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Java線程知識筆記
如果使用得當，線程可以有效地降低程序的開發(fā)和維護等成本，同時提升復雜應用程序的性能。具體說，線程的優(yōu)勢有：
Java線程知識筆記
1、發(fā)揮多處理器的強大能力
現(xiàn)在，多處理器系統(tǒng)正日益盛行，并且價格不斷降低，即時在低端服務(wù)器和中斷桌面系統(tǒng)中，通常也會采用多個處理器，這種趨勢還在進一步加快，因為通過提高時鐘頻率來提升性能已變得越來越困難，處理器生產(chǎn)廠商都開始轉(zhuǎn)而在單個芯片上放置多個處理器核。
試想，如果只有單個線程，雙核處理器系統(tǒng)上程序只能使用一半的CPU資源，擁有100個處理器的系統(tǒng)上將有99%的資源無法使用。多線程程序則可以同時在多個處理器上執(zhí)行，如果設(shè)計正確，多線程程序可以通過提高處理器資源的利用率來提升系統(tǒng)吞吐率。
2、在單處理器系統(tǒng)上獲得更高的吞吐率
如果程序是單線程的，那么當程序等待某個同步I/O操作完成時，處理器將處于空閑狀態(tài)。而在多線程程序中，如果一個線程在等待I/O操作完成，另一個線程可以繼續(xù)運行，使得程序能在I/O阻塞期間繼續(xù)運行。
3、建模的簡單性
通過使用線程，可以將復雜并且異步的工作流進一步分解為一組簡單并且同步的工作流，每個工作流在一個單獨的線程中運行，并在特定的同步位置進行交互。我們可以通過一些現(xiàn)有框架來實現(xiàn)上述目標，例如Servlet和RMI，框架負責解決一些細節(jié)問題，例如請求管理、線程創(chuàng)建、負載平衡，并在正確的時候?qū)⒄埱蠓职l(fā)給正確的應用程序組件。
編寫Servlet的開發(fā)人員不需要了解多少請求在同一時刻要被處理，也不需要了解套接字的輸入流或輸出流是否被阻塞，當調(diào)用Servlet的service方法來響應Web請求時，可以以同步的方式來處理這個請求，就好像它是一個單線程程序。
4、異步事件的簡化處理
服務(wù)器應用程序在接受多個來自遠程客戶端的套接字連接請求時，如果為每個連接都分配其各自的線程并且使用同步I/O，那么就會降低這類程序的開發(fā)難度。如果某個應用程序?qū)μ捉幼謭?zhí)行讀操作而此時還沒有數(shù)據(jù)到來，那么這個讀操作將一直阻塞，直到有數(shù)據(jù)到達。
在單線程應用程序中，這不僅意味著在處理請求的過程中將停頓，而且還意味著在這個線程被阻塞期間，對所有請求的處理都將停頓。
為了避免這個問題，單線程服務(wù)器應用程序必須使用非阻塞I/O，但是這種I/O的復雜性要遠遠高于同步I/O，并且很容易出錯。然而，如果每個請求都擁有自己的處理線程，那么在處理某個請求時發(fā)生的阻塞將不會影響其他請求的處理。
知識回顧
進程與線程是常常被提到的兩個概念。進程擁有獨立的代碼段、數(shù)據(jù)空間，線程共享代碼段和數(shù)據(jù)空間，但有獨立的棧空間。線程是操作系統(tǒng)調(diào)度的最小單位，通常一個進程會包含一個或多個線程。
多線程和多進程都可以實現(xiàn)并發(fā)處理，如 nginx 使用多進程方式、tomcat 使用多線程方式、Apache 支持混合使用。在 C/C++ 等語言中可以同時使用多進程和多線程，而在 Java 中只能使用多線程。
在 Java 中，創(chuàng)建線程的唯一方式是創(chuàng)建 Thread 類的實例，調(diào)用實例的 start() 方法啟動線程。
Java 線程實現(xiàn)
在 JDK 1.2 之前，Java 使用用戶線程實現(xiàn) Java 線程，在 JDK 1.2 及之后，Java 基于操作系統(tǒng)原生的線程模型實現(xiàn) Java 線程。
使用用戶線程( User Thread, UT ) 實現(xiàn)，是指線程建立在用戶態(tài)空間，線程的建立、同步、調(diào)度與銷毀都在用戶態(tài)完成，進程與用戶線程之間是1 : N 的對應關(guān)系。這種情況下，內(nèi)核無法知道有多少個用戶線程，實現(xiàn)較為復雜。
使用內(nèi)核線程實現(xiàn)，是指基于輕量級進程( Light Weight Process, LWP ) 來實現(xiàn)線程。每個輕量級進程都有一個內(nèi)核線程( Kernel-Level Thread, KLT ) 支持，與內(nèi)核線程之間是 1 : 1 的對應關(guān)系。這種情況下，調(diào)度線程時可能需要在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間進行切換。
