java多線程及其狀態（互斥）(/轉載，侵犯版權了~)

2019-11-17 04:00:23

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由于同一進程的多個線程共享同一片存儲空間，在帶來方便的同時，也帶來了訪問沖突這個嚴重的問題。java語言提供了專門機制以解決這種沖突，有效避免了同一個數據對象被多個線程同時訪問。
由于我們可以通過 PRivate 關鍵字來保證數據對象只能被方法訪問，所以我們只需針對方法提出一套機制，這套機制就是 synchronized 關鍵字，它包括兩種用法：synchronized 方法和 synchronized 塊。

1. synchronized 方法：通過在方法聲明中加入 synchronized關鍵字來聲明 synchronized 方法。如：
public synchronized void accessVal(int newVal);
synchronized 方法控制對類成員變量的訪問：每個類實例對應一把鎖，每個 synchronized 方法都必須獲得調用該方法的類實例的鎖方能執行，否則所屬線程阻塞，方法一旦執行，就獨占該鎖，直到從該方法返回時才將鎖釋放，此后被阻塞的線程方能獲得該鎖，重新進入可執行狀態。這種機制確保了同一時刻對于每一個類實例，其所有聲明為 synchronized 的成員函數中至多只有一個處于可執行狀態（因為至多只有一個能夠獲得該類實例對應的鎖）（注意這個說法哦！因為是一個類實例一個鎖，所以每次對于一個對象來說，每次只有一個synchronized 方法被一個線程執行），從而有效避免了類成員變量的訪問沖突（只要所有可能訪問類成員變量的方法均被聲明為 synchronized）。
在 Java 中，不光是類實例，每一個類也對應一把鎖，這樣我們也可將類的靜態成員函數聲明為 synchronized ，以控制其對類的靜態成員變量的訪問。

synchronized 方法的缺陷：若將一個大的方法聲明為synchronized 將會大大影響效率，典型地，若將線程類的方法 run() 聲明為 synchronized ，由于在線程的整個生命期內它一直在運行，因此將導致它對本類任何 synchronized 方法的調用都永遠不會成功。當然我們可以通過將訪問類成員變量的代碼放到專門的方法中，將其聲明為 synchronized ，并在主方法中調用來解決這一問題，但是 Java 為我們提供了更好的解決辦法，那就是 synchronized 塊。

2. synchronized 塊：通過 synchronized關鍵字來聲明synchronized 塊。語法如下：
synchronized(syncObject) {
//允許訪問控制的代碼
}
           synchronized 塊是這樣一個代碼塊，其中的代碼必須獲得對象 syncObject （如前所述，可以是類實例或類）的鎖方能執行，具體機制同前所述。由于可以針對任意代碼塊，且可任意指定上鎖的對象，故靈活性較高。

線程的阻塞（同步）

      為了解決對共享存儲區的訪問沖突，Java 引入了同步機制，現在讓我們來考察多個線程對共享資源的訪問，顯然同步機制已經不夠了，因為在任意時刻所要求的資源不一定已經準備好了被訪問，反過來，同一時刻準備好了的資源也可能不止一個。為了解決這種情況下的訪問控制問題，Java 引入了對阻塞機制的支持。
       阻塞指的是暫停一個線程的執行以等待某個條件發生（如某資源就緒），學過操作系統的同學對它一定已經很熟悉了。Java 提供了大量方法來支持阻塞，下面讓我們逐一分析。
       1. sleep() 方法：sleep() 允許指定以毫秒為單位的一段時間作為參數，它使得線程在指定的時間內進入阻塞狀態，不能得到CPU 時間，指定的時間一過，線程重新進入可執行狀態。
典型地，sleep() 被用在等待某個資源就緒的情形：測試發現條件不滿足后，讓線程阻塞一段時間后重新測試，直到條件滿足為止。
        2. suspend() 和 resume() 方法（易引起死鎖，已過時）：兩個方法配套使用，suspend()使得線程進入阻塞狀態，并且不會自動恢復，必須其對應的resume() 被調用，才能使得線程重新進入可執行狀態。典型地，suspend() 和 resume() 被用在等待另一個線程產生的結果的情形：測試發現結果還沒有產生后，讓線程阻塞，另一個線程產生了結果后，調用 resume() 使其恢復。
        3. yield() 方法：yield() 使得線程放棄當前分得的 CPU 時間，但是不使線程阻塞，即線程仍處于可執行狀態，隨時可能再次分得 CPU 時間。調用 yield() 的效果等價于調度程序認為該線程已執行了足夠的時間從而轉到另一個線程。
       4. wait() 和 notify() 方法：兩個方法配套使用，wait() 使得線程進入阻塞狀態，它有兩種形式，一種允許指定以毫秒為單位的一段時間作為參數，另一種沒有參數，前者當對應的 notify() 被調用或者超出指定時間時線程重新進入可執行狀態，后者則必須對應的 notify() 被調用。
       初看起來它們與 suspend() 和 resume() 方法對沒有什么分別，但是事實上它們是截然不同的。區別的核心在于，前面敘述的所有方法，阻塞時都不會釋放占用的鎖（如果占用了的話），而這一對方法則相反。
       上述的核心區別導致了一系列的細節上的區別。
       首先，前面敘述的所有方法都隸屬于 Thread 類，但是這一對卻直接隸屬于 Object 類，也就是說，所有對象都擁有這一對方法。初看起來這十分不可思議，但是實際上卻是很自然的，因為這一對方法阻塞時要釋放占用的鎖，而鎖是任何對象都具有的，調用任意對象的 wait() 方法導致線程阻塞，并且該對象上的鎖被釋放。而調用任意對象的notify()方法則導致因調用該對象的 wait() 方法而阻塞的線程中隨機選擇的一個解除阻塞（但要等到獲得鎖后才真正可執行）。
      其次，前面敘述的所有方法都可在任何位置調用，但是這一對方法（wait() 和 notify() ）卻必須在 synchronized 方法或塊中調用，理由也很簡單，只有在synchronized 方法或塊中當前線程才占有鎖，才有鎖可以釋放。同樣的道理，調用這一對方法的對象上的鎖必須為當前線程所擁有，這樣才有鎖可以釋放。因此，這一對方法調用必須放置在這樣的 synchronized 方法或塊中，該方法或塊的上鎖對象就是調用這一對方法的對象。若不滿足這一條件，則程序雖然仍能編譯，但在運行時會出現IllegalMonitorStateException 異常。
       wait() 和 notify() 方法的上述特性決定了它們經常和synchronized 方法或塊一起使用，將它們和操作系統的進程間通信機制作一個比較就會發現它們的相似性：synchronized方法或塊提供了類似于操作系統原語的功能，它們的執行不會受到多線程機制的干擾，而這一對方法則相當于 block 和wakeup 原語（這一對方法均聲明為 synchronized）。它們的結合使得我們可以實現操作系統上一系列精妙的進程間通信的算法（如信號量算法），并用于解決各種復雜的線程間通信問題。
關于 wait() 和 notify() 方法最后再說明兩點：
第一：調用 notify() 方法導致解除阻塞的線程是從因調用該對象的 wait() 方法而阻塞的線程中隨機選取的，我們無法預料哪一個線程將會被選擇，所以編程時要特別小心，避免因這種不確定性而產生問題。
第二：除了 notify()，還有一個方法 notifyAll() 也可起到類似作用，唯一的區別在于，調用 notifyAll() 方法將把因調用該對象的 wait() 方法而阻塞的所有線程一次性全部解除阻塞。當然，只有獲得鎖的那一個線程才能進入可執行狀態。
      談到阻塞，就不能不談一談死鎖，略一分析就能發現，suspend() 方法和不指定超時期限的 wait() 方法的調用都可能產生死鎖。遺憾的是，Java 并不在語言級別上支持死鎖的避免，我們在編程中必須小心地避免死鎖。
     以上我們對 Java 中實現線程阻塞的各種方法作了一番分析，我們重點分析了 wait() 和 notify() 方法，因為它們的功能最強大，使用也最靈活，但是這也導致了它們的效率較低，較容易出錯。實際使用中我們應該靈活使用各種方法，以便更好地達到我們的目的。

