執行緒

• 1. 簡介

• 1）定義

• 現代作業系統在執行一個程式時，會為其建立一個程序。例如，啟動一個Java程式，作業系統就會建立一個Java程序。現代作業系統排程的最小單元是執行緒，也叫輕量級程序（LightWeightProcess），在一個程序裡可以建立多個執行緒，這些執行緒都擁有各自的計數器、堆疊和區域性變數等屬性，並且能夠訪問共享的記憶體變數。處理器在這些執行緒上快速切換，讓使讀者感覺到這些執行緒在同時執行。

• 2） 那麼為何要使用多執行緒

• 更多的處理器核心

• 更快的響應

• 更好的程式設計模型

• 3）優先順序

• 由於是作業系統給執行緒分配時間片的處理方式。那麼便可以通過優先順序設定處理的先後，確保處理器不會被獨佔。

• 4）狀態

• 狀態變換圖

• 2. 啟動與終止

• 1）啟動與中斷

• 啟動：當前執行緒（即parent執行緒）同步告知Java虛擬機器，只要執行緒規劃器空閒，應立即啟動呼叫start()方法的執行緒。

• 中斷：即是執行緒的一個標識位屬性，通過呼叫該執行緒的interrupt()方法對其進行中斷操作。也可以呼叫靜態方法Thread.interrupted()對當前執行緒的中斷標識位進行復位，當丟擲InterruptedException之前，Java虛擬機器會先將該執行緒的中斷標識位清除，即此時呼叫isInterrupted()方法將會返回false。

• 2）安全地終止執行緒（優雅）

• 通過設定一個boolean變數控制

   public class Shutdown {
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            Runner one = new Runner();
            Thread countThread = new Thread(one, "CountThread");
            countThread.start();
            // 睡眠1秒，main執行緒對CountThread進行中斷，使CountThread能夠感知中斷而結束
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            countThread.interrupt();
            Runner two = new Runner();
            countThread = new Thread(two, "CountThread");
            countThread.start();
            // 睡眠1秒，main執行緒對Runner two進行取消，使CountThread能夠感知on為falseer結束
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            two.cancel();
        }

        private static class Runner implements Runnable {
            private long i;
            private volatile boolean on = true;

            @Override
            public void run() {
                while (on && !Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                    i++;
                }
                System.out.println("Count i = " + i);
            }

            public void cancel() {
                on = false;
            }
        }
    }
 

• 3. 執行緒間通訊

• 1）volatile和synchronized

• java在多個執行緒訪問一個物件或物件的成員變數，每個執行緒擁有其拷貝，將其放入各自的快取中，這樣可以加速程式的執行，故執行緒看到的變數並不一定是最新的。假如需要最新的，此時需要通過volatile通知執行緒間從共享記憶體中獲取，並重新整理回各自的工作記憶體，即是保證了對所有執行緒對變數訪問的可見性。
• 關鍵字synchronized可以修飾方法或者以同步塊的形式來進行使用，它主要確保多個執行緒在同一個時刻，只能有一個執行緒處於方法或者同步塊中，它保證了執行緒對變數訪問的可見性和排他性。
  • 同步塊的實現使用了monitorenter和monitorexit指令。
  • 同步方法則是依靠方法修飾符上的ACC_SYNCHRONIZED來完成的。

本質:對一個物件的監視器（monitor）進行獲取，而這個獲取過程是排他的，也就是同一時刻只能有一個執行緒獲取到由synchronized所保護物件的監視器。

• 任意執行緒對Object（Object由synchronized保護）的訪問，首先要獲得Object的監視器。如果獲取失敗，執行緒進入同步佇列，執行緒狀態變為BLOCKED。當訪問Object的前驅（獲得了鎖的執行緒）釋放了鎖，則該釋放操作喚醒阻塞在同步佇列中的執行緒，使其重新嘗試對監視器的獲取。

• • 2）等待/通知機制

等待/通知機制，是指一個執行緒A呼叫了物件O的wait()方法進入等待狀態，而另一個執行緒B呼叫了物件O的notify()或者notifyAll()方法，執行緒A收到通知後從物件O的wait()方法返回，進而執行後續操作。

