JAVA线程及简单同步实现的原理解析

线程

一、内容简介：

　　本文主要讲述计算机中有关线程的相关内容，以及JAVA中关于线程的基础知识点，为以后的深入学习做铺垫。如果你已经是高手了，那么这篇文章并不适合你。

二、随笔正文：

1、计算机系统组成

　　计算机系统由计算机硬件系统和软件系统组成。我们今天要说的线程和硬件系统中的cpu中央处理器，及软件系统中的操作系统，进程等有比较紧密的联系。操作系统是软件中比较特殊的存在，与硬件系统直接交互，其他程序（软件）运行在操作系统之上。

2、cpu简单说明

　　硬件系统中特别重要的一项就是处理器CPU，与我们所说的线程有非常紧密的联系。cpu中有几项参数，以及如何查看该信息，在下文逐一说明：

块数：民用pc机，基本都是一块物理cpu，每块主板上只能装一块cpu。

核心数：也就是单块物理cpu是由几组处理芯片组，组成的。4核心 8核心等。

线程数：老款cpu都是单线程的，及一组芯片组只能运行一个线程。现款因特尔cpu大多支持超线程技术可支持多个逻辑线程。但是需要操作系统及相关编程语言的支持，JAVA相较C++在多线程方面能表现的更出色。

主频：单位GHZ（hz赫兹 每秒的周期性变动重复次数）在计算机中即高低电平变化一次，可以产生两个不同的电信号0、1。以我的CPU I5-4200M 2.5GHZ 举例，及cpu可以每秒完成25亿次震荡！ 也就是说主频越高理论上计算能力越强，处理计算机指令越快。但是并不代表计算机整体运算速度约高，这点通常满足水桶效应，而cpu一直稳居长板地位。

缓存：cpu内置缓存，很小通常为几Mb至十几Mb，和cpu交互更频繁，速度也远高于普通运行内存，提高cpu处理能力的有效手段。

查看cpu参数指令：

:1进入windows管理工具
wmic
:2获取cpu数量及名称
cpu get name 
:3cpu核心数量
cpu get numberOfCores
:4获取逻辑线程数量
cpu get numberOfLogicalProcessors

3、关系梳理

　　操作系统，程序，进程，线程之间的关系梳理、

　　程序：是计算机上的静态代码，指令文件集合，是静态的存在。比如：QQ，LOL等

　　进程：程序的执行实体（过程），持有及分配资源的主体。chrome.ext,QQ.exe等执行进程。

　　线程：是进程中的劳动力，由进程创建，完成指定任务后结束。

　　关系：

　　　　操作系统 1 ——> n 程序 1 ——> n 进程 1 ——> n 线程

　　　　 平台　　　　　　　集合 　　　　资源 　　　　干活的

　　普通进程创建线程去完成指定的计算机指令，这个时候需要调用系统资源如cpu进行运算，但是用户线程并不能直接驱动硬件，而是通过操作系统去统一分配、控制硬件的使用。

4、进程、线程基本状态

　　五个基本状态，创建和终止不说了。计算机中的线程创建之后会进入就绪状态，当cpu为此线程分配时间片时，线程由就绪转为执行状态，开始干活，当时间片结束时回到就绪状态等待下次获取时间片，循环直到任务完成，当任务完成时，线程终止（死亡）。若在执行过程中遇到耗时操作比如IO或者JAVA中的线程休眠等，会进入阻塞状态，阻塞结束会进入就绪状态继续排队等待被分配时间片。

5、JAVA中的线程

　　java中提供了两种方式去创建线程，继承类和实现接口。由于java中单继承机制的限制，大多数情况下使用实现Runnable接口的形式创建线程。

1 、继承Thread类

public class MyThread extends Thread {
    
    //创建类继承Thread，重写run方法
    public void run(){
        //调用线程start方法，该线程进入就绪状态，等待被分配时间片执行run方法中的代码
    }
    public static void main(String [] args){
        //创建线程对象即可
        MyThread mt = new MyThread();
        //启动线程
        mt.start();
    }
}

2、实现Runnable接口

public class MyRunnable implements Runnable {
    
    //实现Runnable接口，重写run方法
    public void run(){
        //调用线程start方法，该线程进入就绪状态，等待被分配时间片执行run方法中的代码
    }
    public static void main(String [] args){
        //创建实现Runnable接口的对象,创建线程对象
        MyRunnable mr = new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(mr);
        //启动线程
        mt.start();
         /* Thread的构造本质调用的init()
            private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize,AccessControlContext acc) {
                //stackSize及acc先不涉及，g为线程组，target为实现Runnable的类，name为线程名
            }
        */
    }
}

