以使用Executor框架来创建线程池
实现Runnable接口这种方式更受欢迎，因为这不需要继承Thread类。在应用设计中已经继承了别的对象的情况下，这需要多继承（而Java不支持多继承），只能实现接口。同时，线程池也是非常高效的，很容易实现和使用。

三：线程的四种状态
　　1. 新状态：线程已被创建但尚未执行（start() 尚未被调用）。
　　2. 可执行状态：线程可以执行，虽然不一定正在执行。CPU 时间随时可能被分配给该线程，从而使得它执行。
　　3. 死亡状态：正常情况下 run() 返回使得线程死亡。调用 stop()或 destroy() 亦有同样效果，但是不被推荐，前者会产生异常，后者是强制终止，不会释放锁。
　　4. 阻塞状态：线程不会被分配 CPU 时间，无法执行。
拓： 请详细描述一下线程从创建到死亡的几种状态都有哪些？
新建( new )：新创建了一个线程对象。
可运行( runnable )：线程对象创建后，其他线程(比如 main 线程）调用了该对象 的 start ()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，等待被线程调度选中，获 取 cpu 的使用权 。
运行( running )：可运行状态( runnable )的线程获得了 cpu 时间片（ timeslice ） ，执行程序代码。
阻塞( block )：阻塞状态是指线程因为某种原因放弃了 cpu 使用权，也即让出了 cpu timeslice ，暂时停止运行。直到线程进入可运行( runnable )状态，才有 机会再次获得 cpu timeslice 转到运行( running )状态。阻塞的情况分三种：
(一). 等待阻塞：运行( running )的线程执行 o . wait ()方法， JVM 会把该线程放 入等待队列( waitting queue )中。
(二). 同步阻塞：运行( running )的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁 被别的线程占用，则 JVM 会把该线程放入锁池( lock pool )中。
(三). 其他阻塞: 运行( running )的线程执行 Thread . sleep ( long ms )或 t . join ()方法，或者发出了 I / O 请求时， JVM 会把该线程置为阻塞状态。 当 sleep ()状态超时、 join ()等待线程终止或者超时、或者 I / O 处理完毕时，线程重新转入可运行( runnable )状态。
死亡( dead )：线程 run ()、 main () 方法执行结束，或者因异常退出了 run ()方法，则该线程结束生命周期。死亡的线程不可再次复生。　
　　
四：线程的优先级
线程的优先级代表该线程的重要程度，当有多个线程同时处于可执行状态并等待获得 CPU 时间时，线程调度系统根据各个线程的优先级来决定给谁分配 CPU 时间，优先级高的线程有更大的机会获得 CPU 时间，优先级低的线程也不是没有机会，只是机会要小一些罢了。
你可以调用 Thread 类的方法 getPriority() 和 setPriority()来存取线程的优先级，线程的优先级界于1(MIN_PRIORITY)和10(MAX_PRIORITY)之间，缺省是5(NORM_PRIORITY)。

五：线程的同步
由于同一进程的多个线程共享同一片存储空间，在带来方便的同时，也带来了访问冲突这个严重的问题。Java语言提供了专门机制以解决这种冲突，有效避免了同一个数据对象被多个线程同时访问。
　　由于我们可以通过 private 关键字来保证数据对象只能被方法访问，所以我们只需针对方法提出一套机制，这套机制就是 synchronized 关键字，它包括两种用法：synchronized 方法和 synchronized 块。
　　1. synchronized 方法：通过在方法声明中加入 synchronized关键字来声明 synchronized 方法。如：
public synchronized void accessVal(int newVal);
　　synchronized 方法控制对类成员变量的访问：每个类实例对应一把锁，每个 synchronized 方法都必须获得调用该方法的类实例的锁方能执行，否则所属线程阻塞，方法一旦执行，就独占该锁，直到从该方法返回时才将锁释放，此后被阻塞的线程方能获得该锁，重新进入可执行状态。这种机制确保了同一时刻对于每一个类实例，其所有声明为 synchronized 的成员函数中至多只有一个处于可执行状态（因为至多只有一个能够获得该类实例对应的锁），从而有效避免了类成员变量的访问冲突（只要所有可能访问类成员变量的方法均被声明为 synchronized）。
　　在 Java 中，不光是类实例，每一个类也对应一把锁，这样我们也可将类的静态成员函数声明为 synchronized ，以控制其对类的静态成员变量的访问。
　　synchronized 方法的缺陷：若将一个大的方法声明为synchronized 将会大大影响效率，典型地，若将线程类的方法 run() 声明为 synchronized ，由于在线程的整个生命期内它一直在运行，因此将导致它对本类任何 synchronized 方法的调用都永远不会成功。当然我们可以通过将访问类成员变量的代码放到专门的方法中，将其声明为 synchronized ，并在主方法中调用来解决这一问题，但是 Java 为我们提供了更好的解决办法，那就是 synchronized 块。
　　2. synchronized 块：通过 synchronized关键字来声明synchronized 块。语法如下：

