Java 基础--线程
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Java 基础--线程
忆瑶 发表于2年前
Java 基础--线程
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摘要: 文章来源:https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-synchronized/ 为方便阅读,我将原文拆分并做少量修改

概念

提到线程(thread),就不得不谈谈进程(process),将两者首先从概念上区分出来。

操作系统中的进程是资源的组织单位。进程有一个包含了程序内容和数据的地址空间,以及其他资源,包括打开的文件、子进程和信号处理器等。不同进程的地址空间是相互隔离的。

线程表示的是程序的执行流程,是CPU调度的基本单位。线程有自己的程序计数器、寄存器、栈和帧等。引入线程的动机在于操作系统中阻塞式 I/O的存在。当一个线程所执行的 I/O被阻塞的时候,同一进程中的其他线程可以使用CPU来进行计算。这样的话,就提高了应用的执行效率。线程的概念在主流的操作系统和编程语言中都得到了支持

Java线程的创建

一部分的java程序是单线程的。程序的机器指令按照程序中给定的顺序依次执行。Java语言提供了java.lang.Thread类来为线程提供抽象。有两种方式创建一个新的线程:一种是继承java.lang.Thread类并覆写其中的run()方法,另一种则是在创建java.lang.Thread类的对象的时候,在构造函数中提供一个实现了java.lang.Runnable接口的类对象。在得到了java.lang.Thread类的对象之后,通过调用其start()方法就可以启动这个线程的执行。

一个线程被创建成功并启动之后,可以处在不同的状态中。这个线程可能正在占用CPU时间运行;也可能处在就绪状态,等待被调度执行;还可能阻塞在某个资源或是事件上。多个就绪状态的线程会竞争CPU时间以获得被执行的机会,而CPU则采用某种算法来调度线程的执行。不同线程的运行顺序是不确定的,多线程程序中的逻辑不能依赖于CPU的调度算法。

可见性

  可见性(visibility)的问题是Java多线程应用中的错误的根源。在一个单线程程序中,如果首先改变一个变量的值,再读取该变量的值的时候,所读取到的值就是上次写操作写入的值。也就是说前面操作的结果对后面的操作是肯定可见的。但是在多线程程序中,如果不使用一定的同步机制,就不能保证一个线程所写入的值对另外一个线程是可见的。造成这种情况的原因可能有下面几个:

  • CPU 内部的缓存:现在的CPU一般都拥有层次结构的几级缓存。CPU直接操作的是缓存中的数据,并在需要的时候把缓存中的数据与主存进行同步。因此在某些时刻,缓存中的数据与主存内的数据可能是不一致的。某个线程所执行的写入操作的新值可能当前还保存在CPU的缓存中,还没有被写回到主存中。这个时候,另外一个线程的读取操作读取的就还是主存中的旧值。

  • CPU的指令执行顺序:在某些时候,CPU可能改变指令的执行顺序。这有可能导致一个线程过早的看到另外一个线程的写入操作完成之后的新值。

  • 编译器代码重排:出于性能优化的目的,编译器可能在编译的时候对生成的目标代码进行重新排列。

现实的情况是:不同的CPU可能采用不同的架构,而这样的问题在多核处理器和多处理器系统中变得尤其复杂。而Java的目标是要实现“编写一次,到处运行”,因此就有必要对Java程序访问和操作主存的方式做出规范,以保证同样的程序在不同的CPU架构上的运行结果是一致的。Java内存模型(Java Memory Model)就是为了这个目的而引入的。JSR 133则进一步修正了之前的内存模型中存在的问题。总得来说,Java内存模型描述了程序中共享变量的关系以及在主存中写入和读取这些变量值的底层细节。Java内存模型定义了Java语言中的synchronizedvolatilefinal等关键词对主存中变量读写操作的意义。Java开发人员使用这些关键词来描述程序所期望的行为,而编译器和JVM负责保证生成的代码在运行时刻的行为符合内存模型的描述。比如对声明为volatile的变量来说,在读取之前,JVM会确保CPU中缓存的值首先会失效,重新从主存中进行读取;而写入之后,新的值会被马上写入到主存中。而synchronized和volatile关键词也会对编译器优化时候的代码重排带来额外的限制。比如编译器不能把 synchronized块中的代码移出来。对volatile变量的读写操作是不能与其它读写操作一块重新排列的。

更多关于Java内存模型请参考http://my.oschina.net/u/134516/blog/614806 

Java中的锁

当数据竞争存在的时候,最简单的解决办法就是加锁。锁机制限制在同一时间只允许一个线程访问产生竞争的数据的临界区。Java语言中的 synchronized关键字可以为一个代码块或是方法进行加锁。任何Java对象都有一个自己的监视器,可以进行加锁和解锁操作。当受到 synchronized关键字保护的代码块或方法被执行的时候,就说明当前线程已经成功的获取了对象的监视器上的锁。当代码块或是方法正常执行完成或是发生异常退出的时候,当前线程所获取的锁会被自动释放。一个线程可以在一个Java对象上加多次锁。同时JVM保证了在获取锁之前和释放锁之后,变量的值是与主存中的内容同步的。

更多内容请参见:http://my.oschina.net/u/134516/blog/614809 

Java线程的同步

在有些情况下,仅依靠线程之间对数据的互斥访问是不够的。有些线程之间存在协作关系,需要按照一定的协议来协同完成某项任务,比如典型的生产者-消费者模式。这种情况下就需要用到Java提供的线程之间的等待-通知机制。当线程所要求的条件不满足时,就进入等待状态;而另外的线程则负责在合适的时机发出通知来唤醒等待中的线程。Java中的java.lang.Object类中的wait/notify/notifyAll方法组就是完成线程之间的同步的。

  更多Java线程的同步请参考:http://my.oschina.net/u/134516/blog/614840 

中断线程

通过一个线程对象的interrupt()方法可以向该线程发出一个中断请求。中断请求是一种线程之间的协作方式。当线程A通过调用线程B的interrupt()方法来发出中断请求的时候,线程A 是在请求线程B的注意。线程B应该在方便的时候来处理这个中断请求,当然这不是必须的。当中断发生的时候,线程对象中会有一个标记来记录当前的中断状态。通过isInterrupted()方法可以判断是否有中断请求发生。如果当中断请求发生的时候,线程正处于阻塞状态,那么这个中断请求会导致该线程退出阻塞状态。可能造成线程处于阻塞状态的情况有:当线程通过调用wait()方法进入一个对象的等待集合中,或是通过sleep()方法来暂时休眠,或是通过join()方法来等待另外一个线程完成的时候。在线程阻塞的情况下,当中断发生的时候,会抛出java.lang.InterruptedException,代码会进入相应的异常处理逻辑之中。实际上在调用wait/sleep/join方法的时候,是必须捕获这个异常的。中断一个正在某个对象的等待集合中的线程,会使得这个线程从等待集合中被移除,使得它可以在再次获得锁之后,继续执行java.lang.InterruptedException异常的处理逻辑。

通过中断线程可以实现可取消的任务。在任务的执行过程中可以定期检查当前线程的中断标记,如果线程收到了中断请求,那么就可以终止这个任务的执行。当遇到 java.lang.InterruptedException的异常,不要捕获了之后不做任何处理。如果不想在这个层次上处理这个异常,就把异常重新抛出。当一个在阻塞状态的线程被中断并且抛出java.lang.InterruptedException异常的时候,其对象中的中断状态标记会被清空。如果捕获了java.lang.InterruptedException异常但是又不能重新抛出的话,需要通过再次调用interrupt()方法来重新设置这个标记。


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忆瑶
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