线程思考及应用

Posted on 2009-06-08 13:17 飘摇 阅读(136) 评论(0)  编辑  收藏 所属分类: Java 核心技术

线程是进程的一部分,进程是程序的一部分。
      线程的引入:例如,有一个Web服务器要进程的方式并发地处理来自不同用户的网页访问请求的话,可以创建父进程和多个子进程的方式来进行处理,但是创建一个进程要花费较大的系统开销和占用较多的资源。除外,这些不同的用户子进程在执行的时候涉及到进程上下文切换,上下文切换是一个复杂的过程。所以,为了减少进程切换和创建的开销,提高执行效率和节省资源,人们在操作系统中引入了"线程(thread)"的概念。
      进程的作用和定义:进程是为了提高CPU的执行效率,减少因为程序等待带来的CPU空转以及其他计算机软硬件资源的浪费而提出来的。进程是为了完成用户任务所需要的程序的一次执行过程和为其分配资源的一个基本单位,是一个具有独立功能的程序段对某个数据集的一次执行活动。

      线程和进程的区别
      1、线程是进程的一部分,所以线程有的时候被称为是轻权进程或者轻量级进程。
      2、一个没有线程的进程是可以被看作单线程的,如果一个进程内拥有多个进程,进程的执行过程不是一条线(线程)的,而是多条线(线程)共同完成的。
      3、系统在运行的时候会为每个进程分配不同的内存区域,但是不会为线程分配内存(线程所使用的资源是它所属的进程的资源),线程组只能共享资源。那就是说,出了CPU之外(线程在运行的时候要占用CPU资源),计算机内部的软硬件资源的分配与线程无关,线程只能共享它所属进程的资源。
      4、与进程的控制表PCB相似,线程也有自己的控制表TCB,但是TCB中所保存的线程状态比PCB表中少多了。
      5、进程是系统所有资源分配时候的一个基本单位,拥有一个完整的虚拟空间地址,并不依赖线程而独立存在。
      进程与程序的区别
      程序是一组指令的集合,它是静态的实体,没有执行的含义。而进程是一个动态的实体,有自己的生命周期。一般说来,一个进程肯定与一个程序相对应,并且只有一个,但是一个程序可以有多个进程,或者一个进程都没有。除此之外,进程还有并发性和交往性。简单地说,进程是程序的一部分,程序运行的时候会产生进程。

