多线程基础(一)： 线程概念及生命周期

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终于完成了前面关于Map容器的源码阅读部分，并进行了相关的总结，从现在开始，进入多线程基础的学习。先来看看多线程的基本概念.

1.基本概念

在日常工作中，除了线程，还有进程、协程等，现在来看看这些基本概念。

1.1 进程

什么是进程，相信大家都知道什么是进程却很难解释清楚。百科中的解释是：进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。
实际上，可以理解为，进程是操作系统中的某个程序关于某个数据集合的一次运行活动。是操作系统动态执行的基本单元。操作系统以进程为基本单元进行资源分配和任务执行。


任务管理器

正如任务管理器中所看到的，所有程序都是通过进程来运行的。进程是计算机分配资源和执行任务的基本单元。只有进程启动了，程序才能正常运行，否则，程序就是静态的文件，不会工作。是进程将程序有静态文件变成了动态的执行过程。
进程在执行的过程中，互相之间的堆和栈的内存空间都是独立的，不能共享。只能通过共享存储、信号量、消息队列等相关方式进行通信。
在linux系统中，所有进程信息都采用task_struct结构体进行描述。每个进程都有一个pid编号,另外我们需要知道的是linux进程的状态。

  • TASK_RUNNING （可运行状态）：处于这种状态的进程，要么正在运行、要么正准备运行。正在运行的进程就是当前进程（由current所指向的进程），而准备运行的进程只要得到CPU就可以立即投入运行，CPU是这些进程唯一等待的系统资源。
  • TASK_INTERRUPTIBLE（可中断的等待状态）：表示进程被阻塞（睡眠），直到某个条件达成，进程的状态就被设置为TASK_RUNNING。处于该状态的进程正在等待某个事件（event）或某个资源，而被挂起。对应的task_struct结构被放入对应事件的等待队列中。处于可中断等待态的进程可以被信号（外部中断触发或者其他进程触发）唤醒，如果收到信号，该进程就从等待状态进入可运行状态，并且加入到运行队列中，等待被调度。
  • TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可中断的等待状态）：该状态与 TASK_INTERRUPTIBLE 状态类似，也表示进程被阻塞，处于睡眠状态。当进程等待的某些条件被满足了之后，内核也会将该进程的状态设置为 TASK_RUNNING。但是，处于这个状态下的进程不能在接收到某个信号之后立即被唤醒。这时该状态与 TASK_INTERRUPTIBLE 状态唯一的区别。
  • __TASK_STOPPED（暂停状态）：此时的进程暂时停止运行来接受某种特殊处理。通常当进程接收到SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或 SIGTTOU信号后就处于这种状态。例如，正接受调试的进程就处于这种状态。
  • __TASK_TRACED（跟踪状态）：当前进程正在被另一个进程所监视。
  • EXIT_ZOMBIE（僵死状态）：进程虽然已经终止，但由于某种原因，父进程还没有执行wait()系统调用，终止进程的信息也还没有回收。顾名思义，处于该状态的进程就是死进程，这种进程实际上是系统中的垃圾，必须进行相应处理以释放其占用的资源。

  • EXIT_DEAD：一个进程的最终状态。
    linux的各进程状态和内核调用如下图所示：


    linux进程状态

1.2 线程

线程才是本文需要讨论的重点。最开始的操作系统，只有进程的概念，并没有线程。但是随着计算机的发展，对CPU的要求越来越高，多进程模式进行同步的开销非常大，进程间切换是很消耗资源的。因此，就发明了线程，在进程内部，在抽象得更加细化的线程概念，一个进程可以有多个线程。这样一来，同一个进程的线程之间，除了栈是私有的之外，堆区的内存就能共享。这样进程就由其内存空间和一个或者多个线程组成。
实际上写过代码的人都知道，线程这个概念是一个功能抽象的过程。之前只能用一个进程来执行，现在分为多个线程之后，由于CPU时间片的关系，可以认为多个线程能同时工作。
我们来对比一下进程和线程：

  • 线程是程序执行的最小单位，而进程是操作系统资源分配的最小单位。
  • 一个进程由一个或者多个线程组成，线程是一个进程中代码的不同执行路线。
  • 进程间相互独立，进程内部的线程间共享堆内存以及一些进程级的资源。各进程内的线程互相不可见。
  • 线程间切换虽然也耗资源，但是相对进程切换要快得多。

