線程

發(fā)展簡史

　　線程的引入：

　　60年代，在OS中能擁有資源和獨立運行的基本單位是進程，然而隨著計算機技術的發(fā)展，進程出現(xiàn)了很多弊端，一是由于進程是資源擁有者，創(chuàng)建、撤消與切換存在較大的時空開銷，因此需要引入輕型進程；二是由于對稱多處理機（SMP）出現(xiàn)，可以滿足多個運行單位，而多個進程并行開銷過大。

　　因此在80年代，出現(xiàn)了能獨立運行的基本單位——線程（Threads）。

適用范圍

　　1.服務器中的文件管理或通信控制

　　線程

　　線程

　　2.前后臺處理

　　3.異步處理

特點

　　線程的使用

　　線程的使用

　　在多線程OS中，通常是在一個進程中包括多個線程，每個線程都是作為利用CPU的基本單位，是花費最小開銷的實體。線程具有以下屬性。

　　1）輕型實體

　　線程中的實體基本上不擁有系統(tǒng)資源，只是有一點必不可少的、能保證獨立運行的資源。

　　線程的實體包括程序、數(shù)據(jù)和TCB。線程是動態(tài)概念，它的動態(tài)特性由線程控制塊TCB（Thread Control Block）描述。TCB包括以下信息：

　　（1）線程狀態(tài)。

　?。?）當線程不運行時，被保存的現(xiàn)場資源。

　　（3）一組執(zhí)行堆棧。

　?。?）存放每個線程的局部變量主存區(qū)。

　?。?）訪問同一個進程中的主存和其它資源。

　　用于指示被執(zhí)行指令序列的程序計數(shù)器、保留局部變量、少數(shù)狀態(tài)參數(shù)和返回地址等的一組寄存器和堆棧。

　　2）獨立調(diào)度和分派的基本單位。

　　在多線程OS中，線程是能獨立運行的基本單位，因而也是獨立調(diào)度和分派的基本單位。由于線程很“輕”，故線程的切換非常迅速且開銷小（在同一進程中的）。

　　3）可并發(fā)執(zhí)行。

　　在一個進程中的多個線程之間，可以并發(fā)執(zhí)行，甚至允許在一個進程中所有線程都能并發(fā)執(zhí)行；同樣，不同進程中的線程也能并發(fā)執(zhí)行，充分利用和發(fā)揮了處理機與外圍設備并行工作的能力。

　　4）共享進程資源。

　　在同一進程中的各個線程，都可以共享該進程所擁有的資源，這首先表現(xiàn)在：所有線程都具有相同的地址空間（進程的地址空間），這意味著，線程可以訪問該地址空間的每一個虛地址；此外，還可以訪問進程所擁有的已打開文件、定時器、信號量機構等。由于同一個進程內(nèi)的線程共享內(nèi)存和文件，所以線程之間互相通信不必調(diào)用內(nèi)核。

與進程比較

　　進程是資源分配的基本單位。所有與該進程有關的資源，都被記錄在進程控制塊PCB中。以表示該進程擁有這些資源或正在使用它們。

　　另外，進程也是搶占處理機的調(diào)度單位，它擁有一個完整的虛擬地址空間。當進程發(fā)生調(diào)度時，不同的進程擁有不同的虛擬地址空間，而同一進程內(nèi)的不同線程共享同一地址空間。

　　與進程相對應，線程與資源分配無關，它屬于某一個進程，并與進程內(nèi)的其他線程一起共享進程的資源。

　　線程只由相關堆棧（系統(tǒng)棧或用戶棧）寄存器和線程控制表TCB組成。寄存器可被用來存儲線程內(nèi)的局部變量，但不能存儲其他線程的相關變量。

　　通常在一個進程中可以包含若干個線程，它們可以利用進程所擁有的資源。在引入線程的操作系統(tǒng)中，通常都是把進程作為分配資源的基本單位，而把線程作為獨立運行和獨立調(diào)度的基本單位。由于線程比進程更小，基本上不擁有系統(tǒng)資源，故對它的調(diào)度所付出的開銷就會小得多，能更高效的提高系統(tǒng)內(nèi)多個程序間并發(fā)執(zhí)行的程度，從而顯著提高系統(tǒng)資源的利用率和吞吐量。因而近年來推出的通用操作系統(tǒng)都引入了線程，以便進一步提高系統(tǒng)的并發(fā)性，并把它視為現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個重要指標。

