前情引入
?在工作中，我們或多或少都會接觸到與線程相關(guān)的東西，比如線程池、比如Runnable、Callable接口等等。如果這些你都沒有接觸過，至少Java程序的入口——main方法你一定有所了解。因?yàn)樵贘ava程序的運(yùn)行過程中，承載main方法的線程叫主線程。
?本篇中，我們不會做過多的代碼演示，我們的目的僅僅是了解Java并發(fā)相關(guān)的概念，以及掌握幾個相關(guān)的常見題目。
何為線程，何為進(jìn)程
?在開始探究線程之前，我們應(yīng)該先從應(yīng)用程序的角度去理解一下什么叫進(jìn)程。
?簡單的說，進(jìn)程是一段程序的一次執(zhí)行過程，是系統(tǒng)運(yùn)行程序的基本單位。在Java中，當(dāng)我們啟動main方法時就開啟了一個jvm的進(jìn)程，而這個main方法所在的線程就是這個進(jìn)程中的其中一個線程。當(dāng)我們在運(yùn)行一段代碼的時候，可以在任務(wù)管理器中看到相應(yīng)的進(jìn)程信息。
?譬如，在執(zhí)行這樣一段代碼時。
public class ClinitTest {
public static void main(String[] args){
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (scanner.hasNextLine()){
int currentNumber = scanner.nextInt();
// 以0結(jié)束輸入
if(currentNumber == 0){
break;
}
}
}
}
?上面的代碼片段并沒有什么實(shí)際意義，if()語塊的作用僅僅是讓程序不要一瞬即過，這樣方便我們觀察這個進(jìn)程。
?通過jps命令可查看機(jī)器上有哪些Java的進(jìn)程在運(yùn)行，并且可看到這些進(jìn)程的PID。如下圖:
?我們可以通過進(jìn)程的PID，在任務(wù)管理器中查找到這個進(jìn)程，如下：
?事實(shí)上，線程和進(jìn)程很相似，但線程是比進(jìn)程更小的執(zhí)行單位。但我們可以這樣去區(qū)分線程和進(jìn)程：一個虛擬機(jī)可以產(chǎn)生多個進(jìn)程，而一個進(jìn)程可以持有多個線程。
?或者從main方法來談這個問題。我們常說一切事物都是有因才有果，一個main方法想要被執(zhí)行，就必須要有線程來承載這個方法；一個線程想要被執(zhí)行，就需要有進(jìn)程來承載；只不過jvm作為這個小世界的創(chuàng)造者，對于進(jìn)程和線程就有統(tǒng)治權(quán)和調(diào)度權(quán)。
?除了上面的區(qū)別之外，進(jìn)程擁有獨(dú)立的運(yùn)行地址空間，各個進(jìn)程之間不會互相影響；而線程則不是，同類的多個線程可以共享同一個進(jìn)程的地址空間。
在jvm中哪些區(qū)域是線程共享的
?在討論這個問題之前，先讓我們看一下jvm的內(nèi)存模型（因jvm的版本不一樣，會存在差異）。此處的jvm內(nèi)存模型基于jdk1.8進(jìn)行簡要描述。如下圖所示：
?按照該圖的描述，多個線程可共享堆和元空間及直接內(nèi)存的內(nèi)容，而每個線程有自己的程序計數(shù)器、本地方法棧，虛擬機(jī)棧。
?如果你對jvm的內(nèi)存模型并不了解，不知道每一個區(qū)域都存放了些什么樣的數(shù)據(jù)，可在了解了相關(guān)內(nèi)容后再回到這里。關(guān)于JVM內(nèi)存模型的各個區(qū)域更加詳細(xì)的介紹可參見：此處應(yīng)插眼。
?如果你已經(jīng)對這塊內(nèi)容熟悉，請思考這樣一個問題：為什么程序計數(shù)器、本地方法棧和虛擬機(jī)棧都是線程私有的呢？能給出你的理解嗎？
程序計數(shù)器為什么會被設(shè)計為線程私有
?程序計數(shù)器在運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)域中只是一塊很小的內(nèi)存空間，每個線程有自己獨(dú)立的程序計數(shù)器。關(guān)于為什么被設(shè)計為私有可以用一句話來概括性的回答：線程切換后找到正確的執(zhí)行位置。
?Java虛擬機(jī)的多線程是通過線程輪流切換、享有處理器的時間片段的方式實(shí)現(xiàn)的。在任何一個時刻，處理器（對于多核處理器來說，這里指的是一個內(nèi)核）只會執(zhí)行一條線程中的指令。
?舉例來說，假設(shè)一個處理器現(xiàn)在正在工作中，有兩個線程分別為ThreadA和ThreadB，ThreadA里面有3條虛擬機(jī)字節(jié)碼指令：A1、A2、A3、ThreadB里面有3條虛擬機(jī)字節(jié)碼指令：B1、B2、B3。假設(shè)處理器的調(diào)度時間間隔是50ns，切換線程所需時間為5ns，從ThreadA開始執(zhí)行。那么將出現(xiàn)下面這樣的工作場景：
- 相對時間0~5ns之間：處理器切換線程為ThreadA，通過ThreadA的程序計數(shù)器中當(dāng)前執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址：比如A的指令地址;
- 5~55ns之間：執(zhí)行ThreadA的指令，這段時間內(nèi)，執(zhí)行完了A2指令，準(zhǔn)備執(zhí)行A3指令；
- 55~60ns之間：保存ThreadA的A3指令的地址到程序計數(shù)器，切換線程讓ThreadB享有處理器；
- 以此類推......
