线程(Thread)

定义

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。

区分

进程、线程的区别

进程：进程是操作系统进行资源分配的最小单位，其中资源包括:CPU、内存空间、磁盘等,同一进程中的多条线程共享该进程中的全部系统资源,而进程和进程之间是相互独立的。进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
线程：线程是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的、能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。

并行、并发的区别

并行：同时执行不同的任务。
并发：必须要有单位时间的概念，比如1秒钟内可以同时做多少任务。

打个比方，同时有100个请求到达服务器，服务器只有1个cpu核心
那么并行的就只能有1个请求。 —> 同时执行
而并发就是比如在1秒的时间内，可以通过线程切换，同时处理20个请求，虽然会浪费一些切换cpu的资源，但是可以同时并发处理20个请求。 —> 交替执行

启动方式

  1. X extends Thread;，然后X.start
  2. X implements Runnable；然后交给Thread运行

tips ：Future接口可以实现获取返回值操作，RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V>同时实现了 Runnable 、Future，所以可以获得一个可以获取返回值的线程，一般使用其子类FutureTask<V>

线程的状态

Java中线程的状态分为6种：

  1. 初始(NEW)：新创建了一个线程对象，但还没有调用start()方法。

  2. 运行(RUNNABLE)：Java线程中将就绪（ready）和运行中（running）两种状态笼统的称为“运行”。
    a) 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，此时处于就绪状态（ready）。

    1. b) 就绪状态的线程在获得CPU时间片后变为运行中状态（running）。

  3. 阻塞(BLOCKED)：表示线程阻塞于锁。

  4. 等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
  5. 超时等待(TIMED_WAITING)：该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间后自行返回。
  6. 终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。

tips: 阻塞状态仅有 synchronized 能实现，Lock底层调用的是 LockSupport.unpark(Thread) 、 LockSupport.parkUntill()
yield()方法：使当前线程让出CPU占有权，但让出的时间是不可设定的。也不会释放锁资源，所有执行yield()的线程有可能在进入到可执行状态后马上又被执行。
join方法：把指定的线程加入到当前线程，可以将两个交替执行的线程合并为顺序执行的线程。比如在线程B中调用了线程A的Join()方法，直到线程A执行完毕后，才会继续执行线程B。

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锁

比较常用的锁

  1. synchronized
  2. Lock
  3. BlockQueue

synchronized 必须要锁一个对象

  1. 比如 static 方法，锁的就是类的对象，因为Class是单例的，所以类锁与调用对象无关。（类锁）
  2. 而普通方法锁的是调用对象本身，所以不同对象调用此方法起不到锁的效果。（对象锁）

Lock 接口是按照AQS模板来设计的
具体调用方法参考API即可
ReentrantLock()：可重入锁，在锁的方法中调用自身，可再次进入
一个synchronized 不具备功能的方法：void lockInterruptibly() throws InterruptedException，只要线程被 interrupt ，可以立马结束，不需要再等待锁。

死锁

概念：是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。

学术化定义：死锁的发生必须具备以下四个必要条件

  1. 互斥条件：指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。
  2. 请求和保持条件：指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。
  3. 不剥夺条件：指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
  4. 环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源，……，Pn正在等待已被P0占用的资源。

危害：

  1. 线程不工作了，但是整个程序还是活着的
  2. 没有任何的异常信息可以供我们检查。
  3. 一旦程序发生了发生了死锁，是没有任何的办法恢复的，只能重启程序，对正式已发布程序来说，这是个很严重的问题。

解决思路：
理解了死锁的原因，尤其是产生死锁的四个必要条件，就可以最大可能地避免、预防和解除死锁。
只要打破四个必要条件之一就能有效预防死锁的发生。

  1. 打破互斥条件：改造独占性资源为虚拟资源，大部分资源已无法改造。
  2. 打破不可抢占条件：当一进程占有一独占性资源后又申请一独占性资源而无法满足，则退出原占有的资源。
  3. 打破占有且申请条件：采用资源预先分配策略，即进程运行前申请全部资源，满足则运行，不然就等待，这样就不会占有且申请。
  4. 打破循环等待条件：实现资源有序分配策略，对所有设备实现分类编号，所有进程只能采用按序号递增的形式申请资源。

避免死锁常见的算法有有序资源分配法、银行家算法。

解决办法：
关键是保证拿锁的顺序一致

  1. 内部通过顺序比较，确定拿锁的顺序；
  2. 采用尝试拿锁的机制。

活锁

两个线程在尝试拿锁的机制中，发生多个线程之间互相谦让，不断发生同一个线程总是拿到同一把锁，在尝试拿另一把锁时因为拿不到，而将本来已经持有的锁释放的过程。
解决办法：每个线程休眠随机数，错开拿锁的时间。

线程饥饿

低优先级的线程，总是拿不到执行时间。

ThreadLocal

为每个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某一时间訪问到的并非同一个对象，这样就隔离了多个线程对数据的数据共享。
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ThreadLocal 的 key 是 ThreadLocal 对象本身，值才是存储的对象，初始化是延迟的，所以在get() 前必须先 set(Object value) 或者 initialValue()。
关键原理在于每个Thread 本身内部有一个 threadLocalMap 的对象，这个可以用保存键值对。