进程与线程的关系如下：


进程与线程关系

多线程抽象之后的时间片分配：


多线程与单线程

实际上通过时间片之后，由于时间片很短，因此用户在使用上就感觉多线程能同时工作。
线程的生命周期我们将在后面单独来说明。

1.3 协程

协程，又称微线程，纤程。英文名Coroutine。协程的概念很早就提出来了，但直到最近几年才在某些语言（如Lua）中得到广泛应用。协程实际上是在线程概念上再次进行的抽象。我们回顾线程的概念，通过线程解决了进程切换资源开销的问题。这样很多功能就可以通过在一个进程中由多个线程来实现。但是随着计算机系统的发展，计算机的性能虽然越来越好，但是赶不上需求发展的速度，虽然多线程也能解决高并发问题，但是不可忽视的是线程是一个操作系统底层的概念。一方面，线程切换需要开销，另外一方面，线程是一个底层概念，实现线程同步的话需要非常复杂的代码，来实现不同的锁机制，确保线程安全等问题。因此有没有一种不需要关心线程的切换，只需要固定的线程数，而是将任务拆分，类似于CPU时间片一样，如果我们可以将我们设计的程序，也可以类似于CPU时间片那样拆分为一个个细小的单元，之后我们就不用关心线程的切换，只需要将这些通用的任务进行切换即可。这样就会更加简单和提升效率。协程就应运而生。
我们再回想一下，如果再多线程的情况下编程，任务是不可拆分的，那么势必造成某些线程长期占有CPU执行，而某些线程由于执行的速度特别快，执行完成从之后就会在线程池中处于空闲状态。由于操作系统底层实际上只知道线程的运行状态，有多个线程，那么就必须维护多个。如果有线程偷懒的话，实际上是不经济的。这就好比在一个工厂中，由于任务拆分得不细，那么只有那么几个工人是忙碌状态。我们再来看看现代工业的流水线，任务分解到一个个的动作，在流水线上操作。这样工人的时间都能尽量用起来。对应到线程也是一样。只要线程存在，就会分配时间片，入果这个线程没有工作，那么就会资源浪费。现在我们可以将任务拆分得更细，这样一来，线程就不会空闲，CPU的利用率就上升了。
这样一来，首先会大大提升执行效率，不会有线程的切换开销。其次，就是不再需要考虑锁机制，在用户层面，只需要考虑如何将任务分解即可。

2 线程生命周期

在jvm中，jvm中的线程实际上是和操作系统的线程一一对应的。我们每当new一个thread,实际上就是在操作系统中真正的创建一个Thread。本文暂不涉及linux底层的线程模型。实际上线程在linux中就是以轻量进程的形式来运行的。线程的生命周期基本上等同于进程的生命周期。

2.1 传统的线程模型

在传统的线程模型中，可分为三态或者五态模型。
如下即是一个五态的模型：


五态模型
  • 1.创建/初始化状态：指的是线程已经被创建完毕，但是还不能执行，等价于我们new了一个线程对象。实际上在操作系统层面，线程并没有真的创建。只是在各编程语言中完成了初始化状态。这是各编程语言所特有。
  • 2.就绪状态：也就是可运行状态。在这种状态下，操作系统底层已经将线程创建成功了，可以分配CPU进行执行。
  • 3.运行状态：当有空闲的CPU的时候，操作系统将CPU分配给一个可以运行的线程执行。这个被分配到CPU的线程的状态就会被修改为运行状态。
  • 4.阻塞状态：运行状态的线程如果调用一个阻塞的操作，或者对某个事件进行等待，则转换为阻塞状态，同时释放出CPU的使用权，处于阻塞状态的线程永远没有机会获得CPU，只有当阻塞事件结束或者等待的事件完成，才会从阻塞状态转变为就绪状态。等待下一次CPU事件片的分配。
  • 5.终止状态：线程执行完成或者出现异常就会进入终止状态，线程终止之后，线程的生命周期也就结束了，这个过程是不可逆的，内存资源将被回收。

