【Java】【并发编程】入门知识

一、基本简介

什么是并发

在Java中并发就是指多线程的进程环境，进程是系统进行资源分配和调度的独立单位，每一个进程都有它的内存空间和系统资源，在同一个进程内执行的多个任务就可以看作是多个进程，线程存在于进程内，进程负责分配调度线程，线程负责执行程序，多个线程就执行多个程序。

实际上，Java程序天生就是一个多线程程序，包含了：

分发处理发送给JVM信号的线程

调用对象的finalize清除方法的线程

清除相互引用reference的线程

main线程，也就是用户程序的入口，main线程里面还可以拥有很多的子线程

为什么需要多线程

如果没有多线程，若为了使程序并发执行，那么系统需要花费大量的时间在：创建进程-->撤销进程-->进程上下文切换调度,在这一过程中，需要的空间开销也非常大，执行效率也非常低（如下图）；若在一个进程中执行多个线程，则上面的空间开销和时间花费将会大大较少，何乐而不为呢，多线程提高了系统的执行效率，充分利用多核CPU的计算能力，提高应用性能。

二、并发编程带来的问题

频繁的上下文切换问题

正如上图中的时间片，时间片使CPU分配给各个线程的时间，因为时间非常短，所以CPU需要不断切换线程，让我们觉得多个线程是同时执行的，时间片一般是十几毫秒；每次切换都需要保存当前线程的状态，以便进行恢复先前的状态。这个切换是非常耗性能的，过于频繁就无法发挥出多线程编程的优势了。那么该怎么解决这频繁的上下文切换的问题的，目前有大概几种解决方法，后面会详细讨论：

采用无锁并发编程：JDK8以前的concurrentHashMap采用的锁分段思想，不同线程处理不同段的数据，这样在多线程环境下可以减少上下文的切换时间。

采用CAS算法：JDK8以后的concurrentHashMap采用的是无锁CAS算法；利用Atomic和乐观锁，可以减少一部分不必要的锁竞争带来的上下文切换。

尽量减少线程的使用：避免创建不需要的线程，比如任务少，但是创建了很多的线程，这样会造成大量的线程都处于等待状态。

采用协程：在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务间的切换。

因此，并发累加未必会比串行累加的速度快，这上下文切换的问题在实际中是需要解决的。

线程安全问题（主要问题，也是我们程序开发关心的问题）

对线程编程中最难控制的就是临界区（共享内存的地方）的线程安全问题，稍微不注意就会出现死锁的情况，一旦产生死锁就会造成系统功能不可用。那么怎么解决这种问题呢，解决方法如下：

避免一个线程同时获取多个锁

避免一个线程在锁内部占用多个资源，尽量保证一个锁只占用一个资源

尝试使用定时锁，如使用lock.tryLock(timeOut),当超时等待时当前线程也不会阻塞

对于数据库锁，加锁和解锁必须在同一个数据库连接里（同一个事务），否则会出现解锁失败的情况

后面还有JMM内存模型在原子性、有序性和可见性带来的问题，比如数据脏读，内存泄漏等等问题，这是又该如何保证线程安全呢，这一方面是非常重要的，后面会详细讨论。

三、并发编程的相关概念

同步和异步

同步和异步通常用来形容方法的一次调用。

同步方法从被调用开始，调用者就必须等待被调用的方法结束后，调用者后面的代码才能继续执行。

异步方法指的是，调用者不管被调用方法是否完成，都会继续执行后面的代码，当被调用的方法完成后会通知调用者。

并发和并行

并发是指多个任务线程交替进行。

并行是指真正意义上的“同时进行”。

实际上，如果系统只有一个CPU，而使用多线程时，那么真实环境下时不能并行执行的，只能通过切换时间片的方式交替进行，完成并发执行任务，真正的并行只能出现在拥有多个CPU系统中。

阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞通常用来形容多线程间的相互影响。

阻塞是指如果一个线程占用了临界区的资源，那么其他线程需要这个资源的话就必须等待资源的释放，就会导致等待的线程挂起，这种情况就叫做阻塞。

非阻塞刚好跟阻塞相反，它强调的是没有一个线程可以阻塞其他线程，所有的线程都会尝试的向前运行。

临界区

临界区用来表示一种公共资源会共享数据，可以被多个线程使用，出于线程安全问题，如果一个线程占用了临界区的资源，那么其他线程就必须等待，知道临界区的资源被释放。

守护线程

守护线程是一种特殊的线程，是系统的服务线程，是专门为其他线程服务的，像垃圾回收线程就是守护线程，与之对应的是用户线程，用户线程作为系统的工作线程，守护线程的服务对象就是用户线程，当全部的用户线程执行任务完成之后，这个系统就没有什么需要服务的了，那么守护线程就没有对象需要守护了，那么守护线程就会结束，也就是说当一个java程序只有守护线程的时候，虚拟机就会退出了。

四、Java中的线程Thread类

参考看一下Thread类的源码注释，了解Java中的线程：

/**

1.一个Thread类对象代表程序中的一个线程，jvm是允许多线程的

* A thread is a thread of execution in a program. The Java

* Virtual Machine allows an application to have multiple threads of

* execution running concurrently.