CAS基本原理

什么是原子操作？如何实现原子操作？

假定有两个操作A和B(A和B可能都很复杂)，如果从执行A的线程来看，当另一个线程执行B时，要么将B全部执行完，要么完全不执行B，那么A和B对彼此来说是原子的。
实现原子操作可以使用锁，锁机制，满足基本的需求是没有问题的了，但是有的时候我们的需求并非这么简单，我们需要更有效，更加灵活的机制，synchronized关键字是基于阻塞的锁机制，也就是说当一个线程拥有锁的时候，访问同一资源的其它线程需要等待，直到该线程释放锁，
这里会有些问题：首先，如果被阻塞的线程优先级很高很重要怎么办？其次，如果获得锁的线程一直不释放锁怎么办？（这种情况是非常糟糕的）。还有一种情况，如果有大量的线程来竞争资源，那CPU将会花费大量的时间和资源来处理这些竞争，同时，还有可能出现一些例如死锁之类的情况，最后，其实锁机制是一种比较粗糙，粒度比较大的机制，相对于像计数器这样的需求有点儿过于笨重。
实现原子操作还可以使用当前的处理器基本都支持CAS()的指令，只不过每个厂家所实现的算法并不一样，每一个CAS操作过程都包含三个运算符：一个内存地址V，一个期望的值A和一个新值B，操作的时候如果这个地址上存放的值等于这个期望的值A，则将地址上的值赋为新值B，否则不做任何操作。
CAS的基本思路就是，如果这个地址上的值和期望的值相等，则给其赋予新值，否则不做任何事儿，但是要返回原值是多少。循环CAS就是在一个循环里不断的做cas操作，直到成功为止。

附录

CPU时间片轮转机制

我们平时在开发的时候，感觉并没有受cpu核心数的限制，想启动线程就启动线程，哪怕是在单核CPU上，为什么？这是因为操作系统提供了一种CPU时间片轮转机制。
时间片轮转调度是一种最古老、最简单、最公平且使用最广的算法,又称RR调度。每个进程被分配一个时间段,称作它的时间片,即该进程允许运行的时间。

百度百科对CPU时间片轮转机制原理解释如下:
如果在时间片结束时进程还在运行,则CPU将被剥夺并分配给另一个进程。如果进程在时间片结束前阻塞或结来,则CPU当即进行切换。调度程序所要做的就是维护一张就绪进程列表,当进程用完它的时间片后,它被移到队列的末尾
时间片轮转调度中唯一有趣的一点是时间片的长度。从一个进程切换到另一个进程是需要定时间的,包括保存和装入寄存器值及内存映像,更新各种表格和队列等。假如进程切( processwitch),有时称为上下文切换( context switch),需要5ms,再假设时间片设为20ms,则在做完20ms有用的工作之后,CPU将花费5ms来进行进程切换。CPU时间的20%被浪费在了管理开销上了。
为了提高CPU效率,我们可以将时间片设为5000ms。这时浪费的时间只有0.1%。但考虑到在一个分时系统中,如果有10个交互用户几乎同时按下回车键,将发生什么情况?假设所有其他进程都用足它们的时间片的话,最后一个不幸的进程不得不等待5s才获得运行机会。多数用户无法忍受一条简短命令要5才能做出响应,同样的问题在一台支持多道程序的个人计算机上也会发
结论可以归结如下:时间片设得太短会导致过多的进程切换,降低了CPU效率:而设得太长又可能引起对短的交互请求的响应变差。将时间片设为100ms通常是一个比较合理的折衷。

线程的中断

3种方式

  1. 线程自然终止：要么是run执行完成了，要么是抛出了一个未处理的异常导致线程提前结束。
  2. 非安全终止：暂停、恢复和停止操作对应在线程Thread的API就是suspend()、resume()和stop()。但是这些API是过期的，也就是不建议使用的。不建议使用的原因主要有：以suspend()方法为例，在调用后，线程不会释放已经占有的资源（比如锁），而是占有着资源进入睡眠状态，这样容易引发死锁问题。同样，stop()方法在终结一个线程时不会保证线程的资源正常释放，通常是没有给予线程完成资源释放工作的机会，因此会导致程序可能工作在不确定状态下。正因为suspend()、resume()和stop()方法带来的副作用，这些方法才被标注为不建议使用的过期方法。
  3. 安全终止：安全的中止则是其他线程通过调用某个线程A的interrupt()方法对其进行中断操作, 中断好比其他线程对该线程打了个招呼，“A，你要中断了”，不代表线程A会立即停止自己的工作，同样的A线程完全可以不理会这种中断请求。因为java里的线程是协作式的，不是抢占式的。线程通过检查自身的中断标志位是否被置为true来进行响应，线程通过方法isInterrupted()来进行判断是否被中断，也可以调用静态方法Thread.interrupted()来进行判断当前线程是否被中断，不过Thread.interrupted()会同时将中断标识位改写为false。

如果一个线程处于了阻塞状态（如线程调用了thread.sleep、thread.join、thread.wait），则在线程在检查中断标示时如果发现中断标示为true，则会在这些阻塞方法调用处抛出InterruptedException异常，并且在抛出异常后会立即将线程的中断标示位清除，即重新设置为false。
不建议自定义一个取消标志位来中止线程的运行。因为run方法里有阻塞调用时会无法很快检测到取消标志，线程必须从阻塞调用返回后，才会检查这个取消标志。这种情况下，使用中断会更好，因为，一、一般的阻塞方法，如sleep等本身就支持中断的检查，二、检查中断位的状态和检查取消标志位没什么区别，用中断位的状态还可以避免声明取消标志位，减少资源的消耗。
tips：处于死锁状态的线程无法被中断