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线程、并发的基本概念详解

  什么是线程?   提到“线程”总免不了要和“进程”做比较,而我认为在Java并发编程中混淆的不是“线程”和“进程”的区别,而是“任务(Task)”。...

  什么是线程?

  提到“线程”总免不了要和“进程”做比较,而我认为在Java并发编程中混淆的不是“线程”和“进程”的区别,而是“任务(Task)”。进程是表示资源分配的基本单位。而线程则是进程中执行运算的最小单位,即执行处理机调度的基本单位。关于“线程”和“进程”的区别耳熟能详,说来说去就一句话:通常来讲一个程序有一个进程,而一个进程可以有多个线程。

  但是“任务”是很容易忽略的一个概念。我们在实际编码中通常会看到这么一个包叫做xxx.xxx.task,包下是XxxTask等等以Task后缀名结尾的类。而XxxTask类通常都是实现Runnable接口或者Thread类。严格来说,“任务”和并发编程没多大关系,就算是单线程结构化顺序编程中,我们也可以定义一个Task类,在类中执行我们想要完成的一系列操作。“任务”我认为是我们人为定义的一个概念,既抽象又具体,抽象在它指由软件完成的一个活动,它可以是一个线程,也可以是多个线程共同达到某一目的的操作,具体在于它是我们认为指定实实在在的操作,例如:定时获取天气任务(定时任务),下线任务……关键就在于不要认为一个任务对应的就是一个线程,也许它是多个线程,甚至在这个任务中是一个线程池,这个线程池处理这个我们定义的操作。

  我产生“线程”和“任务”的疑惑就是在《Thinking in Java》这本书的“并发”章节中它将线程直接定义为一个任务,在开篇标题就取名为“定义任务”,并且提到定义任务只需实现Runnable接口.而这个任务则是通过调用start来创建一改新的线程来执行.说来说去有点绕,其实也不必纠结于在书中时而提到线程,时而提到人任务.我认为就记住:任务是我们在编程时所赋这段代码的实际意义,而线程就关注它是否安全,是否需要安全,这就是后面要提到的线程安全问题.在像我一样产生疑惑时,不用在意它两者间的关系和提法。

  什么是并发?

  提到了并发,那又不得不和并行作比较。并发是指在一段时间内同时做多个事情,比如在1点-2点洗碗、洗衣服等。而并行是指在同一时刻做多个事情,比如1点我左手画圆右手画方。两个很重要的区别就是“一段时间”和“同一时刻”.在操作系统中就是:

  1) 并发就是在单核处理中同时处理多个任务。(这里的同时指的是逻辑上的同时)

  2) 并行就是在多核处理器中同时处理多个任务。(这里的同时指的就是物理上的同时)

  初学编程基本上都是单线程结构化编程,或者说是根本就接触不到线程这个概念,反正程序照着自己实现的逻辑,程序一步一步按照我们的逻辑去实现并且得到希望输出的结果。但随着编程能力的提高,以及应用场景的复杂多变,我们不得不要面临多线程并发编程。而初学多线程并发编程时,常常出现一些预料之外的结果,这就是涉及到“线程安全”问题。

  什么线程安全?

  这是在多线程并发编程中需要引起足够重视的问题,如果你的线程不足够“安全”,程序就可能出现难以预料,以及难以复现的结果。《Java并发编程实战》提到对线程安全不好做一个定义,我的简单理解就是:线程安全就是指程序按照你的代码逻辑执行,并始终输出预定的结果。书中的给的定义:当多个线程访问某个类时,这个类始终都能表现出正确的行为,那么就称这个类是线程安全的。具体有关线程安全的问题,例如原子性、可见性等等不在这里做详细阐述,适当的时候会进行详细介绍,简单说一点,想要这个线程安全,得在访问的时候给它上个锁,不让其他线程访问,当然这种说法不严谨,不过可以暂时这么理解。

  以上是从基本概念理论出发来大致了解需要知道的一些概念,下面就针对JDK中有关线程的API来对多线程并发编程做一个了解。

  java.lang.Object

  -public void notify()//唤醒这个对象监视器正在等待获取锁的一个线程

  -public void notifyAll()//唤醒这个对象监视器上正在等待获取锁的所有线程

  -public void wait()//导致当前线程等待另一个线程调用notify()或notifyAll()

  -public void wait(long timeout)// 导致当前线程等待另一个线程调用notify()或notifyAll(),或者达到timeout时间

  -public void wait(long timeout, int nanos)//与上个方法相同,只是将时间控制到了纳秒nanos

  我们先用一个经典的例子——生产者消费者问题来说明上面的API是如何使用的。生产者消费者问题指的的是,生产者生产产品到仓库里,消费者从仓库中拿,仓库满时生产者不能继续生产,仓库为空时消费者不能继续消费。转化成程序语言也就是生产者是一个线程

1,消费者是线程

2,仓库是一个队列,线程1往队尾中新增,线程2从队首中移除,队列满时线程1不能再新增,队列空时线程2不能再移除。

package com.producerconsumer;

import java.util.Queue;



/**

 * 生产者

 * Created by yulinfeng on 2017/5/11.

