線程

發(fā)展簡史

　　線程的引入：

　　60年代，在OS中能擁有資源和獨(dú)立運(yùn)行的基本單位是進(jìn)程，然而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)程出現(xiàn)了很多弊端，一是由于進(jìn)程是資源擁有者，創(chuàng)建、撤消與切換存在較大的時(shí)空開銷，因此需要引入輕型進(jìn)程；二是由于對稱多處理機(jī)（SMP）出現(xiàn)，可以滿足多個(gè)運(yùn)行單位，而多個(gè)進(jìn)程并行開銷過大。

　　因此在80年代，出現(xiàn)了能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位——線程（Threads）。

適用范圍

　　1.服務(wù)器中的文件管理或通信控制

　　線程

　　線程

　　2.前后臺(tái)處理

　　3.異步處理

特點(diǎn)

　　線程的使用

　　線程的使用

　　在多線程OS中，通常是在一個(gè)進(jìn)程中包括多個(gè)線程，每個(gè)線程都是作為利用CPU的基本單位，是花費(fèi)最小開銷的實(shí)體。線程具有以下屬性。

　　1）輕型實(shí)體

　　線程中的實(shí)體基本上不擁有系統(tǒng)資源，只是有一點(diǎn)必不可少的、能保證獨(dú)立運(yùn)行的資源。

　　線程的實(shí)體包括程序、數(shù)據(jù)和TCB。線程是動(dòng)態(tài)概念，它的動(dòng)態(tài)特性由線程控制塊TCB（Thread Control Block）描述。TCB包括以下信息：

　?。?）線程狀態(tài)。

　　（2）當(dāng)線程不運(yùn)行時(shí)，被保存的現(xiàn)場資源。

　?。?）一組執(zhí)行堆棧。

　?。?）存放每個(gè)線程的局部變量主存區(qū)。

　?。?）訪問同一個(gè)進(jìn)程中的主存和其它資源。

　　用于指示被執(zhí)行指令序列的程序計(jì)數(shù)器、保留局部變量、少數(shù)狀態(tài)參數(shù)和返回地址等的一組寄存器和堆棧。

　　2）獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位。

　　在多線程OS中，線程是能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，因而也是獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位。由于線程很“輕”，故線程的切換非常迅速且開銷小（在同一進(jìn)程中的）。

　　3）可并發(fā)執(zhí)行。

　　在一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程之間，可以并發(fā)執(zhí)行，甚至允許在一個(gè)進(jìn)程中所有線程都能并發(fā)執(zhí)行；同樣，不同進(jìn)程中的線程也能并發(fā)執(zhí)行，充分利用和發(fā)揮了處理機(jī)與外圍設(shè)備并行工作的能力。

　　4）共享進(jìn)程資源。

　　在同一進(jìn)程中的各個(gè)線程，都可以共享該進(jìn)程所擁有的資源，這首先表現(xiàn)在：所有線程都具有相同的地址空間（進(jìn)程的地址空間），這意味著，線程可以訪問該地址空間的每一個(gè)虛地址；此外，還可以訪問進(jìn)程所擁有的已打開文件、定時(shí)器、信號(hào)量機(jī)構(gòu)等。由于同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的線程共享內(nèi)存和文件，所以線程之間互相通信不必調(diào)用內(nèi)核。

與進(jìn)程比較

　　進(jìn)程是資源分配的基本單位。所有與該進(jìn)程有關(guān)的資源，都被記錄在進(jìn)程控制塊PCB中。以表示該進(jìn)程擁有這些資源或正在使用它們。

　　另外，進(jìn)程也是搶占處理機(jī)的調(diào)度單位，它擁有一個(gè)完整的虛擬地址空間。當(dāng)進(jìn)程發(fā)生調(diào)度時(shí)，不同的進(jìn)程擁有不同的虛擬地址空間，而同一進(jìn)程內(nèi)的不同線程共享同一地址空間。