• 解決兩個問題
  • 確保及時性
  • 降低開銷
• 方法
  • notify: 通知一個物件上等待的執行緒，使其從wait方法返回，而返回的前提是執行緒獲取到了物件的鎖。
  • notifyAll：通知所有等待在該物件上的執行緒。
  • wait: 呼叫該方法的執行緒進入WAITING狀態，只有等待另外執行緒的通知或被中斷才會返回，需要注意，呼叫wait方法後，會釋放物件的鎖。
  • wait(long): 超時等待一段時間，這裡的引數時間是毫秒，也就是等待長達n毫秒，如果沒有通知就超時返回。
  • wait(long,int): 對於超時時間更細粒度的控制，可以達到納秒。
• 使用注意事項
  • 使用wait()、notify()和notifyAll()時需要先對呼叫物件加鎖。
  • 呼叫wait()方法後，執行緒狀態由RUNNING變為WAITING，並將當前執行緒放置到物件的等待佇列。
  • notify()或notifyAll()方法呼叫後，等待執行緒依舊不會從wait()返回，需要呼叫notify()或notifAll()的執行緒釋放鎖之後，等待執行緒才有機會從wait()返回。
  • notify()方法將等待佇列中的一個等待執行緒從等待佇列中移到同步佇列中，而notifyAll()方法則是將等待佇列中所有的執行緒全部移到同步佇列，被移動的執行緒狀態由WAITING變為BLOCKED。
  • 從wait()方法返回的前提是獲得了呼叫物件的鎖。

上圖中，WaitThread首先獲取了物件的鎖，然後呼叫物件的wait()方法，從而放棄了鎖並進入了物件的等待佇列WaitQueue中，進入等待狀態。由於WaitThread釋放了物件的鎖，NotifyThread隨後獲取了物件的鎖，並呼叫物件的notify()方法，將WaitThread從WaitQueue移到SynchronizedQueue中，此時WaitThread的狀態變為阻塞狀態。NotifyThread釋放了鎖之後，WaitThread再次獲取到鎖並從wait()方法返回繼續執行。

• 3）Thread.join()

定義：如果一個執行緒A執行了thread.join()語句,當前執行緒A等待thread執行緒終止之後才從thread.join()返回。

• 4）ThreadLocal

• ThreadLocal，即執行緒變數，是一個以ThreadLocal物件為鍵、任意物件為值的儲存結構。
• ThreadLocal為每個使用該變數的執行緒提供獨立的變數副本，所以每一個執行緒都可以獨立地改變自己的副本，而不會影響其它執行緒所對應的副本。
  • 每個Thread物件內部都維護了一個ThreadLocalMap這樣一個ThreadLocal的Map，可以存放若干個ThreadLocal。
  • 當我們在呼叫get()方法的時候，先獲取當前執行緒，然後獲取到當前執行緒的ThreadLocalMap物件，如果非空，那麼取出ThreadLocal的value，否則進行初始化，初始化就是將initialValue的值set到ThreadLocal中。
  • 當我們呼叫set()方法的時候，很常規，就是將值設定進ThreadLocal中。
• 採用ThreadLocal 根本就沒有競爭。

記憶體洩露:
實際上 ThreadLocalMap中使用的key為ThreadLocal的弱引用，弱引用的特點是，如果這個物件只存在弱引用，那麼在下一次垃圾回收的時候必然會被清理掉。所以如果ThreadLocal沒有被外部強引用的情況下，在垃圾回收的時候會被清理掉的，這樣一來ThreadLocalMap中使用這個ThreadLocal的key也會被清理掉。但是，value是強引用，不會被清理，這樣一來就會出現key為null的value。ThreadLocalMap實現中已經考慮了這種情況，在呼叫set()、get()、remove()方法的時候，會清理掉key為null的記錄。如果說會出現記憶體洩漏，那只有在出現了key為null的記錄後，沒有手動呼叫remove()方法，並且之後也不再呼叫get()、set()、remove()方法的情況下。