synchronized(syncObject) {
//允许访问控制的代码
}

synchronized 块是这样一个代码块，其中的代码必须获得对象 syncObject （如前所述，可以是类实例或类）的锁方能执行，具体机制同前所述。由于可以针对任意代码块，且可任意指定上锁的对象，故灵活性较高。
拓：同步方法和同步代码块的区别
同步方法默认用this或者当前类class对象作为锁；
同步代码块可以选择以什么来加锁，比同步方法要更细颗粒度，我们可以选择只同步会发生同步问题的部分代码而不是整个方法。

六：线程的阻塞
为了解决对共享存储区的访问冲突，Java 引入了同步机制，考察多个线程对共享资源的访问，显然同步机制已经不够了，因为在任意时刻所要求的资源不一定已经准备好了被访问，反过来，同一时刻准备好了的资源也可能不止一个。为了解决这种情况下的访问控制问题，Java 引入了对阻塞机制的支持。
阻塞指的是暂停一个线程的执行以等待某个条件发生（如某资源就绪），学过操作系统的同学对它一定已经很熟悉了。Java 提供了大量方法来支持阻塞，下面让我们逐一分析。
　　1. sleep() 方法：sleep() 允许 指定以毫秒为单位的一段时间作为参数，它使得线程在指定的时间内进入阻塞状态，不能得到CPU 时间，指定的时间一过，线程重新进入可执行状态。
　　典型地，sleep() 被用在等待某个资源就绪的情形：测试发现条件不满足后，让线程阻塞一段时间后重新测试，直到条件满足为止。
　　2. suspend() 和 resume() 方法：两个方法配套使用，suspend()使得线程进入阻塞状态，并且不会自动恢复，必须其对应的resume() 被调用，才能使得线程重新进入可执行状态。典型地，suspend() 和 resume() 被用在等待另一个线程产生的结果的情形：测试发现结果还没有产生后，让线程阻塞，另一个线程产生了结果后，调用 resume() 使其恢复。
　　3. yield() 方法：yield() 使得线程放弃当前分得的 CPU 时间，但是不使线程阻塞，即线程仍处于可执行状态，随时可能再次分得 CPU 时间。调用 yield() 的效果等价于调度程序认为该线程已执行了足够的时间从而转到另一个线程。
　　4. wait() 和 notify() 方法：两个方法配套使用，wait() 使得线程进入阻塞状态，它有两种形式，一种允许 指定以毫秒为单位的一段时间作为参数，另一种没有参数，前者当对应的 notify() 被调用或者超出指定时间时线程重新进入可执行状态，后者则必须对应的 notify() 被调用。
初看起来它们与 suspend() 和 resume() 方法对没有什么分别，但是事实上它们是截然不同的。区别的核心在于，前面叙述的所有方法，阻塞时都不会释放占用的锁（如果占用了的话），而这一对方法则相反。
　　上述的核心区别导致了一系列的细节上的区别。
首先，前面叙述的所有方法都隶属于 Thread 类，但是这一对却直接隶属于 Object 类，也就是说，所有对象都拥有这一对方法。初看起来这十分不可思议，但是实际上却是很自然的，因为这一对方法阻塞时要释放占用的锁，而锁是任何对象都具有的，调用任意对象的 wait() 方法导致线程阻塞，并且该对象上的锁被释放。而调用任意对象的notify()方法则导致因调用该对象的 wait() 方法而阻塞的线程中随机选择的一个解除阻塞（但要等到获得锁后才真正可执行）。
