Java - 线程基本概念

【java并发编程实战】-----线程基本概念

线程状态图

说明：
线程共包括以下5种状态。
1. 新建状态(New)         : 线程对象被创建后，就进入了新建状态。例如，Thread thread = new Thread()。
2. 就绪状态(Runnable): 也被称为“可执行状态”。线程对象被创建后，其它线程调用了该对象的start()方法，从而来启动该线程。例如，thread.start()。处于就绪状态的线程，随时可能被CPU调度执行。
3. 运行状态(Running) : 线程获取CPU权限进行执行。需要注意的是，线程只能从就绪状态进入到运行状态。
4. 阻塞状态(Blocked)  : 阻塞状态是线程因为某种原因放弃CPU使用权，暂时停止运行。直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。阻塞的情况分三种：
    (01) 等待阻塞 -- 通过调用线程的wait()方法，让线程等待某工作的完成。
    (02) 同步阻塞 -- 线程在获取synchronized同步锁失败(因为锁被其它线程所占用)，它会进入同步阻塞状态。
    (03) 其他阻塞 -- 通过调用线程的sleep()或join()或发出了I/O请求时，线程会进入到阻塞状态。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，线程重新转入就绪状态。
5. 死亡状态(Dead)    : 线程执行完了或者因异常退出了run()方法，该线程结束生命周期。

这5种状态涉及到的内容包括Object类, Thread和synchronized关键字。这些内容我们会在后面的章节中逐个进行学习。
Object类，定义了wait(), notify(), notifyAll()等休眠/唤醒函数。
Thread类，定义了一些列的线程操作函数。例如，sleep()休眠函数, interrupt()中断函数, getName()获取线程名称等。
synchronized，是关键字；它区分为synchronized代码块和synchronized方法。synchronized的作用是让线程获取对象的同步锁。
在后面详细介绍wait(),notify()等方法时，我们会分析为什么“wait(), notify()等方法要定义在Object类，而不是Thread类中”。

在学习Java并发之前我们需要先理解一些基本的概念：共享、可变、线程安全性、线程同步、原子性、可见性、有序性。

共享和可变

要编写线程安全的代码，其核心在于对共享的和可变的状态进行访问。

“共享”就意味着变量可以被多个线程同时访问。我们知道系统中的资源是有限的，不同的线程对资源都是具有着同等的使用权。有限、公平就意味着竞争，竞争就有可能会引发线程问题。

“可变”是指变量的值在其生命周期内是可以发生改变的。“可变”对应的是“不可变”。我们知道不可变的对象一定是线程安全的，并且永远也不需要额外的同步（因为一个不可变的对象只要构建正确，其外部可见状态永远都不会发生改变）。所以“可变”意味着存在线程不安全的风险。解决办法：

1、不在线程中共享该状态变量，可以将变量封装到方法中。

2、将状态变量修改为不可变的变量（final）。

3、访问状态变量时使用同步策略。

4、使用原子变量类。

线程安全性

线程安全是一个比较复杂的概念。其核心概念就是正确性。所谓正确性就是某各类的行为与其规范完全一致，即其近似与“所见即所知（we know it when we see it）”。当多个线程访问某各类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行，并且在主调代码中不需要任何额外的同步或者协同，这个类都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。（引自：《Java并发编程实战》）

线程同步

线程通过其核心就在于一个“同”。所谓“同”就是协同、协助、配合，“同步”就是协同步调昨，也就是按照预定的先后顺序进行运行，即“你先，我等， 你做完，我再做”。

线程同步，就是当线程发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不会返回，其他线程也不能调用该方法。就一般而言，我们在说同步、异步的时候，特指那些需要其他组件来配合或者需要一定时间来完成的任务。在多线程编程里面，一些较为敏感的数据时不允许被多个线程同时访问的，使用线程同步技术，确保数据在任何时刻最多只有一个线程访问，保证数据的完整性。

线程同步的机制主要有：临界区、互斥量、事件、信号量四种方式

1、临界区：通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问，如果有多个线程试图访问公共资源，那么在有一个线程进入后，其他试图访问公共资源的线程将被挂起，并一直等到进入临界区的线程离开，临界区在被释放后，其他线程才可以抢占。

2、互斥量：采用互斥对象机制。 只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限，因为互斥对象只有一个，所以能保证公共资源不会同时被多个线程访问。互斥不仅能实现同一应用程序的公共资源安全共享，还能实现不同应用程序的公共资源安全共享。

3、信号量：它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目。

4、事 件： 通过通知操作的方式来保持线程的同步，还可以方便实现对多个线程的优先级比较的操作。

【引自：百度百科】

原子性

原子是世界上最小的单位，具有不可分割性。在我们编程的世界里，某个操作如果不可分割我们就称之为该操作具有原子性。例如：i = 0,这个操作是不可分割的，所以该操作具有原子性。如果某个操作可以分割，那么该操作就不具备原子性，例如i++。非原子操作都存在线程安全问题，这个时候我们需要使用同步机制来保证这些操作变成原子操作，来确保线程安全。

可见性

线程可见性是指线程之间的可见性，即一个线程对状态的修改对另一个线程是可见的，也就是一个线程修改的结果，另外一个线程立马就知道了。比如volitile修饰的变量，就具备可见性。

有序性

有序性指的是数据不相关的变量在并发的情况下，实际执行的结果和单线程的执行结果是一样的，不会因为重排序的问题导致结果不可预知。volatile, final, synchronized，显式锁都可以保证有序性。