　　線程與進程的區(qū)別可以歸納為以下4點：

　　1）地址空間和其它資源（如打開文件）：進程間相互獨立，同一進程的各線程間共享。某進程內(nèi)的線程在其它進程不可見。

　　2）通信：進程間通信IPC，線程間可以直接讀寫進程數(shù)據(jù)段（如全局變量）來進行通信——需要進程同步和互斥手段的輔助，以保證數(shù)據(jù)的一致性。

　　3）調(diào)度和切換：線程上下文切換比進程上下文切換要快得多。

　　4）在多線程OS中，進程不是一個可執(zhí)行的實體。

線程的同步

　　線程的同步是Java多線程編程的難點，往往開發(fā)者搞不清楚什么是競爭資源、什么時候需要考慮同步，怎么同步等等問題，當然，這些問題沒有很明確的答案，但有些原則問題需要考慮，是否有競爭資源被同時改動的問題？對于同步，在具體的Java代碼中需要完成以下兩個操作：把競爭訪問的資源標識為private；同步哪些修改變量的代碼，使用synchronized關鍵字同步方法或代碼。當然這不是唯一控制并發(fā)安全的途徑。synchronized關鍵字使用說明synchronized只能標記非抽象的方法，不能標識成員變量。為了演示同步方法的使用，構建了一個信用卡賬戶，起初信用額為100w，然后模擬透支、存款等多個操作。顯然銀行賬戶User對象是個競爭資源，而多個并發(fā)操作的是賬戶方法oper(int x），當然應該在此方法上加上同步，并將賬戶的余額設為私有變量，禁止直接訪問。

　　工作原理

　　線程是進程中的實體，一個進程可以擁有多個線程，一個線程必須有一個父進程。線程不擁有系統(tǒng)資源，只有運行必須的一些數(shù)據(jù)結(jié)構；它與父進程的其它線程共享該進程所擁有的全部資源。線程可以創(chuàng)建和撤消線程，從而實現(xiàn)程序的并發(fā)執(zhí)行。一般，線程具有就緒、阻塞和運行三種基本狀態(tài)。

　　在多中央處理器的系統(tǒng)里，不同線程可以同時在不同的中央處理器上運行，甚至當它們屬于同一個進程時也是如此。大多數(shù)支持多處理器的操作系統(tǒng)都提供編程接口來讓進程可以控制自己的線程與各處理器之間的關聯(lián)度（affinity）。

　　有時候，線程也稱作輕量級進程。就象進程一樣，線程在程序中是獨立的、并發(fā)的執(zhí)行路徑，每個線程有它自己的堆棧、自己的程序計數(shù)器和自己的局部變量。但是，與分隔的進程相比，進程中的線程之間的隔離程度要小。它們共享內(nèi)存、文件句柄和其它每個進程應有的狀態(tài)。

　　進程可以支持多個線程，它們看似同時執(zhí)行，但互相之間并不同步。一個進程中的多個線程共享相同的內(nèi)存地址空間，這就意味著它們可以訪問相同的變量和對象，而且它們從同一堆中分配對象。盡管這讓線程之間共享信息變得更容易，但您必須小心，確保它們不會妨礙同一進程里的其它線程。

　　Java 線程工具和 API看似簡單。但是，編寫有效使用線程的復雜程序并不十分容易。因為有多個線程共存在相同的內(nèi)存空間中并共享相同的變量，所以您必須小心，確保您的線程不會互相干擾。

　　線程屬性

　　為了正確有效地使用線程，必須理解線程的各個方面并了解Java 實時系統(tǒng)。必須知道如何提供線程體、線程的生命周期、實時系統(tǒng)如 何調(diào)度線程、線程組、什么是幽靈線程（Demo nThread）。

　　線程體

　　所有的操作都發(fā)生在線程體中，在Java中線程體是從Thread類繼承的run（）方法，或?qū)崿F(xiàn)Runnable接口的類中的run（）方法。當線程產(chǎn)生并初始化后，實時系統(tǒng)調(diào)用它的run（）方法。run（）方法內(nèi)的代碼實現(xiàn)所產(chǎn)生線程的行為，它是線程的主要部分。

　　線程狀態(tài)

　　線程的狀態(tài)

　　線程的狀態(tài)