　　與進(jìn)程相對應(yīng)，線程與資源分配無關(guān)，它屬于某一個(gè)進(jìn)程，并與進(jìn)程內(nèi)的其他線程一起共享進(jìn)程的資源。

　　線程只由相關(guān)堆棧（系統(tǒng)?；蛴脩魲＃┘拇嫫骱途€程控制表TCB組成。寄存器可被用來存儲(chǔ)線程內(nèi)的局部變量，但不能存儲(chǔ)其他線程的相關(guān)變量。

　　通常在一個(gè)進(jìn)程中可以包含若干個(gè)線程，它們可以利用進(jìn)程所擁有的資源。在引入線程的操作系統(tǒng)中，通常都是把進(jìn)程作為分配資源的基本單位，而把線程作為獨(dú)立運(yùn)行和獨(dú)立調(diào)度的基本單位。由于線程比進(jìn)程更小，基本上不擁有系統(tǒng)資源，故對它的調(diào)度所付出的開銷就會(huì)小得多，能更高效的提高系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)程序間并發(fā)執(zhí)行的程度，從而顯著提高系統(tǒng)資源的利用率和吞吐量。因而近年來推出的通用操作系統(tǒng)都引入了線程，以便進(jìn)一步提高系統(tǒng)的并發(fā)性，并把它視為現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。

　　線程與進(jìn)程的區(qū)別可以歸納為以下4點(diǎn)：

　　1）地址空間和其它資源（如打開文件）：進(jìn)程間相互獨(dú)立，同一進(jìn)程的各線程間共享。某進(jìn)程內(nèi)的線程在其它進(jìn)程不可見。

　　2）通信：進(jìn)程間通信IPC，線程間可以直接讀寫進(jìn)程數(shù)據(jù)段（如全局變量）來進(jìn)行通信——需要進(jìn)程同步和互斥手段的輔助，以保證數(shù)據(jù)的一致性。

　　3）調(diào)度和切換：線程上下文切換比進(jìn)程上下文切換要快得多。

　　4）在多線程OS中，進(jìn)程不是一個(gè)可執(zhí)行的實(shí)體。

線程的同步

　　線程的同步是Java多線程編程的難點(diǎn)，往往開發(fā)者搞不清楚什么是競爭資源、什么時(shí)候需要考慮同步，怎么同步等等問題，當(dāng)然，這些問題沒有很明確的答案，但有些原則問題需要考慮，是否有競爭資源被同時(shí)改動(dòng)的問題？對于同步，在具體的Java代碼中需要完成以下兩個(gè)操作：把競爭訪問的資源標(biāo)識(shí)為private；同步哪些修改變量的代碼，使用synchronized關(guān)鍵字同步方法或代碼。當(dāng)然這不是唯一控制并發(fā)安全的途徑。synchronized關(guān)鍵字使用說明synchronized只能標(biāo)記非抽象的方法，不能標(biāo)識(shí)成員變量。為了演示同步方法的使用，構(gòu)建了一個(gè)信用卡賬戶，起初信用額為100w，然后模擬透支、存款等多個(gè)操作。顯然銀行賬戶User對象是個(gè)競爭資源，而多個(gè)并發(fā)操作的是賬戶方法oper(int x），當(dāng)然應(yīng)該在此方法上加上同步，并將賬戶的余額設(shè)為私有變量，禁止直接訪問。

　　工作原理

　　線程是進(jìn)程中的實(shí)體，一個(gè)進(jìn)程可以擁有多個(gè)線程，一個(gè)線程必須有一個(gè)父進(jìn)程。線程不擁有系統(tǒng)資源，只有運(yùn)行必須的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；它與父進(jìn)程的其它線程共享該進(jìn)程所擁有的全部資源。線程可以創(chuàng)建和撤消線程，從而實(shí)現(xiàn)程序的并發(fā)執(zhí)行。一般，線程具有就緒、阻塞和運(yùn)行三種基本狀態(tài)。

