线程、多线程知识点总结(一)

一时失言乱红尘 2022-05-14 20:49 261阅读 0赞

**1、进程（process****）**

**狭义定义：**进程就是一段程序的执行过程。

**广义定义：**进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它是操作系统动态执行的基本单元，在传统的操作系统中，进程既是基本的分配单元，也是基本的执行单元。

**简单的来讲进程的概念主要有两点**：**第一**，进程是一个实体。每一个进程都有它自己的地址空间，一般情况下，包括文本区域（text region）、数据区域（data region）和堆栈（stack region）。文本区域存储处理器执行的代码；数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存；堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量。**第二**，进程是一个“执行中的程序”。程序是一个没有生命的实体，只有处理器赋予程序生命时，它才能成为一个活动的实体，我们称其为进程。

**进程状态：**进程有三个状态，就绪、运行和阻塞。就绪状态其实就是获取了出cpu外的所有资源，只要处理器分配资源就可以马上执行。就绪状态有排队序列什么的，排队原则不再赘述。运行态就是获得了处理器分配的资源，程序开始执行。阻塞态，当程序条件不够时候，需要等待条件满足时候才能执行，如等待i/o操作时候，此刻的状态就叫阻塞态。

**2****、线程**

通常在一个进程中可以包含若干个线程，当然一个进程中至少有一个线程，不然没有存在的意义。线程可以利用进程所拥有的资源，在引入线程的操作系统中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位，而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位，由于线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，故对它的调度所付出的开销就会小得多，能更高效的提高系统多个程序间并发执行的程度。

**3****、多线程**

在一个程序中，这些独立运行的程序片段叫作“线程”（Thread），利用它编程的概念就叫作“多线程处理”。多线程是为了同步完成多项任务，不是为了提高运行效率，而是为了提高资源使用效率来提高系统的效率。线程是在同一时间需要完成多项任务的时候实现的。

**4****、线程安全**

线程安全是多线程编程时的计算机程序代码中的一个概念。在拥有共享数据的多条线程并行执行的程序中，线程安全的代码会通过同步机制保证各个线程都可以正常且正确的执行，不会出现数据污染等意外情况。如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和[单线程][Link 1]运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

**5****、线程的三大特性**

**原子性：**即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

在[Java][]中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。上面一句话虽然看起来简单，但是理解起来并不是那么容易。看下面一个例子：

请分析以下哪些操作是原子性操作：

1  x = 10; //语句1

2  y = x; //语句2

3  x++; //语句3

4  x = x + 1; //语句4

咋一看，有些朋友可能会说上面的4个语句中的操作都是原子性操作。其实只有语句1是原子性操作，其他三个语句都不是原子性操作。语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。语句2实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。同样的，x++和 x = x+1包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值。所以上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。也就是说，只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。不过这里有一点需要注意：在32位平台下，对64位数据的读取和赋值是需要通过两个操作来完成的，不能保证其原子性。但是好像在最新的JDK中，JVM已经保证对64位数据的读取和赋值也是原子性操作了。

从上面可以看出，Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

**可见性：**是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。

另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

**有序性：**即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”（具体原理在下一节讲述）。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

另外，Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

**6****、线程的几个为什么**

问：锁和synchronized为何能保证可见性？  
答：根据[JDK 7的Java doc][JDK 7_Java doc]中对`concurrent`包的说明，一个线程的写结果保证对另外线程的读操作可见，只要该写操作可以由`happen-before`原则推断出在读操作之前发生。

> The results of a write by one thread are guaranteed to be **visible** to a read by another thread only if the write operation happens-before the read operation. The synchronized and volatile constructs, as well as the Thread.start() and Thread.join() methods, can form happens-before relationships.

问：既然锁和synchronized即可保证原子性也可保证可见性，为何还需要volatile？  
答：synchronized和锁需要通过操作系统来仲裁谁获得锁，开销比较高，而volatile开销小很多。因此在只需要保证可见性的条件下，使用volatile的性能要比使用锁和synchronized高得多。

问：既然锁和synchronized可以保证原子性，为什么还需要AtomicInteger这种的类来保证原子操作？  
答：锁和synchronized需要通过操作系统来仲裁谁获得锁，开销比较高，而AtomicInteger是通过CPU级的CAS（compare and swap）操作来保证原子性，开销比较小。所以使用AtomicInteger的目的还是为了提高性能。

问：还有没有别的办法保证线程安全  
答：有。尽可能避免引起非线程安全的条件——共享变量。如果能从设计上避免共享变量的使用，即可避免非线程安全的发生，也就无须通过锁或者synchronized以及volatile解决原子性、可见性和顺序性的问题。

问：synchronized即可修饰非静态方式，也可修饰静态方法，还可修饰代码块，有何区别  
答：synchronized修饰非静态同步方法时，锁住的是当前实例；synchronized修饰静态同步方法时，锁住的是该类的Class对象；synchronized修饰静态代码块时，锁住的是`synchronized`关键字后面括号内的对象。

**如有披露或问题欢迎留言或者入群探讨**

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[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%95%E7%BA%BF%E7%A8%8B
[Java]: http://lib.csdn.net/base/javaee
[JDK 7_Java doc]: http://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/util/concurrent/package-summary.html#MemoryVisibility
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