Web全栈~31.并发

上一期

进程和线程的关系

线程（英语：thread）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。在Unix System V及SunOS中也被称为轻量进程（lightweight processes），但轻量进程更多指内核线程（kernel thread），而把用户线程（user thread）称为线程。

线程是独立调度和分派的基本单位。线程可以为操作系统内核调度的内核线程，如Win32线程；由用户进程自行调度的用户线程，如Linux平台的POSIX Thread；或者由内核与用户进程，如Windows 7的线程，进行混合调度。

同一进程中的多条线程将共享该进程中的全部系统资源，如虚拟地址空间，文件描述符和信号处理等等。但同一进程中的多个线程有各自的调用栈（call stack），自己的寄存器环境（register context），自己的线程本地存储（thread-local storage）。

一个进程可以有很多线程，每条线程并行执行不同的任务。

在多核或多CPU，或支持Hyper-threading的CPU上使用多线程程序设计的好处是显而易见，即提高了程序的执行吞吐率。在单CPU单核的计算机上，使用多线程技术，也可以把进程中负责I/O处理、人机交互而常被阻塞的部分与密集计算的部分分开来执行，编写专门的workhorse线程执行密集计算，从而提高了程序的执行效率。

并行与并发

并发当有多个线程在操作时,如果系统只有一个CPU,则它根本不可能真正同时进行一个以上的线程，它只能把CPU运行时间划分成若干个时间段,再将时间段分配给各个线程执行，在一个时间段的线程代码运行时，其它线程处于挂起状。.这种方式我们称之为并发(Concurrent)。

并行：当系统有一个以上CPU时,则线程的操作有可能非并发。当一个CPU执行一个线程时，另一个CPU可以执行另一个线程，两个线程互不抢占CPU资源，可以同时进行，这种方式我们称之为并行(Parallel)。

区别：并发和并行是即相似又有区别的两个概念，并行是指两个或者多个事件在同一时刻发生；而并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有多个处理机，则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上，实现并行执行，即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序，这样，多个程序便可以同时执行。

通俗的来说,并行其实就是,多个任务用多个CPU同时运行。而并发则是多个任务由一个CPU通过切换时间片运行,并发并不是真的再同时运行他们,只是给人的感觉,效果上看起来像是。

创建线程

继承Thread

Java中java.lang.Thread这个类表示线程，一个类可以继承Thread并重写其run方法来实现一个线程

public class Test extends Thread{@Overridepublic void run() {System.out.println("run");}public static void main(String[] args) {Thread thread = new Test();thread.start();}
}

Test这个类继承了Thread，并重写了run方法。run方法的方法签名是固定的，public，没有参数，没有返回值，不能抛出受检异常。run方法类似于单线程程序中的main方法，线程从run方法的第一条语句开始执行直到结束。定义了这个类不代表代码就会开始执行，线程需要被启动，启动需要先创建一个Test对象，然后调用Thread的start方法

start表示启动该线程，使其成为一条单独的执行流，操作系统会分配线程相关的资源，每个线程会有单独的程序执行计数器和栈，操作系统会把这个线程作为一个独立的个体进行调度，分配时间片让它执行，执行的起点就是run方法。

//每个Thread都有一个id和name：
public class Test extends Thread{@Overridepublic void run() {System.out.println("run");System.out.println(Thread.currentThread().getId());System.out.println(Thread.currentThread().getName());}public static void main(String[] args) {Thread thread = new Test();thread.start();}
}

实现Runnable接口

通过继承Thread来实现线程虽然比较简单，但Java中只支持单继承，每个类最多只能有一个父类，如果类已经有父类了，就不能再继承Thread，这时，可以通过实现java.lang.Runnable接口来实现线程。Runnable接口的定义很简单，只有一个run方法。当然，仅仅实现Runnable是不够的，要启动线程，还是要创建一个Thread对象。

public class Test implements Runnable{public static void main(String[] args) {Runnable runnable = new Test();Thread thread = new Thread(runnable);thread.start();}@Overridepublic void run() {System.out.println("run");}
}

