Java中线程介绍

• 程序由指令和数据组成，但是指令运行，数据读写，必须将指令加载到 CPU，将数据加载到内存中。磁盘、网络等设备也需要在指令操作过程中使用。该过程用于加载指令、管理内存、管理内存 IO 的 。
• 当一个程序从磁盘加载程序的代码到内存运行时，就开始了一个过程。
• 这个过程可以看作是程序的一个例子。大多数程序可以同时运行多个例子过程（如记事本、绘图、浏览器等） 等等)，有些程序只是

一个例子过程可以启动(如网易云音乐，360 安全卫士等。).

• 操作系统以流程为单位，分配系统资源(CPU时间片、内存等资源)，流程是资源分配的最小单位。

• 在这个过程中，线程是一个实体，一个过程可以有多个线程，一个线程必须有一个父进程。
• 线程是指令流，指令流中的指令按一定顺序交给 CPU 执行 。
• 线程有时被称为轻量级过程(Lightweight Process，LWP），是实施操作系统调度(CPU调度)的最小单位。

• 过程基本上是独立的，线程存在于过程中，是过程的子集
• 该过程拥有共享的内存空间等内部线程共享资源
• 通信在过程中比较复杂
  • 同一台计算机的过程通信称为 IPC（Inter-process communication）
  • 不同计算机之间的过程通信需要通过网络遵守共同协议，如 HTTP
• 由于共享过程中的内存，例如，线程通信相对简单；多个线程可以访问相同的共享变量
• 线程较轻，线程上下文切换成本一般低于过程上下文切换

1. 管道（pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于父子之间有亲缘关系的通信。除了管道的功能外，著名的管道还允许无亲缘关系的通信。
2. 信号（signal）：信号是软件层面中断机制的模拟，是一种复杂的通信方式，用于通知过程中发生的事件。可以说，一个过程收到的信号与处理器收到的中断请求是一致的。
3. 消息队列（message queue）：消息队列（MQ）克服了上述两种通信方式中信号量有限的缺点，可以按照一定的规则将新信息添加到信息队列中，并可以从信息队列中读取信息。
4. 共享内存（shared memory）：可以说，这是进程间最有用的通信方式。它允许多个过程访问相同的内存空间，不同的过程可以及时看到共享内存中的数据更新。这种方法需要依赖于一些同步操作，如相互排斥锁和信号量。
5. 信号量（semaphore）：它主要作为同步和相同过程的不同线程之间的相互排斥手段。
6. 套接字（socket）：进程间通信机制更为普遍，可用于网络中不同机器之间的进程间通信，应用广泛。

线程同步

它是指线程之间的限制关系。一个线程的执行取决于另一个线程的信息。当你没有得到另一个线程的信息时，你应该等待，直到信息到达时才被唤醒。（例如，阻塞队列。当队列为空时，等待add信号，否则take将被阻塞）

线程互斥

它是指在单个线程访问中共享的过程系统资源的排他性。当一个共享资源必须使用多个线程时，最多只允许一个线程在任何时候使用，其他使用该资源的线程必须等待，直到占用资源的人释放该资源。线程相互排斥可视为一种特殊的线程同步。

线程同步互斥的控制方法

• 临界区(相互排斥):通过串行访问公共资源或多线程代码，速度快，适合控制数据访问。(一段时间内只允许一个线程访问的资源称为临界资源)。
• 相互排斥(相互排斥):为协调共享资源的单独访问而设计的。
• 信号量(互斥):设计是为了控制有限数量的用户资源。
• 事件(同步):通知线程中发生了一些事件，从而开始后续任务。

是指CPU从一个过程或线程切换到另一个过程或线程。

寄存器是CPU内部快速内存的一小部分（与CPU外部慢RAM主内存相比）。它通过快速访问常用值来加速计算机程序的执行。

程序计数器是一种特殊的寄存器，指示CPU在其指令序列中的位置，并保存正在执行的指令地址或下一个指令地址

CPU上的过程(包括线程)可以更详细地描述为内核(即操作系统的核心)执行以下活动:

1. 暂停一个过程的处理，并将CPU状态(即上下文)存储在内存中的某个地方
2. 从内存中获取下一个过程的上下文(主内存加载到工作内存，间接可见性)，并在CPU的寄存器中恢复
3. 返回到程序计数器指示的位置(即返回到中断过程的代码行)以恢复过程。

上下文切换只能发生在核心模式下。核心模式是CPU的特权模式，只有核心运行才有权访问所有内存位置和其他系统资源。其他程序（包括应用程序）最初在用户模式下运行，但它们可以通过系统调用部分核心代码。