*

2.每一个线程都有优先级，具有高优先级的线程优先于底优先级的线程执行，每一个线程都可以设置成一个守护线程，创建线程的时候，通过线程设置setDaemon(true)就可以设置该线程为守护线程，设置守护线程需要先于start()方法

* Every thread has a priority. Threads with higher priority are

* executed in preference to threads with lower priority. Each thread

* may or may not also be marked as a daemon. When code running in

* some thread creates a new Thread object, the new

* thread has its priority initially set equal to the priority of the

* creating thread, and is a daemon thread if and only if the

* creating thread is a daemon.

*

2.只有当一个Java程序只存在守护线程的时候，虚拟机就会退出，让虚拟机不继续执行线程的方法有：

2.1调用system.exit方法.

2.2所有非守护线程都处于死亡状态（只有守护线程）或线程运行抛出了异常

注意：在线程启动前可以将该线程设置为守护线程，方法是setDaemon(boolean on)

使用守护线程最好不要在方法中使用共享资源，因为守护线程随时都可能挂掉

在守护线程中产生的线程也是守护线程

* When a Java Virtual Machine starts up, there is usually a single

* non-daemon thread (which typically calls the method named

* main of some designated class). The Java Virtual

* Machine continues to execute threads until either of the following

* occurs:

*

*

• The exit method of class Runtime has been

  *     called and the security manager has permitted the exit operation

  *     to take place.

  *

• All threads that are not daemon threads have died, either by

  *     returning from the call to the run method or by

  *     throwing an exception that propagates beyond the run

  *     method.

  *

*

3.创建线程的方式有两种（重写Runnable接口的run()方法）：

3.1创建子类并继承Thread 类，同时重写run()方法（因为Thread类实现了Runnable接口）

3.2创建子类并实现Runnable接口，同时重写run()方法

下面有例子：

* There are two ways to create a new thread of execution. One is to

* declare a class to be a subclass of Thread. This

* subclass should override the run method of class

* Thread. An instance of the subclass can then be

* allocated and started. For example, a thread that computes primes

* larger than a stated value could be written as follows:

*

*     class PrimeThread extends Thread {
*         long minPrime;
*         PrimeThread(long minPrime) {
*             this.minPrime = minPrime;
*         }
*
*         public void run() {
*             // compute primes larger than minPrime
*              . . .
*         }
*     }
* 

*

* The following code would then create a thread and start it running:

*

*     PrimeThread p = new PrimeThread(143);
*     p.start();
* 

*

* The other way to create a thread is to declare a class that

* implements the Runnable interface. That class then

* implements the run method. An instance of the class can

* then be allocated, passed as an argument when creating

* Thread, and started. The same example in this other

* style looks like the following:

*

*     class PrimeRun implements Runnable {
*         long minPrime;
*         PrimeRun(long minPrime) {
*             this.minPrime = minPrime;
*         }
*
*         public void run() {
*             // compute primes larger than minPrime
*              . . .
*         }
*     }
* 

*

* The following code would then create a thread and start it running:

*

*     PrimeRun p = new PrimeRun(143);
*     new Thread(p).start();
* 

*

4.每个线程都有一个名称，如果没有会在创建的时候自动生成一个，除非指定为null。

* Every thread has a name for identification purposes. More than

* one thread may have the same name. If a name is not specified when

* a thread is created, a new name is generated for it.

*

* Unless otherwise noted, passing a {@code null} argument to a constructor

* or method in this class will cause a {@link NullPointerException} to be

* thrown.

*/

五、总结

我们需要了解并发，为什么需要并发，还必须知道并发的优缺点，同时清楚使用并发编程之后所带来的问题：频繁上下文切换问题和线程安全问题等等，后面在并发编程的时候就朝着这些问题去编程，尝试解决这些问题，让并发编程发挥出真正的作用。

理解Java并发的关键点在于理解它的两大核心（JMM内存模型【工作内存和主内存】和happes-before规则【八大规则】）以及三大特性：原子性、可见性、有序性

Java 任务调度

版权声明：本文内容由网络用户投稿，版权归原作者所有，本站不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。如果您发现本站中有涉嫌抄袭或描述失实的内容，请联系我们jiasou666@gmail.com 处理，核实后本网站将在24小时内删除侵权内容。