　　在多中央處理器的系統(tǒng)里，不同線程可以同時(shí)在不同的中央處理器上運(yùn)行，甚至當(dāng)它們屬于同一個(gè)進(jìn)程時(shí)也是如此。大多數(shù)支持多處理器的操作系統(tǒng)都提供編程接口來讓進(jìn)程可以控制自己的線程與各處理器之間的關(guān)聯(lián)度（affinity）。

　　有時(shí)候，線程也稱作輕量級進(jìn)程。就象進(jìn)程一樣，線程在程序中是獨(dú)立的、并發(fā)的執(zhí)行路徑，每個(gè)線程有它自己的堆棧、自己的程序計(jì)數(shù)器和自己的局部變量。但是，與分隔的進(jìn)程相比，進(jìn)程中的線程之間的隔離程度要小。它們共享內(nèi)存、文件句柄和其它每個(gè)進(jìn)程應(yīng)有的狀態(tài)。

　　進(jìn)程可以支持多個(gè)線程，它們看似同時(shí)執(zhí)行，但互相之間并不同步。一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程共享相同的內(nèi)存地址空間，這就意味著它們可以訪問相同的變量和對象，而且它們從同一堆中分配對象。盡管這讓線程之間共享信息變得更容易，但您必須小心，確保它們不會(huì)妨礙同一進(jìn)程里的其它線程。

　　Java 線程工具和 API看似簡單。但是，編寫有效使用線程的復(fù)雜程序并不十分容易。因?yàn)橛卸鄠€(gè)線程共存在相同的內(nèi)存空間中并共享相同的變量，所以您必須小心，確保您的線程不會(huì)互相干擾。

　　線程屬性

　　為了正確有效地使用線程，必須理解線程的各個(gè)方面并了解Java 實(shí)時(shí)系統(tǒng)。必須知道如何提供線程體、線程的生命周期、實(shí)時(shí)系統(tǒng)如 何調(diào)度線程、線程組、什么是幽靈線程（Demo nThread）。

　　線程體

　　所有的操作都發(fā)生在線程體中，在Java中線程體是從Thread類繼承的run（）方法，或?qū)崿F(xiàn)Runnable接口的類中的run（）方法。當(dāng)線程產(chǎn)生并初始化后，實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)用它的run（）方法。run（）方法內(nèi)的代碼實(shí)現(xiàn)所產(chǎn)生線程的行為，它是線程的主要部分。

　　線程狀態(tài)

　　線程的狀態(tài)

　　線程的狀態(tài)

　　附圖表示了線程在它的生命周期內(nèi)的任何時(shí)刻所能處的狀態(tài)以及引起狀態(tài)改變的方法。這圖并不是完整的有限狀態(tài)圖，但基本概括了線程中比較感興趣和普遍的方面。以下討論有關(guān)線程生命周期以此為據(jù)。

　　●新線程態(tài)（New Thread)

　　產(chǎn)生一個(gè)Thread對象就生成一個(gè)新線程。當(dāng)線程處于"新線程"狀態(tài)時(shí)，僅僅是一個(gè)空線程對象，它還沒有分配到系統(tǒng)資源。因此只能啟動(dòng)或終止它。任何其他操作都會(huì)引發(fā)異常。例如，一個(gè)線程調(diào)用了new方法之后，并在調(diào)用start方法之前的處于新線程狀態(tài)，可以調(diào)用start和stop方法。

　　●可運(yùn)行態(tài)（Runnable)

　　start（）方法產(chǎn)生運(yùn)行線程所必須的資源，調(diào)度線程執(zhí)行，并且調(diào)用線程的run（）方法。在這時(shí)

