线程相关基础知识

线程与进程

进程(Process)代表运行中的程序。一个运行的java程序就是一个进程。从操作系统的角度来看,线程(Thread)是进程中可独立执行的子任务。一个进程可以包含多个线程,同一个进程中的线程共享该进程所申请到的资源,如内存空间和文件句柄等。从JVM的角度来看,线程是进程中的一个组件(Component),它可以看作执行java代码的最小单位。java程序中任何一段代码总是执行在某个确定的线程中的。JVM启动的时候会创建一个main线程,该线程负责执行java程序的入口方法(main方法)。

守护线程与用户线程

java中线程可以分为守护线程(Daemon Thread)和用户线程(User Thread)。用户线程会阻止JVM的正常停止,即JVM正常停止前应用程序中的所有用户线程必须先停止完毕;否则JVM无法停止。而守护线程则不会影响JVM的正常停止,即应用程序中有守护线程在运行也不影响JVM的正常停止。因此,守护线程通常用于执行一些重要性不是很高的任务,例如用于监视其他线程的运行情况。

线程的启动

在java语言中一个线程就是一个java.lang.Thread类的实例。因此,在java语言中创建一个线程就是创建一个Thread类的实例,当然这离不开内存的分配。创建一个Thread实例与创建其他类的实例所不同的是,JVM会为一个Thread实例分配两个调用栈(Call Stack)所需的内存空间。这两个调用栈一个用于跟踪java代码间的调用关系,另一个用于跟踪java代码对本地代码(即Native代码,通常是C代码)的调用关系。

一个Thread 实例通常对应两个线程。一个是JVM中的线程(或称之为java线程),另一个是与JVM中的线程相对应的依赖于JVM宿主机操作系统的本地(Native)线程。启动一个java线程只需要调用相应Thread实例的start方法即可。线程启动后,当相应的线程被JVM的线程调度器调度到运行时,相应Thread实例的run方法会被JVM调用。

原子性、synchronized、volatile

  • 原子(Atomic)操作指相应的操作是单一不可分割的操作。多线程环境中,非原子操作可能会受到其他线程的干扰。
  • synchronized关键字可以实现操作的原子性,其本质是通过该关键字所包含的临界区(CriticalSection)的排他性保证在任何一个时刻只有一个线程能够执行临界区中的代码,这使得临界区中的代码代表了一个原子操作。synchronized关键字的另一个作用是保证内存的可见性。CPU在执行代码的时候,为了减少变量访问的时间消耗可能将代码中访问的变量的值缓存到该CPU的缓存区(如L1 Cache、L2 Cache)中。因此相应代码再次访问某个变量时,相应的值可能是从CPU缓存区而不是主内存中读取的。同样的,代码对这些被缓存过的变量的值的修改也可能仅是被写入CPU缓存区,而没有被写回主内存。由于每个CPU都有自己的缓存区,因此一个CPU缓存区中的内容对于其他CPU而言是不可见的。这就导致了在其他CPU上运行的其他线程可能无法看到该线程对某个变量值所做的更改。这就是所谓的内存可见性。synchronized关键字的内存可见性作用就是,保证一个线程执行临界区中的代码时所修改的变量值对于稍后执行该临界区中的代码的线程来说是可见的。
  • 一个线程对一个采用volatile关键字修饰的变量的值的更改对于其他访问该变量的线程而言总是可见的。volatile关键字实现内存可见性的核心机制是当一个线程修改了一个volatile修饰的变量的值时,该值会被写入主内存(RAM)而不仅仅是当前线程所在的CPU的缓存区。

并发、并行、上下文切换、线程安全

  • 并发(Concurrent):表示多个任务在同一时间段内被执行。这些任务并不是顺序执行的,而往往是以交替的方式被执行。
  • 并行(Parallel):表示多任务在同一时刻被执行。
  • 上下文切换(Context Switch):多线程环境中,当一个线程的状态由RUNNABLE转换为非RUNNABLE(BLOCKED、WAITING或者TIMED_WAITING)时,相应线程的上下文信息(即Context,包括CPU的寄存器和程序计数器在某一时间点的内容等)需要被保存以便相应线程稍后再次进入。RUNNABLE状态时能够在之前的执行进度的基础上继续前进。而一个线程的状态由非RUNNABLE状态进入RUNNABLE状态时也就可能涉及恢复之前保存的线程上下文信息并在此基础上继续前进。这个对线程的上下文信息进行保存和恢复的过程就被称为上下文切换。
  • 线程安全(Thread Safe):一段操纵共享数据的代码能够保证在同一时间内被多个线程执行而依然保持其正确性的,就被称为是线程安全的。
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