守護線程
       守護線程是一類特殊的線程，它和普通線程的區別在于它并不是應用程序的核心部分，當一個應用程序的所有非守護線程終止運行時，即使仍然有守護線程在運行，應用程序也將終止，反之，只要有一個非守護線程在運行，應用程序就不會終止。守護線程一般被用于在后臺為其它線程提供服務。
可以通過調用方法 isDaemon() 來判斷一個線程是否是守護線程，也可以調用方法 setDaemon() 來將一個線程設為守護線程。

線程組
        線程組是一個 Java 特有的概念，在 Java 中，線程組是類ThreadGroup的對象，每個線程都隸屬于唯一一個線程組，這個線程組在線程創建時指定并在線程的整個生命期內都不能更改。你可以通過調用包含 ThreadGroup 類型參數的 Thread 類構造函數來指定線程屬的線程組，若沒有指定，則線程缺省地隸屬于名為 system 的系統線程組。
        在 Java 中，除了預建的系統線程組外，所有線程組都必須顯式創建。在 Java 中，除系統線程組外的每個線程組又隸屬于另一個線程組，你可以在創建線程組時指定其所隸屬的線程組，若沒有指定，則缺省地隸屬于系統線程組。這樣，所有線程組組成了一棵以系統線程組為根的樹。
Java 允許我們對一個線程組中的所有線程同時進行操作，比如我們可以通過調用線程組的相應方法來設置其中所有線程的優先級，也可以啟動或阻塞其中的所有線程。
        Java 的線程組機制的另一個重要作用是線程安全。線程組機制允許我們通過分組來區分有不同安全特性的線程，對不同組的線程進行不同的處理，還可以通過線程組的分層結構來支持不對等安全措施的采用。Java 的 ThreadGroup 類提供了大量的方法來方便我們對線程組樹中的每一個線程組以及線程組中的每一個線程進行操作。

線程的狀態
在給定時間點上，一個線程只能處于一種狀態。

NEW
至今尚未啟動的線程處于這種狀態。
RUNNABLE
正在 Java 虛擬機中執行的線程處于這種狀態。
BLOCKED
受阻塞并等待某個監視器鎖的線程處于這種狀態。
WAITING
無限期地等待另一個線程來執行某一特定操作的線程處于這種狀態。
某一等待線程的線程狀態。某一線程因為調用下列方法之一而處于等待狀態：
不帶超時值的 Object.wait
不帶超時值的 Thread.join
LockSupport.park
處于等待狀態的線程正等待另一個線程，以執行特定操作。例如，已經在某一對象上調用了 Object.wait() 的線程正等待另一個線程，以便在該對象上調用 Object.notify() 或 Object.notifyAll()。已經調用了 Thread.join() 的線程正在等待指定線程終止。

TIMED_WAITING
等待另一個線程來執行取決于指定等待時間的操作的線程處于這種狀態。

具有指定等待時間的某一等待線程的線程狀態。某一線程因為調用以下帶有指定正等待時間的方法之一而處于定時等待狀態：
Thread.sleep
帶有超時值的 Object.wait
帶有超時值的 Thread.join
LockSupport.parkNanos
LockSupport.parkUntil

TERMINATED
已退出的線程處于這種狀態。

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