其次，前面叙述的所有方法都可在任何位置调用，但是这一对方法却必须在 synchronized 方法或块中调用，理由也很简单，只有在synchronized 方法或块中当前线程才占有锁，才有锁可以释放。同样的道理，调用这一对方法的对象上的锁必须为当前线程所拥有，这样才有锁可以释放。因此，这一对方法调用必须放置在这样的 synchronized 方法或块中，该方法或块的上锁对象就是调用这一对方法的对象。若不满足这一条件，则程序虽然仍能编译，但在运行时会出现IllegalMonitorStateException 异常。
wait() 和 notify() 方法的上述特性决定了它们经常和synchronized 方法或块一起使用，将它们和操作系统的进程间通信机制作一个比较就会发现它们的相似性：synchronized方法或块提供了类似于操作系统原语的功能，它们的执行不会受到多线程机制的干扰，而这一对方法则相当于 block 和wakeup 原语（这一对方法均声明为 synchronized）。它们的结合使得我们可以实现操作系统上一系列精妙的进程间通信的算法（如信号量算法），并用于解决各种复杂的线程间通信问题。
　　关于 wait() 和 notify() 方法最后再说明两点：
第一：调用 notify() 方法导致解除阻塞的线程是从因调用该对象的 wait() 方法而阻塞的线程中随机选取的，我们无法预料哪一个线程将会被选择，所以编程时要特别小心，避免因这种不确定性而产生问题。
第二：除了 notify()，还有一个方法 notifyAll() 也可起到类似作用，唯一的区别在于，调用 notifyAll() 方法将把因调用该对象的 wait() 方法而阻塞的所有线程一次性全部解除阻塞。当然，只有获得锁的那一个线程才能进入可执行状态。
谈到阻塞，就不能不谈一谈死锁，略一分析就能发现，suspend() 方法和不指定超时期限的 wait() 方法的调用都可能产生死锁。遗憾的是，Java 并不在语言级别上支持死锁的避免，我们在编程中必须小心地避免死锁。
以上我们对 Java 中实现线程阻塞的各种方法作了一番分析，我们重点分析了 wait() 和 notify() 方法，因为它们的功能最强大，使用也最灵活，但是这也导致了它们的效率较低，较容易出错。实际使用中我们应该灵活使用各种方法，以便更好地达到我们的目的。
拓：线程的sleep()方法和yield()方法区别
①sleep()方法给其他线程运行机会时不考虑线程的优先级，因此会给低优先级的线程以运行的机会；yield()方法只会给相同优先级或更高优先级的线程以运行的机会；
② 线程执行sleep()方法后转入阻塞（blocked）状态，而执行yield()方法后转入就绪（ready）状态；
③ sleep()方法声明抛出InterruptedException，而yield()方法没有声明任何异常；
④ sleep()方法比yield()方法（跟操作系统CPU调度相关）具有更好的可移植性。
拓：sleep() 和 wait()区别
sleep是线程类（Thread）的方法，导致此线程暂停执行指定时间，把执行机会给其他线程，但是监控状态依然保持，到时后会自动恢复。调用sleep不会释放对象锁。
wait是Object类的方法，对此对象调用wait方法导致本线程放弃对象锁，进入等待此对象的等待锁定池，只有针对此对象发出notify方法（或notifyAll）后本线程才进入对象锁定池准备获得对象锁进入运行状态。

七：守护线程
守护线程是一类特殊的线程，它和普通线程的区别在于它并不是应用程序的核心部分，当一个应用程序的所有非守护线程终止运行时，即使仍然有守护线程在运行，应用程序也将终止，反之，只要有一个非守护线程在运行，应用程序就不会终止。守护线程一般被用于在后台为其它线程提供服务。
可以通过调用方法 isDaemon() 来判断一个线程是否是守护线程，也可以调用方法 setDaemon() 来将一个线程设为守护线程。