这是传统的线程五态模型，在不同的语言中，可能会被简化或者细化。java就对部分状态进行了简化和细化。我们来看看JAVA中的线程模型。

2.2 java中的线程模型

在java中，线程的生命周期分为：

  • 1.NEW 即初始化状态
  • 2.RUNNALBLE 可运行/运行状态
  • 3.BLOCKED 阻塞状态
  • 4.WAITING 无时限等待状态
  • 5.TIMED_WAITING 有时限等待状态
  • TERMINATED 终止状态

实际上BLOCK、WAITING、TIMED_WAITING三种状态都是前面五态模型中的阻塞状态的细化。这三种状态的任意一种状态都不能获得CPU的执行权。而RUNNABLE则是将五态模型中的就绪和运行状态进行了合并。对应起来如下：


java线程状态模型

实际上这个图可以更细：


java线程状态模型（详细）

这就是java线程中各状态转换的情况。

2.2.1 从NEW到RUNNABLE状态

java刚创建的线程是NEW状态，在java中，实现线程的方法有两种，一种是继承Thread类，一种是实现Runnable接口。

2.2.1.1 继承Thread类

代码如下

class MyThread extend Thread{
    public void run(){
      //详细内容    
    }
    
}

MyThread t = new MyThread();
2.2.1.2 实现Runnable接口

另外一种方法是实现Runnable接口。

class MyThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        //详细内容
    }
}
Thread t = new Thread(new MyThread());

以上就是在java中启动线程的两种方法。
之后只要执行start方法，就完成了从NEW到RUNNABLE状态的转换。

MyThread t = new MyThread();
t.start();

2.2.2 RUNNABLE与WAITING状态转换

在RUNNABLE到WAITING状态装转换的过程中，有如下情况：

  • 在synchronized中调用Object.wait()方法。
  • 调用Thread.join()方法，join()是一种同步方法，在某线程中执行另外一个线程A的 A.join(),就会导致当前线程进入WAITING状态，之后A执行完之后，这个线程才才从WAITING转换为RUNNABLE。
  • 调用LockSupport.park()方法，这个我们后续详细分析LockSupport的时候介绍。这个方法也能将线程从RUNNABLE变成WAITING状态。之后通过LockSupport.unpark(Thread t)则可以将线程从WAITTING变成RUNNABLE状态。

2.2.3 RUNNABLE与TIME_WAITING状态转换

从RUNNABLE到TIME_WAITING的转换主要有如下情况：

  • 1.Thread.sleep(long millis)方法。
  • 2.在获取synchronized之后 Object.wait(long timeout)方法。
  • 3.Thread,join(long timeout)方法。
  • 4.调用LockSupport.parkNanos(Object blocker,long deadline)方法。
  • 5.LockSupport.parkUntil(long deadline)方法。
    从TIME_WAITING到RUNNABLE的方法与从WAITING到RUNNABLE一样。
  • 1.Object.notify()
  • 2.Object.notifyAll()
  • 3.LockSupport.unpark(Thread t)
    可以发现，实际上TIME_WAITING与WAITING状态的区别在于调用的方法中多了时间参数。

2.2.4 RUNNING与BLOCKED的转换

从RUNNIG状态到BLOCKED的过程只有一种情况，那就是使用synchronized的时候，synchronized修饰的方法或者同步块，同时只允许一个线程执行，其他线程就会等待，这种情况下就会从RUNNBING转换到BLOCKED状态。当等待的线程获得了锁之后，就会从BLOCKED状态转变为RUNNING状态。

2.2.5 从RUNNING到TERMINATED状态

线程执行完成之后，会自动转换到TERMINATED状态。另外在run的过程中如果遇到异常，也会停止，线程状态会变为TERMINATED状态。如果run的过程很慢需要终止，我们需要使用interrupt()方法。
需要注意的是 stop()方法已经标注为@Deprecated，不再建议使用。
关于stop方法和interrupt方法的区别，我们在后续讨论Thread源码的时候详细来分析。

3.总结

本文重点是对线程的定义及其生命周期进行了分析，同时也了解了进程和协程。需要注意的是五态模型，这实际上是一个抽象的概念。实际上在linux底层实现线程的时候，细节上会有很多的不同。我们需要掌握java线程的状态模型以及各状态之间的转换。

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