线程的基本属性和方法

id 和 name

每个线程都有一个id和name。id是一个递增的整数，每创建一个线程就加一。name的默认值是Thread-后跟一个编号，name可以在Thread的构造方法中进行指定，也可以通过setName方法进行设置，给Thread设置一个友好的名字，可以方便调试。

优先级

线程有一个优先级的概念,在Java中优先级从1到10,默认为5

public final void setPriority(int newPriority)
public final int  getPriority()

这种优先级会被映射到操作系统中的线程优先级,不过并不是所有操作系统都是10个优先级。Java中不同的优先级可能会被映射到操作系统中相同的优先级。另外,优先级对操作系统而言主要是给了一点建议和提示,并不是强制如此。

状态

线程还有一个状态的概念,Thread有一个方法用于获取线程的状态。

public State getState()

public enum State {//NEW：没有调用start的线程状态为NEW。NEW，/*RUNNABLE：调用start后线程在执行run方法且没有阻塞时状态为RUNNABLE，不过，RUNNABLE不代表CPU一定在执行该线程的代码，可能正在执行也可能在等待操作系统分配时间片，只是它没有在等待其他条件。*/RUNNABLE，/*BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING：都表示线程被阻塞了，在等待一些条件*/BLOCKED，WAITING，TIMED_WAITING，//TERMINATED：线程运行结束后状态为TERMINATED。TERMINATED;
}

Thread中还有一个方法可以检查出线程是否还或者，当线程启动后,run方法运行结束前,它的返回值都是true

public final native boolean isAlive()

daemon线程

启动线程会启动一条单独的执行流，整个程序只有在所有线程都结束的时候才退出，但daemon线程是例外，当整个程序中剩下的都是daemon线程的时候，程序就会退出。

Thread有一个是否daemon线程的属性

public final void setDaemon（boolean on）
public final boolean isDaemon()

daemon一般是其他线程的辅助线程，在它辅助的主线程退出的时候，它就没有存在的意义了。在我们运行一个即使最简单的"hello world"类型的程序时，实际上，Java也会创建多个线程，除了main线程外，至少还有一个负责垃圾回收的线程，这个线程就是daemon线程，在main线程结束的时候，垃圾回收线程也会退出。

sleep

Thread有一个静态的sleep方法，调用该方法会让当前线程睡眠指定的时间，单位是毫秒

public static native void sleep（long millis） throws InterruptedException;

睡眠期间，该线程会让出CPU，但睡眠的时间不一定是确切的给定毫秒数，可能有一定的偏差，偏差与系统定时器和操作系统调度器的准确度和精度有关。睡眠期间，线程可以被中断，如果被中断，sleep会抛出InterruptedException

yield()方法

//可以让出CPU：
public static native void yield（）;

这也是一个静态方法，调用该方法，是告诉操作系统的调度器：我现在不着急占用CPU，你可以先让其他线程运行。不过，这对调度器也仅仅是建议，调度器如何处理是不一定的，它可能完全忽略该调用。

join()方法

可以让调用join的线程等待该线程结束

public final void join（） throws InterruptedException

在等待线程结束的过程中，这个等待可能被中断，如果被中断，会抛出Interrupted-Exception。join方法还有一个变体，可以限定等待的最长时间，单位为毫秒，如果为0，表示无期限等待

public final synchronized void join（long millis） throws InterruptedException

如果希望main线程在子线程结束后再退出，main方法可以改为

public class Test implements Runnable{public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Runnable runnable = new Test();Thread thread = new Thread(runnable);thread.start();thread.join();}@Overridepublic void run() {System.out.println("run");}
}

共享内存

每个线程表示一条单独的执行流，有自己的程序计数器，有自己的栈，但线程之间可以共享内存，它们可以访问和操作相同的对象。

public class Test{private static int shared = 0;private static void incrShared(){shared++;}static class ChildThread extends Thread {List<String> list;public ChildThread(List<String> list) {this.list = list;}@Overridepublic void run() {incrShared();list.add(Thread.currentThread().getName());}}public static void main(String[]args) throws InterruptedException {List<String> list = new ArrayList<String>();Thread t1 = new ChildThread(list);Thread t2 = new ChildThread(list);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(shared);System.out.println(list);}
}