八：线程组
线程组是一个 Java 特有的概念，在 Java 中，线程组是类ThreadGroup 的对象，每个线程都隶属于唯一一个线程组，这个线程组在线程创建时指定并在线程的整个生命期内都不能更改。你可以通过调用包含 ThreadGroup 类型参数的 Thread 类构造函数来指定线程属的线程组，若没有指定，则线程缺省地隶属于名为 system 的系统线程组。
在 Java 中，除了预建的系统线程组外，所有线程组都必须显式创建。在 Java 中，除系统线程组外的每个线程组又隶属于另一个线程组，你可以在创建线程组时指定其所隶属的线程组，若没有指定，则缺省地隶属于系统线程组。这样，所有线程组组成了一棵以系统线程组为根的树。
Java 允许我们对一个线程组中的所有线程同时进行操作，比如我们可以通过调用线程组的相应方法来设置其中所有线程的优先级，也可以启动或阻塞其中的所有线程。
Java 的线程组机制的另一个重要作用是线程安全。线程组机制允许我们通过分组来区分有不同安全特性的线程，对不同组的线程进行不同的处理，还可以通过线程组的分层结构来支持不对等安全措施的采用。Java 的 ThreadGroup 类提供了大量的方法来方便我们对线程组树中的每一个线程组以及线程组中的每一个线程进行操作。

九：什么时候需要多线程
多线程的核心在于多个代码块并发执行，本质特点在于各代码块之间的代码是乱序执行的。我们的程序是否需要多线程，就是要看这是否也是它的内在特点。
假如我们的程序根本不要求多个代码块并发执行，那自然不需要使用多线程；假如我们的程序虽然要求多个代码块并发执行，但是却不要求乱序，则我们完全可以用一个循环来简单高效地实现，也不需要使用多线程；只有当它完全符合多线程的特点时，多线程机制对线程间通信和线程管理的强大支持才能有用武之地，这时使用多线程才是值得的。

十：多线程回调
所谓回调，就是客户程序C调用服务程序S中的某个方法A，然后S又在某个时候反过来调用C中的某个方法B，对于C来说，这个B便叫做回调方法。
例如，设置一个提问者，一个回答者，而回答者需要回答提问者一个很深奥的问题时，这时需要很多时间去查找，提问者又开始做其他的事情，等回答者找到答案后，再把答案告诉提问者。

十一：如何保证线程安全
通过合理的时间调度，避开共享资源的存取冲突。另外，在并行任务设计上可以通过适当的策略，保证任务与任务之间不存在共享资源，设计一个规则来保证一个客户的计算工作和数据访问只会被一个线程或一台工作机完成，而不是把一个客户的计算工作分配给多个线程去完成。

十二：什么是线程池（thread pool）
简要回答：在面向对象编程中，创建和销毁对象是很费时间的，所以就产生了线程池，需要的时候从池中获取线程不用自行创建，使用完毕不需要销毁线程而是放回池中，从而减少创建和销毁线程对象的开销
拓：请简述一下线程池的运行流程，使用参数以及方法策略等。

提交任务后，首先判断核心线程池里的线程是否都在执行任务，如果不是则直接从核心线程池中创建一个线程来执行，如果都在忙则判断任务队列是否也满了，没满的话将任务放进去等待执行，满了就判断线程池的全部线程是否都在忙，如果都在忙就交给饱和策略来处理，否则就创建一个线程来帮助核心线程处理任务。
重要参数：
CorePoolSize:核心线程池大小
MaximumPoolSize：最大线程数
WorkQueue：任务缓存队列
ThreadFactory：线程工厂，主要用来创建线程
Handler：饱和处理策略
饱和处理策略：
ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丢弃任务，但是不抛出异常。
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务
拓： 请说明一下线程池有什么优势？
1）降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
2）提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能执行。
3）提高线程的可管理性，线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。

十三：线程同步和线程调度的相关方法
wait()：使一个线程处于等待（阻塞）状态，并且释放所持有的对象的锁；
sleep()：使一个正在运行的线程处于睡眠状态，是一个静态方法，调用此方法要处理InterruptedException异常；
notify()：唤醒一个处于等待状态的线程，当然在调用此方法的时候，并不能确切的唤醒某一个等待状态的线程，而是由JVM确定唤醒哪个线程，而且与优先级无关；
notityAll()：唤醒所有处于等待状态的线程，该方法并不是将对象的锁给所有线程，而是让它们竞争，只有获得锁的线程才能进入就绪状态；

十四：请说明一下线程中的同步和异步有何异同？并且请举例说明在什么情况下会使用到同步和异步？
如果数据将在线程间共享。例如正在写的数据以后可能被另一个线程读到，或者正在读的数据可能已经被另一个线程写过了，那么这些数据就是共享数据，必须进行同步存取。
当应用程序在对象上调用了一个需要花费很长时间来执行的方法，并且不希望让程序等待方法的返回时，就应该使用异步编程，在很多情况下采用异步途径往往更有效率。