　　附圖表示了線程在它的生命周期內(nèi)的任何時刻所能處的狀態(tài)以及引起狀態(tài)改變的方法。這圖并不是完整的有限狀態(tài)圖，但基本概括了線程中比較感興趣和普遍的方面。以下討論有關線程生命周期以此為據(jù)。

　　●新線程態(tài)（New Thread)

　　產(chǎn)生一個Thread對象就生成一個新線程。當線程處于"新線程"狀態(tài)時，僅僅是一個空線程對象，它還沒有分配到系統(tǒng)資源。因此只能啟動或終止它。任何其他操作都會引發(fā)異常。例如，一個線程調(diào)用了new方法之后，并在調(diào)用start方法之前的處于新線程狀態(tài)，可以調(diào)用start和stop方法。

　　●可運行態(tài)（Runnable)

　　start（）方法產(chǎn)生運行線程所必須的資源，調(diào)度線程執(zhí)行，并且調(diào)用線程的run（）方法。在這時

　　線程的生命狀態(tài)與周期

　　線程的生命狀態(tài)與周期

　　線程處于可運行態(tài)。該狀態(tài)不稱為運行態(tài)是因為這時的線程并不總是一直占用處理機。特別是對于只有一個處理機的PC而言，任何時刻只能有一個處于可運行態(tài)的線程占用處理 機。Java通過調(diào)度來實現(xiàn)多線程對處理機的共享。注意，如果線程處于Runnable狀態(tài)，它也有可能不在運行，這是因為還有優(yōu)先級和調(diào)度問題。

　　●阻塞/非運行態(tài)（Not Runnable)

　　當以下事件發(fā)生時，線程進入非運行態(tài)。

　　①suspend()方法被調(diào)用；

　　②sleep()方法被調(diào)用；

　　③線程使用wait()來等待條件變量；

　　④線程處于I/O請求的等待。

　　●死亡態(tài)（Dead)

　　當run（）方法返回，或別的線程調(diào)用stop（）方法，線程進入死亡態(tài)。通常Applet使用它的stop（）方法來終止它產(chǎn)生的所有線程。

　　線程的本操作：

　　派生：線程在進程內(nèi)派生出來，它即可由進程派生，也可由線程派生。

　　阻塞（Block）：如果一個線程在執(zhí)行過程中需要等待某個事件發(fā)生，則被阻塞。

　　激活（unblock）：如果阻塞線程的事件發(fā)生，則該線程被激活并進入就緒隊列。

　　調(diào)度（schedule）：選擇一個就緒線程進入執(zhí)行狀態(tài)。

　　結(jié)束（Finish）：如果一個線程執(zhí)行結(jié)束，它的寄存器上下文以及堆棧內(nèi)容等將被釋放。

　　圖2 線程的狀態(tài)與操作

　　線程的另一個執(zhí)行特性是同步。線程中所使用的同步控制機制與進程中所使用的同步控制機制相同。

　　線程優(yōu)先級

　　雖然我們說線程是并發(fā)運行的。然而事實常常并非如此。正如前面談到的，當系統(tǒng)中只有一個CPU時，以某種順序在單CPU情況下執(zhí)行多線程被稱為調(diào)度（scheduling）。Java采用的是一種簡單、固定的調(diào)度法，即固定優(yōu)先級調(diào)度。這種算法是根據(jù)處于可運行態(tài)線程的相對優(yōu)先級來實行調(diào)度。當線程產(chǎn)生時，它繼承原線程的優(yōu)先級。在需要時可對優(yōu)先級進行修改。在任何時刻，如果有多條線程等待運行，系統(tǒng)選擇優(yōu)先級最高的可運行線程運行。只有當它停止、自動放棄、或由于某種原因成為非運行態(tài)低優(yōu)先級的線程才能運行。如果兩個線程具有相同的優(yōu)先級，它們將被交替地運行?！ava實時系統(tǒng)的線程調(diào)度算法還是強制性的，在任何時刻，如果一個比其他線程優(yōu)先級都高的線程的狀態(tài)變?yōu)榭蛇\行態(tài)，實時系統(tǒng)將選擇該線程來運行。一個應用程序可以通過使用線程中的方法setPriority(int），來設置線程的優(yōu)先級大小。

　　有線程進入了就緒狀態(tài)，需要有線程調(diào)度程序來決定何時執(zhí)行，根據(jù)優(yōu)先級來調(diào)度。