KLT模型，ULT模型。

JVM使用的KLT模型，Java线程和OS线程保持1:1的映射关系(一个java线程对应一个操作系统的线程)，具体使用线程(创建、销毁、销毁)调度)由操作系统管理。

ULT模型:线程操作由自己控制，实现起来比较复杂。

在核心模式下，执行代码可以完全无限地访问底部硬件。它可以执行任何CPU指令和引用任何内存地址。核心模式通常保留操作系统的最低级别和最值得信赖的功能。核心模式下的崩溃是灾难性的；它们会使整个计算机瘫痪。

在用户模式下，执行代码不能直接访问硬件或引用内存。在用户模式下运行的代码必须委托给系统api访问硬件或内存。由于这种隔离提供的保护，用户模式下的崩溃总是可以恢复的。在您的计算机上运行的大部分代码将在用户模式下执行。

1. 系统调用。
2. 异常事件。当事先发生一些不可知的异常时，会切换到内核状态，以执行相关的异常事件。
3. 设备中断。在使用外围设备时，如果外围设备完成用户请求，将向CPU发送中断信号。此时，CPU将暂停执行下一个原始指令，并转移到处理中断事件。此时，如果它是在用户状态中，它自然会切换到核心状态

x86 CPU提供四个保护环（protection rings）:0、1、2.3.通常只使用0环(内核)和3环(用户)

Java线程状态：新建（new）、可执行(runnable)、执行(running)、阻塞(blocked)、结束（terminated）

1. 新建：指线程已创建，但不允许分配 CPU 执行。这种状态是编程语言独有的，但这里所谓的创建只是在编程语言层面，而在操作系统层面，线程尚未创建。例如：new Thread()
2. 就绪：指线程可以分配 CPU 执行。在这种状态下，已经成功地创建了真正的操作系统线程，因此可以分配 CPU 执行。例如：调用start方法，线程进入可执行状态，等待cpu时间片。
3. 执行:有空闲的 CPU 当操作系统将其分配到可操作状态的线程 CPU 线程状态转换为运行状态。线程获得cup时间片并开始执行。如果时间片丢失，则进入就绪状态.(例如:手动调用yield放弃cpu执行权)
4. 阻塞:执行中的线程，等待一些资源(锁，IO、或手动执行slep)【获取资源后，可进入就绪状态\执行态】
5. 结束:线程的最终状态。意味着线程的生命周期结束。(线程正常结束，异常结束(如中断)、手动调用stop、机器宕机（crash））

结束状态不能转换为任何状态，即线程结束后不能重新调整。（线程结束后，同一对象不能调用start方法）

NEW、RUNNABLE、WAITING、TIMED_WAITING、BLOCKED、TERMINATED

目的

追求最大限度地发挥硬件性能，提高软件速度。

原理

将当前任务挂在某一点，保存堆栈信息，执行另一个任务，然后恢复原堆栈信息并继续执行（整个过程不需要上下文切换）

Java原生不支持协程，需要在纯Java代码中使用协程，需要引入第三方包。例如:quasar

协程在线程上运行，当一个协程完成后，可以选择主动让出，让另一个协程在当前线程上运行。

协程并没有增加线程的数量，而是在线程的基础上分时重用多个协程，协程的切换在用户状态下完成，切换成本远低于线程从用户状态到核心状态的成本。

golang语言自然支持协程

Runnable、Thread、Callable是线程的实现

本质上，Java中只有一种方法可以实现线程 Thread()创建线程，调用Thread#start启动线程，最终调用Thread#run方法

线程调度是指系统将处理器使用权分配给线程的过程。有两种主要的调度方法：协同线程调度和抢占线程调度

Java线程是抢占式调度

若要控制线程执行优先级，可通过设置线程优先级来完成。

Java语言有10个级别的线程优先级（Thread.MIN__PRIORITYThread.MAX_PRIORITY），当两个线程同时处于ready状态时，系统越容易选择执行优先级越高的线程。但优先级不是很可靠，因为Java线程是通过映射到系统的原始线程来实现的，所以线程调度最终取决于操作系统。

协同线程调度

线程执行时间由线程本身控制，线程执行完自己的工作后，应主动通知系统切换到另一个线程。

优点：实现简单，切换操作对线程本身是可知的，没有线程同步问题。

缺点：线程执行时间无法控制。如果一个线程有问题，它可能会被阻塞（导致饥饿）。

抢占线程调度

执行时间由系统分配，线程切换不由线程本身决定(Java中，Thread.yield()可以放弃执行时间，但无法获得执行时间)。线程执行时间系统可控，整个过程不会被阻塞。