线程的声明与周期

  在java语言中的线程系统是java语言自建的, 因为java中有专门的支持多线程的API库,所以很容易写一个支持线程的程序。在使用java创建线程的时候,可以生成一个Thread类或者他的子类对象,并给这个对象发送start()消息(程序可以向任何一个派生自 Runnable 接口的类对象发送 start() 消息的),这样一来程序会一直执行,直到run返回为止,此时该线程就停止了
    一个线程创建之后,总是处于其生命周期的4个状态之一中。线程的状态表明此线 程当前正在进行的活动,而线程的状态是可以通过程序来进行控制的,就是说,可以对线程 进行操作来改变状态。这些操作包括启动(start)、终止(stop)、睡眠(sleep)、挂起 (suspend)、恢复(resume)、等待(wait)和通知(notify)。每一个操作都对应了一个方法,这些 方法是由软件包java.lang提供的。
     ①创建(new)状态
     如果创建了一个线程而没有启动它,那么,此线程就处于创建状态。比如,下述语句执行 以后,使系统有了一个处于创建状态的线程myThread:
         Thread myThread= new MyThreadClass();
其中,MyThreadClass()是Thread的子类,而Thread是由Java系统的java.lang软件包提 供的。
     处于创建状态的线程还没有获得应有的资源,所以,这是一个空的线程。线程只有通过 启动后,系统才会为它分配资源。对处于创建状态的线程可以进行两种操作:一是启动 (start)操作,使其进入可运行状态,二是终止(stop)操作,使其进入消亡状态。如果进入到消 亡状态,那么,此后这个线程就不能进入其他状态,也就是说,它不再存在了。
     start方法是对应启动操作的方法,其具体功能是为线程分配必要的系统资源;将线程 设置为可运行状态,从而可以使系统调度这个线程。
     ②可运行(runnable)状态
     如果对一个处于创建状态的线程进行启动操作,则此线程便进入可运行状态。仍以前面 创建的myThread线程为例,用下列语句: myThread.start(); 则线程myThread进入可运行状态。上述语句实质上是调用了线程体即run()方法。注意, run()方法包含在myThread线程中,也就是先由java.lang包的Thread类将run()方法 传递给子类MyThreadClass(),再通过创建线程由于类MyThreadClass()传递给线程 myThread。
     线程处于可运行状态只说明它具备了运行条件,但可运行状态并不一定是运行状态。因 为在单处理器系统中运行多线程程序,实际上在一个时间点只有一个线程在运行,而系统中 往往有多个线程同时处于可运行状态。系统通过快速切换和调度使所有可运行线程共享处 理器,造成宏观上的多线程并发运行。
     可见,一个线程是否处于运行状态,除了必须处于可运行状态外,还取决于系统的调度。
     在可运行状态可以进行多种操作,最通常的是从run()方法正常退出而使线程结束,进 入消亡状态。此外,还可以有如下操作:
     挂起操作,通过调用suspend方法来实现;
     睡眠操作,通过调用sleep方法来实现;
     等待操作,通过调用wait方法来实现;
     退让操作,通过调用yield方法来实现;
     终止操作,通过调用stop方法来实现。
     前面三种操作都会使一个处于可运行状态的线程进入不可运行状态。比如,仍以 myThread线程为例,当其处于可运行状态后,再用如下语句:
         myThreadsleep(5000);
则调用sleep方法使myThread线程睡眠5秒(5000毫秒)。这5秒内,此线程不能被系统调 度运行,只有过5秒后,myThread线程才会醒来并自动回到可运行状态。
     如果一个线程被执行挂起操作而转到不可运行状态,则必须通过调用恢复(resume)操 作,才能使这个线程再回到可运行状态。
     退让操作是使某个线程把CPU控制权提前转交给同级优先权的其他线程。
     对可运行状态的线程也可以通过调用stop方法使其进入消亡状态。
     ③不可运行(not runnable)状态
     不可运行状态都是由可运行状态转变来的。一个处于可运行状态的线程,如果遇到挂起 (suspend)操作、睡眠(sleep)操作或者等待(wait)操作,就会进入不可运行状态。另外,如果 一个线程是和I/O操作有关的,那么,在执行I/O指令时,由于外设速度远远低于处理器速 度而使线程受到阻塞,从而进入不可运行状态,只有外设完成输入/输出之后,该线程才会自 动回到可运行状态。线程进入不可运行状态后,还可以再回到可运行状态。通常有三种途径 使其恢复到可运行状态。
     一是自动恢复。
     通过睡眠(sleep)操作而进入不可运行状态的线程会在过了指定睡眠时间以后自动恢 复到可运行状态;由于I/O阻塞而进入不可运行状态的线程在外设完成I/O操作后,自动 恢复到可运行状态。
     二是用恢复(resume)方法使其恢复。
     如果一个线程由于挂起(suspend)操作而从可运行状态进入不可运行状态,那么,必须 用恢复(resume)操作使其再恢复到可运行状态。
     三是用通知(notify或notiyA11)方法使其恢复。
     如果一个处于可运行状态的线程由于等待(wait)操作面转入不可运行状态,那么,必须 通过调用notify方法或notifyAll方法才能使其恢复到可运行状态。采用等待操作往往是由 于线程需要等待某个条件变量,当获得此条件变量后,便可由notify或notifyAll方法使线 程恢复到可运行状态。
     恢复到可运行状态的每一种途径都是有针对性的,不能交叉。比如,对由于阻塞而进入 不可运行状态的线程采用恢复操作将是无效的。
     在不可运行状态,也可由终止(stop)操作使其进入消亡状态。
     ④消亡(dead)状态
     一个线程可以由其他任何一个状态通过终止(stop)操作而进入消亡状态。线程一旦进 入消亡状态,那它就不再存在,所以也不可能再转到其他状态。
     通常,在一个应用程序运行时,如果通过其他外部命令终止当前应用程序,那么就会调 用stop方法终止线程。但是,最正常、最常见的途径是由于线程在可运行状态正常完成自身 的任务而“寿终正寝”,从而进入消亡状态,这个完成任务的动作是由run方法实现的。

线程的同步与安全

 由于同一进程内的多个线程共享内存空间,在Java中,就是共享实例,当多个线程试图同时修改某个实例的内容时,就会造成冲突,因此,线程必须实现共享互斥,使多线程同步。
  
  最简单的同步是将一个方法标记为synchronized,对同一个实例来说,任一时刻只能有一个synchronized方法在执行。当一个方法正在执行某个synchronized方法时,其他线程如果想要执行这个实例的任意一个synchronized方法,都必须等待当前执行synchronized方法的线程退出此方法后,才能依次执行。
  
  但是,非synchronized方法不受影响,不管当前有没有执行synchronized方法,非synchronized方法都可以被多个线程同时执行。
  
  此外,必须注意,只有同一实例的synchronized方法同一时间只能被一个线程执行,不同实例的synchronized方法是可以并发的。例如,class A定义了synchronized方法sync(),则不同实例a1.sync()和a2.sync()可以同时由两个线程来执行。
多线程同步的实现最终依赖锁机制。我们可以想象某一共享资源是一间屋子,每个人都是一个线程。当A希望进入房间时,他必须获得门锁,一旦A获得门锁,他进去后就立刻将门锁上,于是B,C,D...就不得不在门外等待,直到A释放锁出来后,B,C,D...中的某一人抢到了该锁(具体抢法依赖于JVM的实现,可以先到先得,也可以随机挑选),然后进屋又将门锁上。这样,任一时刻最多有一人在屋内(使用共享资源)。



 


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