并发编程-线程，JMM，JVM，volatile

1.线程

　　相信大家对线程这个名词已经很不陌生了，从刚开始学习java就接触到线程，先说说进程吧，进程就是系统分配资源的基本单位，线程是调度cpu的基本单位，进程由线程组成，一个进程至少又一个线程组成，线程寄生于进程。一个完整的线程由一个程序计数器，一组寄存器，和堆栈组成。其中程序计数器记录了线程下一个要执行的指令，寄存器保存这线程的一些变量，堆栈保存着线程当前的执行状态。

　　下面来说说线程的分类。看从不同的角度来分吧。从进程的角度来看，线程分为普通线程和守护线程。普通线程不用多说，基本的程序计数器，一组寄存器，和堆栈，普通线程拥有着正常的生命周期，但是守护线程他的生命周期很长，他是在一个进程中的所有普通线程都进入销毁生命周期的时候，守护线程才会进入生命的结束。下面举例来讲一讲守护线程的应用场景，JVM又一个内存回收机制也就是GC，他是贯穿JVM中所有普通线程的执行到销毁的生命周期，JVM的普通线程都执行完毕的时候，这个时候垃圾回收线程（守护线程）就销毁了，这个时候JVM也就可以退出了，但是如果垃圾回收线程不是守护线程，那么JVM会永远运行着。前面是从进程的角度来说的，如果从cpu调度的角度来说，线程可以分为用户线程（User Level Thread-ULT）和内核线程（Kernel Level Thread-KLT）。我们常说线程从用户态转化成内核态，下面内容会详细讲。

　　下面来详细的讲讲用户级线程和内核级的线程，也就是ULT和KLT。操作系统将内存空间分成了用户空间和内核空间，一般以4G的内存大小来说的话，内核空间大概占到一个G左右。顾名思义，内核空间运行着内核级线程，用户空间运行着用户级线程。在操作系统中，只有内核级线程拥有调度cpu的权限，像JVM或者其他软件运行的线程是没有直接使用cpu的权限的。下图1-1是用户空间和内核空间线程使用cpu过程的示意图：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1-1

　　　首先操作系统将使用cpu分为几个权限角色，以Linux为例，之前有ring0到ring3四个权限等级，现在只有ring3和ring0这两个权限角色，其中ring0拥有使用cpu的权限，ring3没有。从图中可以知道，ULT对应的权限是ring3，KLT对应的是ring0，也就是只有KLT才能有使用cpu的权限，所以当用户空间的线程想要使用cpu必须通过转换接口完成线程从用户态转为内核态，才能由系统根据他的调度算法去调度内核线程，并获取到cpu的时间片。值得注意得失java在1.2版本之前创建的线程都是基于用户态的线程，在1.2之后java创建的线程底层都是内核级的线程。

2.线程的生命周期

　　线程的生命周期相信很多java的程序员一口就能答得上来：创建，等待，就绪，运行，阻塞，销毁。其中线程的创建主要有四种方式：继承Java的Thread，实现Runnable接口，还有实现ExecutorService等等，后面的博文会详细介绍。下图2-1是我画的线程的一个生命周期图。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2-1

2.并发

　　下面来简单讲讲并发，主要分三个问题来说，第一个什么是并发，第二个是为什么用到并发，第三个是并发存在的问题。

　　什么是并发，就是在一个操作系统中，同一时间段中有多个线程在cpu中处于运行的状态，在这里我要说的是，对于单核cpu和多核cpu或者多cpu的系统来说是不一样的。单核cpu严格意义上来讲，他在一个时间点上，cpu只可能运行一个线程，对于多核和多cpu的系统来说，在统一时间点上，他是有可能运行多个线程的。但是从宏观上来讲，由于cpu的速度很快，不管是单核还是多核亦或是多cpu的系统，它的都是并发的，就像我们的系统同时听着个和看着电影，你是感受不到的，从宏观感受上来说，这几个程序都是并发执行的。

　　为什么要用到并发，有几方面的原因，对于多核cpu或者多cpu的系统来说，并发能有效的提高cpu的利用率，不至于让cpu出现大量空闲的状态。再就是方便我们对业务进行拆分，提升整个应用的性能等等。

　　并发也存在一些问题，用到并发就必然要引出线程上下文切换的概念，线程上下文简单来说就是线程当前的运行状态。它包括线程的指令，程序指针，中间数据等。高并发的场景下，必然会导致线程上下文的高频切换，系统回去花费一部分资源和时间，这会导致cpu的效率变低。还有临界区线程安全的问题，容易出现死锁的问题。

　　下面我来先来说说线程的上下文切换，如下图2-1：

图2-1

　　如上图所示，当线程A获取到cpu时间片的时候，线程A开始执行，当线程A失去cpu时间片的时候，此时如果线程A还没有执行完，线程A的上下文信息包括指令，程序指针，以及一些中间数据都要保存下来，我们知道，每个线程在内存中都有自己的栈空间，这是JVM来规划的，此时线程A为了给线程B腾出cpu，她必须将线程的中间状态，也就是线程的上下文保存进入内存该线程的栈空间的Tss任务状态段。这样当线程B用完cpu，A拿到cpu时间片的时候，他才能准确的恢复线程上次执行的状态。

　　接下来说说临界区线程安全-死锁的问题，就通过一个小的Demo来演示一下，如下程序所示：