 */

public class Producer implements Runnable{

  private final Queue<String> queue;

  private final int maxSize;

  public Producer(Queue<String> queue, int maxSize) {

    this.queue = queue;

    this.maxSize = maxSize;

  }
  public void run() {
    produce();
  }

  /**

   * 生产

   */

  private void produce() {

    try {
      while (true) {
        synchronized (queue) {
          if (queue.size() == maxSize) {
            System.out.println("生产者:仓库满了,等待消费者消费");
            queue.wait();
          }
          System.out.println("生产者:" + queue.add("product"));
          queue.notifyAll();
        }
      }
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

 

package com.producerconsumer;

import java.util.Queue;

/**

 * 消费者

 * Created by yulinfeng on 2017/5/11.

 */

public class Consumer implements Runnable {

  private final Queue<String> queue;
  public Consumer(Queue<String> queue) {
    this.queue = queue;
  }

  public void run() {
    consume();
  }

 

  /**

   * 消费

   */

  private void consume() {
    synchronized (queue) {
      try {
        while (true) {
          if (queue.isEmpty()) {
            System.out.println("消费者:仓库空了,等待生产者生产");
            queue.wait();
          }
          System.out.println("消费者:" + queue.remove());
          queue.notifyAll();
        }
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }

}

 

package com.producerconsumer;

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

/**

 * Created by yulinfeng on 2017/5/11.

 */

public class Main {

  public static void main(String[] args) {

    Queue<String> queue = new LinkedList<String>();
    int maxSize = 100;
    Thread producer = new Thread(new Producer(queue, maxSize));
    Thread consumer = new Thread(new Consumer(queue));
    producer.start();
    consumer.start();

  }

}

 

这个生产者消费者问题的实现,我采用线程不安全的LinkedList,使用内置锁synchronized来保证线程安全,在这里我们不讨论synchronized,主要谈notify()、notifyAll()和wait()。

在这里例子中,作为生产者,当队列满时调用了队列的wait()方法,表示等待,并且此时释放了锁。作为消费者此时获取到锁并且移除队首元素时调用了notifyAll()方法,此时生产者由wait等待状态转换为唤醒状态,但注意!此时仅仅是线程被唤醒了,有了争夺CPU资源的资格,并不代表下一步就一定是生产者生产,还有可能消费者继续争夺了CPU资源。一定记住是被唤醒了,有资格争夺CPU资源。notifyAll()表示的是唤醒所有等待的线程,所有等待的线程被唤醒过后,都有了争夺CPU资源的权利,至于是谁会获得这个锁,那不一定。而如果是使用notify(),那就代表唤醒所有等待线程中的一个,只是一个被唤醒具有了争夺CPU的权力,其他没被唤醒的线程继续等待。如果等待线程就只有一个那么notify()和notifyAll()就没区别,不止一个那区别就大了,一个是只唤醒其中一个,一个是唤醒所有。唤醒不是代表这个线程就一定获得CPU资源一定获得锁,而是有了争夺的权利。

java.lang.Thread
  -public void join()
  -public void sleep()
  -public static void yield()
  -……

针对Thread线程类,我们只说常见的几个不容易理解的方法,其余方法不在这里做详细阐述。

关于sleep()方法,可能很容易拿它和Object的wait方法作比较。两个方法很重要的一点就是sleep不会释放锁,而wait会释放锁。在上面的生产者消费者的生产或消费过程中添加一行Thread.sleep(5000),你将会发现执行到此处时,这个跟程序都会暂停执行5秒,不会有任何其他线程执行,因为它不会释放锁。

关于join()方法,JDK7的解释是等待线程结束(Waits for this thread to die)似乎还是不好理解,我们在main函数中启动两个线程,在启动完这两个线程后main函数再执行其他操作,但如果不加以限制,有可能main函数率先执行完需要的操作,但如果在main函数中加入join方法,则表示阻塞等待这两个线程执行结束后再执行main函数后的操作,例如:

package com.join;


public class Main {

  public static void main(String[] args) throws Exception{
    Thread t1 = new Thread(new Task(0));
    Thread t2 = new Thread(new Task(0));
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    System.out.print("main结束");
  }
}

上面个例子如果没有join方法,那么“main”结束这条输出语句可能就会先于t1、t2,加上在启动线程的调用方使用了线程的join方法,则调用方则会阻塞线程执行结束过后再执行剩余的方法。

关于Thread.yield()方法,本来这个线程处于执行状态,其他线程也想争夺这个资源,突然,这个线程不想执行了想和大家一起来重新夺取CPU资源。所以Thread.yield也称让步。从下一章开始就正式开始了解java.util.concurrent。