?雖然上面的例子只是一個簡化后的處理流程，各個場景設(shè)定的嚴(yán)謹(jǐn)性也有待商榷，但它真實(shí)的反應(yīng)了多線程的工作原理。從上面的內(nèi)容我們可以明確的得知程序計數(shù)器有兩個作用：第一個是為了記錄當(dāng)前線程究竟執(zhí)行到哪一句指令了；第二個是為了在線程再次獲得處理器時間片的時候能夠準(zhǔn)確的定位到應(yīng)該執(zhí)行的指令。
虛擬機(jī)棧為什么被設(shè)計為線程私有
?簡單來說，每個Java方法在執(zhí)行期間都會創(chuàng)建一個棧幀，這個棧幀用于存放局部變量表、操作數(shù)棧、常量池的引用等信息。每一個方法從被調(diào)用進(jìn)入到執(zhí)行完畢就對應(yīng)著棧幀在虛擬機(jī)的棧中入棧和出棧的全過程。
?所以為了保證線程中的局部變量、操作數(shù)以及引用等不被其他線程訪問到，虛擬機(jī)棧被設(shè)計為線程私有的。
?上面提到的局部變量表實(shí)際上存放了在編譯器就可知的虛擬機(jī)基本數(shù)據(jù)類型（float、double、byte、short、int、long、char、boolean）和對象引用。
本地方法棧
?作用類似于虛擬機(jī)棧，不同的地方在于：虛擬機(jī)棧作用的對象是Java方法（可能用Java方法不太嚴(yán)謹(jǐn)，就是字節(jié)碼所定義的方法）；而本地方法棧作用對象是Native方法。
?虛擬機(jī)規(guī)范中并沒有明確指出Native方法應(yīng)該用什么語言、什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，所以虛擬機(jī)可根據(jù)自己的情況實(shí)現(xiàn)Native方法。比如用C/C++或者其他什么語言無所謂，只要虛擬機(jī)能保證這個本地方法能實(shí)現(xiàn)要求的功能就ok。
堆
?關(guān)于堆的更多內(nèi)容請參考jvm的內(nèi)存模型那一章節(jié)，這里只關(guān)心如下幾點(diǎn)即可：
- 堆空間是線程共享的；
- 所有的（忽略在棧上分配的情況，對這塊感興趣可參考方法逃逸分析的相關(guān)技術(shù)）對象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存；
?堆為什么沒有被設(shè)計成線程私有？因?yàn)閷ο笫窃诙阎蟹峙涞膬?nèi)存，很多情況下我們需要在不同的線程中訪問同一個對象，所以堆是線程共享的區(qū)域。
元空間
?這一塊空間存儲的是元數(shù)據(jù)，也就是類加載后的信息。在jdk1.7之前，這部分?jǐn)?shù)據(jù)被放在堆內(nèi)（具體是堆內(nèi)的方法區(qū)），在jdk1.8的時候被放到了直接內(nèi)存的管轄范圍之中，主要原因是大量的類加載信息經(jīng)常會導(dǎo)致這一塊區(qū)域溢出。
線程的生命周期
?《Java并發(fā)編程藝術(shù)》一書中有提到，Java線程在運(yùn)行的生命周期中的某一時刻，只能處于線程所允許的其中一個狀態(tài)。
線程的狀態(tài)有哪些
?Java中線程的狀態(tài)有初始狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)、等待狀態(tài)、超時等待狀態(tài)和終止等待。詳見下表：
| 狀態(tài)名稱 | 說明 |
|---|---|
| NEW | 初始狀態(tài)，線程被構(gòu)建，但是還沒有調(diào)用start()方法 |
| RUNNABLE | 運(yùn)行狀態(tài)，操作系統(tǒng)中的'就緒'和'運(yùn)行'統(tǒng)稱為'運(yùn)行中' |
| BLOCKED | 阻塞狀態(tài)，該狀態(tài)說明線程正阻塞于鎖 |
| WAITING | 等待狀態(tài)，表示線程正處于等待狀態(tài)，等待其他線程做出一些特定的動作（通知或者中斷） |