　　線程的生命狀態(tài)與周期

　　線程的生命狀態(tài)與周期

　　線程處于可運(yùn)行態(tài)。該狀態(tài)不稱為運(yùn)行態(tài)是因?yàn)檫@時(shí)的線程并不總是一直占用處理機(jī)。特別是對于只有一個(gè)處理機(jī)的PC而言，任何時(shí)刻只能有一個(gè)處于可運(yùn)行態(tài)的線程占用處理 機(jī)。Java通過調(diào)度來實(shí)現(xiàn)多線程對處理機(jī)的共享。注意，如果線程處于Runnable狀態(tài)，它也有可能不在運(yùn)行，這是因?yàn)檫€有優(yōu)先級和調(diào)度問題。

　　●阻塞/非運(yùn)行態(tài)（Not Runnable)

　　當(dāng)以下事件發(fā)生時(shí)，線程進(jìn)入非運(yùn)行態(tài)。

　　①suspend()方法被調(diào)用；

　　②sleep()方法被調(diào)用；

　?、劬€程使用wait()來等待條件變量；

　?、芫€程處于I/O請求的等待。

　　●死亡態(tài)（Dead)

　　當(dāng)run（）方法返回，或別的線程調(diào)用stop（）方法，線程進(jìn)入死亡態(tài)。通常Applet使用它的stop（）方法來終止它產(chǎn)生的所有線程。

　　線程的本操作：

　　派生：線程在進(jìn)程內(nèi)派生出來，它即可由進(jìn)程派生，也可由線程派生。

　　阻塞（Block）：如果一個(gè)線程在執(zhí)行過程中需要等待某個(gè)事件發(fā)生，則被阻塞。

　　激活（unblock）：如果阻塞線程的事件發(fā)生，則該線程被激活并進(jìn)入就緒隊(duì)列。

　　調(diào)度（schedule）：選擇一個(gè)就緒線程進(jìn)入執(zhí)行狀態(tài)。

　　結(jié)束（Finish）：如果一個(gè)線程執(zhí)行結(jié)束，它的寄存器上下文以及堆棧內(nèi)容等將被釋放。

　　圖2 線程的狀態(tài)與操作

　　線程的另一個(gè)執(zhí)行特性是同步。線程中所使用的同步控制機(jī)制與進(jìn)程中所使用的同步控制機(jī)制相同。

　　線程優(yōu)先級

　　雖然我們說線程是并發(fā)運(yùn)行的。然而事實(shí)常常并非如此。正如前面談到的，當(dāng)系統(tǒng)中只有一個(gè)CPU時(shí)，以某種順序在單CPU情況下執(zhí)行多線程被稱為調(diào)度（scheduling）。Java采用的是一種簡單、固定的調(diào)度法，即固定優(yōu)先級調(diào)度。這種算法是根據(jù)處于可運(yùn)行態(tài)線程的相對優(yōu)先級來實(shí)行調(diào)度。當(dāng)線程產(chǎn)生時(shí)，它繼承原線程的優(yōu)先級。在需要時(shí)可對優(yōu)先級進(jìn)行修改。在任何時(shí)刻，如果有多條線程等待運(yùn)行，系統(tǒng)選擇優(yōu)先級最高的可運(yùn)行線程運(yùn)行。只有當(dāng)它停止、自動(dòng)放棄、或由于某種原因成為非運(yùn)行態(tài)低優(yōu)先級的線程才能運(yùn)行。如果兩個(gè)線程具有相同的優(yōu)先級，它們將被交替地運(yùn)行?！ava實(shí)時(shí)系統(tǒng)的線程調(diào)度算法還是強(qiáng)制性的，在任何時(shí)刻，如果一個(gè)比其他線程優(yōu)先級都高的線程的狀態(tài)變?yōu)榭蛇\(yùn)行態(tài)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)將選擇該線程來運(yùn)行。一個(gè)應(yīng)用程序可以通過使用線程中的方法setPriority(int），來設(shè)置線程的優(yōu)先級大小。

　　有線程進(jìn)入了就緒狀態(tài)，需要有線程調(diào)度程序來決定何時(shí)執(zhí)行，根據(jù)優(yōu)先級來調(diào)度。