3、线程的常用方法

start()
//启动线程，调用run方法
sleep()
//线程休眠，进入阻塞状态，让出时间片，但不会让出锁
Thread.currentThread()
//获取当前执行线程
wait/notify()
//仅能存在synchronized代码块中，wait线程休息，让出时间片，进入等待状态,notify()唤醒该线程；该方法存在重载
join()
//等待此线程执行完毕
setDaemon()
//设置守护线程，守护线程是服务线程，当用户线程结束，守护线程自动结束
yield()
//主动让出时间片给其他线程
interrupt()
//中断线程，不推荐
get/setId()
//设置获取线程id
get/setName()
//设置获取线程名 
get/setPriority()
//设置获取线程优先级，理论上优先级越高，获取时间片的概率越大，默认是5最高10最小1

4、JAVA中的线程状态图

 

5、线程练习

简单模拟多线程购票业务

public class Tickets implements Runnable {
    private int ticketsCount = 100;
    @Override
    public void run() {
        boolean b = true;
        while (b) {
            b = sellTickets();
        }
    }
    //售票
    private boolean sellTickets() {
        if (ticketsCount > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出第 [" + (ticketsCount--) + "] 张票");
            return true;
        } else {    
            System.out.println("已售罄！");
            return false;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
    
        //创建一个票务系统，共计100张票
        Tickets tickets = new Tickets();
        //创建多线程，模拟售票窗口
        Thread thread1 = new Thread(tickets, "1号售票窗口");
        Thread thread2 = new Thread(tickets, "2号售票窗口");
        Thread thread3 = new Thread(tickets, "3号售票窗口");
        Thread thread4 = new Thread(tickets, "4号售票窗口");
        Thread thread5 = new Thread(tickets, "5号售票窗口");
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread4.start();
        thread5.start();
    }
}

　　在不做任何控制的情况下，出错的几率很小，我反复测试几次，结果基本都正确！分析原因：业务本身相对简单，没有耗时操作，每个时间片基本能保证线程将本次任务执行完毕！也就是将票数减一并打印内容。

　　为了模拟在售票前双方的问询阶段及付款阶段的等待，在售票前(后)加入Thread.sleep(ms) 模拟耗时操作。

private boolean sellTickets() {
        try {
            // 随机休息1~10毫秒，线程进入Timed_Waiting状态让出时间片给其他的线程
            Thread.currentThread().sleep((long) (Math.random() * 10));
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }   
        if (ticketsCount > 0) {     
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出第 [" + (ticketsCount--) + "] 张票"); 
            return true;
        } else {
            System.out.println("已售罄！");
            return false;
        }
    }

　　改动后系统出现bug同一张票被售出了多次，并且可能将票卖出负数。究其原因：线程之间的数据争用问题，我们将引入JAVA内存模型进行分析(图片来自网络侵删)

　　首先我们需要知道几个概念，如下：

　　共享变量：主内存中存在被多个线程同时用到的变量，在多个线程中存在相应副本变量。

　　可见性：线程对共享变量的值进行修改，能否被其他线程可见。

　　变量访问规则：　　    1、线程对共享变量的操作只能在自己工作内存中的副本。

　　　　　　　　　　　　2、工作内存中的变量变化需要通过主内存传递。

6、实现同步

　　实现同步即实现共享变量可见性，工作内存1 ——> 主内存 ——>工作内存2，在数据传递的两个环节中出现问题都会对同步造成影响，从而影响执行结果。

　　synchronized实现同步

　　synchronized 可以实现指令的原子性，及共享变量的可见性。

　　原子性：synchronize修饰的方法或者代码块会获取互斥锁，保证同一时间只能有一个对象访问该方法或代码块，将其作为一个整体，保证了原子性。

​ 　　可见性：加锁后，先清空工作内存，同步主内存中的共享变量。解锁前，先将工作内存中的变量同步到主内存，再释放锁。

　　所以结合上述例子，为sellTickets()方法加锁即可实现同步；或者对核心代码片段加锁；

private synchronized boolean sellTickets() {  //…  省略中间代码  
}
　　//或者如下实现
　　
  synchronized(this){
       //this指的是调用sellTickets()的对象
  }

7、volatile关键字

　　共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

　　原理：被volatile修饰的变量所生成汇编代码时有lock前缀，生成"内存屏障"。

　　　　1）保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即工作内存中的变量值在修改后会被立即同步到主内存中；

　　　　2）并且使其他线程中的缓存无效，这样当其他线程在访问共享变量时就必须取主内存中获取；

　　　　3）禁止进行指令重排序；

　　综上所述，volatile可以保证可见性，但不能保证原子性；

　　举例分析：

volatile int number = 0 ;
number ++ ；
/*
    操作可以解析成三步:  1.获取number中的值 
                      2.计算加1操作 
                      3.number = 0 + 1； 
    在一个时间片中，虽然volatile修饰的number一定会被立即同步到主内存中，但不能保证完整执行这三步，所以不能保证++操作的原子性 。
*/

三、总结说明：

　　首先感谢各位能看到最后，对本文内容如果存在疑问，欢迎留言交流，若存在错误，也还望斧正！我将不定期对文章进行修改和调整，如发现错误一定及时改正以免误人子弟！