| TIME_WAITING | 超時等待狀態(tài)，與WAITING的區(qū)別是，這個狀態(tài)可以在指定的時間范圍內(nèi)自行返回 |
| TERMINATED | 終止?fàn)顟B(tài)，線程已被執(zhí)行完畢 |
線程的狀態(tài)如何轉(zhuǎn)換
?線程的狀態(tài)隨著代碼的執(zhí)行而切換，線程狀態(tài)的變遷如下圖所示：（摘自《Java并發(fā)編程藝術(shù)》）
?從上圖可以看出，當(dāng)創(chuàng)建一個線程后，線程處于NEW狀態(tài)；調(diào)用線程的start()方法后，線程將處于READY（就緒）狀態(tài)；系統(tǒng)調(diào)度（獲得處理器的時間片）后，處于RUNNING（運(yùn)行中）狀態(tài)；當(dāng)run()方法執(zhí)行完畢或者異常退出時，處于TERMINATED狀態(tài)。
?在Java中，READY和RUNNING狀態(tài)被統(tǒng)稱為RUNNABLE狀態(tài)。當(dāng)線程處于RUNNABLE時，可以和阻塞、等待和超時等待相互切換。上面的圖已經(jīng)有相關(guān)的描述，在此就不作過多的闡述了。
并發(fā)基礎(chǔ)部分的常見題
?根據(jù)上面的內(nèi)容，我們來看看這部分常常會被問到的幾個問題，重點(diǎn)在于該怎么回答。
（一）并發(fā)與并行的區(qū)別
?答：并發(fā)是指多個任務(wù)交替使用處理器，在某一個確定的時刻只有一個任務(wù)在使用處理器（對多核CPU來說，這里的處理器指的是具體的某一個內(nèi)核）；而并行是指多個任務(wù)在任一時刻確實(shí)是同時在執(zhí)行的。
（二）什么叫線程的上下文切換
?答：處理器在任一時刻只能處理一個任務(wù)，當(dāng)這個任務(wù)的時間片用完之后，會保存這個任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)然后把處理器讓給另外一個線程使用。從這個任務(wù)保存到再加載另外一個任務(wù)的過程就是一次上下文切換。
（三）說說sleep()方法和wait()方法區(qū)別和共同點(diǎn)
?答：關(guān)鍵記住一點(diǎn)，sleep方法沒有釋放鎖，而wait方法釋放了鎖。因?yàn)閟leep方法被調(diào)用后仍然持有鎖，所以只能等方法執(zhí)行完后，線程自動蘇醒；而wait方法釋放了鎖，別的線程可以通過調(diào)用同一個對象上的notify()或者notifyAll()方法來喚醒它。
（四）為什么我們使用線程時調(diào)用的是start方法，為什么不是直接執(zhí)行run()方法
?答：new一個Thread，線程進(jìn)入NEW（初始）狀態(tài)，想要被執(zhí)行就需要調(diào)用start方法。start方法會執(zhí)行相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，并自動調(diào)用run()方法。如果直接調(diào)用run()方法會被當(dāng)成當(dāng)前線程的一個普通方法被執(zhí)行。
?Java所使用的線程模型是內(nèi)核級線程（KLT），start方法內(nèi)部會調(diào)用一個本地的start0()方法，這個start0方法會完成線程的創(chuàng)建和初始化，這些都是操作系統(tǒng)幫我們完成的。而run方法并沒有直接調(diào)用start0方法，所以這不是多線程的工作。關(guān)于這塊，建議大家看一下Thread類中的start方法和run方法源碼。
?本章我們已經(jīng)對Java的并發(fā)有了一個初步的認(rèn)識，在下一章中我們將對多線程所帶來的問題進(jìn)行分析，以及該如何去解決這些問題。
參考資料列表
1. 《Java并發(fā)編程藝術(shù)》——方騰飛，魏鵬，程曉明著
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