由于輕量級進程需要消耗內(nèi)核資源，能夠支持的線程數(shù)量是有限的。
如在 Windows 和 Linux 系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)原生的線程模型是 1 : 1 的對應關(guān)系，對于 Sun JDK 來說，一個 Java 線程就對應著一個輕量級進程。
線程調(diào)度與狀態(tài)
在 Java中線程的調(diào)度方式是搶占式調(diào)度，即由系統(tǒng)來負責各個線程的時間分配，并在線程使用完分配的時間后調(diào)度下一個線程。任何一個線程都不能獨占 CPU 。Java 語言一共設(shè)置了 10 個線程優(yōu)先級，當兩個線程同時等待執(zhí)行時，優(yōu)先級高的先被調(diào)度。
線程的優(yōu)先級會被映射到操作系統(tǒng)原生線程上去，但各個操作系統(tǒng)的優(yōu)先級劃分不完全一樣，因此兩個優(yōu)先級不同的 Java 線程在操作系統(tǒng)中執(zhí)行時也可能處于相同的優(yōu)先級。
Java 定義了 5 種線程狀態(tài)，分別是新建 ( New )、運行 ( Running )、等待 ( Waiting )、限期等待 ( Timed Waiting )、阻塞 ( Blocked ) 和結(jié)束 ( Terminated )。任一時刻，線程都處于 5 種狀態(tài)中的一種，并在各個狀態(tài)之間切換，如圖所示。
其中，各個狀態(tài)含義如下：
新建：創(chuàng)建后未啟動;
運行：對于 Java 來說，線程已經(jīng)運行，但對于操作系統(tǒng)來說，可能在運行或等待;
等待：線程等待被其他線程喚醒，如調(diào)用了 wait、join 且沒有指定超時時間;
限期等待：線程等待一段時間后被系統(tǒng)喚醒，如調(diào)用了 sleep、wait、join 并設(shè)置了超時時間;
阻塞：線程進入同步區(qū)域需要與其他線程協(xié)調(diào)同步，如需要進入 synchronized 區(qū)域但其他線程尚未退出此區(qū)域;
結(jié)束：run 方法執(zhí)行完成后，線程結(jié)束。
虛擬機棧
在 Java 內(nèi)存模型中，每個虛擬機線程都有自己私有的虛擬機棧。棧與線程同時創(chuàng)建，其中存儲的是線程的棧幀 ( Stack Frame )。每個方法的調(diào)用，都對應著一個棧幀的入棧和出棧。在棧幀中，存儲著局部變量表 ( Local Variable Table )、操作棧 ( Operand Stack )、動態(tài)連接 ( Dynamic Linking )、返回地址 ( Return Address ) 和其他附加信息。
線程的工作內(nèi)存
在內(nèi)存模型中，Java 要求所有的變量都必須存儲在主內(nèi)存中，每個線程擁有自己的工作內(nèi)存。工作內(nèi)存中保存了線程需要讀寫的變量的主內(nèi)存的'副本。線程對變量的讀寫操作都在工作內(nèi)存中直接進行，并不會去操作主內(nèi)存中的內(nèi)容，主內(nèi)存與工作內(nèi)存的同步由虛擬機完成。不同線程不能訪問彼此的工作內(nèi)存，變量值的傳遞需要經(jīng)過主內(nèi)存才能完成。
Volatile 修飾的變量可以保證變量對所有線程可見，即某個線程修改變量后，其他線程總能立刻讀到新值。即便如此，多線程并發(fā)時，對 volatile 變量進行自增自減操作也不能保證線程安全。
總結(jié)
線程在 Java 中只能通過創(chuàng)建 Thread 類的實例來創(chuàng)建。在 JDK 1.2 之后，Java 中的線程基于操作系統(tǒng)原生的線程模型來實現(xiàn)線程。線程的調(diào)度方式是搶占式調(diào)度，即由系統(tǒng)來負責各個線程的時間分配，并在線程使用完分配的時間后調(diào)度下一個線程。Java 定義了 5 種線程狀態(tài)：新建、運行、等待、限期等待、阻塞和結(jié)束。
每個虛擬機線程都有自己私有的虛擬機棧。棧與線程同時創(chuàng)建，其中存儲的是線程的棧幀。每個方法的調(diào)用，都對應著一個棧幀的入棧和出棧。每個線程擁有自己的工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中保存了線程需要讀寫的變量的主內(nèi)存的副本。線程對變量的讀寫操作都在工作內(nèi)存中直接進行，并不會去操作主內(nèi)存中的內(nèi)容，主內(nèi)存與工作內(nèi)存的同步由虛擬機完成。
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