在这里有三条执行流，一条执行main方法，另外两条执行ChildThread的run方法。不同执行流可以访问和操作相同的变量，比如这里面的shared和list变量。不同执行流可以执行相同的程序代码，就像这里面的incrShared方法，ChildThread的run方法，被两条ChildThread执行流执行，incrShared方法是在外部定义的，但被ChildThread的执行流执行。当多条执行流执行相同的程序代码时，每条执行流都有单独的栈，方法中的参数和局部变量都有自己的一份。

当多条执行流可以操作相同的变量时，可能会出现一些意料之外的结果，包括竞态条件和内存可见性问题

竞态条件

当多个线程访问和操作同一个对象时，最终执行结果与执行时序有关，可能正确也可能不正确。

public class Test extends Thread{private static int counter = 0;@Overridepublic void run() {for(int i = 0; i < 1000; i++) {counter++;}}public static void main(String[]args) throws InterruptedException {int num = 1000;Thread[]threads = new Thread[num];for(int i = 0; i < num; i++) {threads[i]= new Test();threads[i].start();}for(int i = 0; i < num; i++) {threads[i].join();}System.out.println(counter);}
}

有一个共享静态变量counter，初始值为0，在main方法中创建了1000个线程，每个线程对counter循环加1000次，main线程等待所有线程结束后输出counter的值。期望的结果是100万，但实际执行，发现每次输出的结果都不一样，一般都不是100万，经常是99万多。为什么会这样呢？因为counter++这个操作不是原子操作

这个问题可能就需要使用synchronized关键字,或者使用显式锁、原子变量等方法来解决了

内存可见性

多个线程可以共享访问和操作相同的变量，但一个线程对一个共享变量的修改，另一个线程不一定马上就能看到，甚至永远也看不到。

public class Test extends Thread{private static boolean shutdown = false;static class My{public void run() {while(!shutdown){}System.out.println("exit hello");}}public static void main(String[]args) throws InterruptedException {new Test().start();Thread.sleep(1000);shutdown = true;System.out.println("exit main");}
}

在这个程序中，有一个共享的boolean变量shutdown，初始为false，My在shutdown不为true的情况下一直死循环，当shutdown为true时退出并输出"exit hello"，main线程启动My后休息了一会儿，然后设置shutdown为true，最后输出"exit main"。期望的结果是两个线程都退出，但实际执行时，很可能会发现HelloThread永远都不会退出，也就是说，在My执行流看来，shutdown永远为false，即使main线程已经更改为了true。

这就是内存可见性问题。在计算机系统中，除了内存，数据还会被缓存在CPU的寄存器以及各级缓存中，当访问一个变量时，可能直接从寄存器或CPU缓存中获取，而不一定到内存中去取，当修改一个变量时，也可能是先写到缓存中，稍后才会同步更新到内存中。在单线程的程序中，这一般不是问题，但在多线程的程序中，尤其是在有多CPU的情况下，这就是严重的问题。一个线程对内存的修改，另一个线程看不到，一是修改没有及时同步到内存，二是另一个线程根本就没从内存读。

解决这个问题可以使用volatile关键字或者synchronized

线程的成本

创建线程需要消耗操作系统的资源，操作系统会为每个线程创建必要的数据结构、栈、程序计数器等，创建也需要一定的时间。此外，线程调度和切换也是有成本的，当有大量可运行线程的时候，操作系统会忙于调度，为一个线程分配一段时间，执行完后，再让另一个线程执行，一个线程被切换出去后，操作系统需要保存它的当前上下文状态到内存，上下文状态包括当前CPU寄存器的值、程序计数器的值等，而一个线程被切换回来后，操作系统需要恢复它原来的上下文状态，整个过程称为上下文切换，这个切换不仅耗时，而且使CPU中的很多缓存失效。

如果线程中实际执行的事情比较多，这些成本是可以接受的；另外，如果执行的任务都是CPU密集型的，即主要消耗的都是CPU，那创建超过CPU数量的线程就是没有必要的，并不会加快程序的执行。