Java 并发总结——进程与线程

冷不防 2022-08-29 10:05 159阅读 0赞

### 一、进程与线程 ###

**（1）线程与进程**

进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。进程实体由程序段， 数据段 PCB（进程控制块）组成。

线程可以看做轻量级进程，线程是进程的执行单元，是进程调度的基本单位。

**（2）多线程中的上下文切换**  
在上下文切换过程中，CPU 会停止处理当前运行的程序，并保存当前程序运行的具体位置以便之后继续运行。在程序中，上下文切换过程中的“页码”信息是保存在进程控制块（PCB）中的。PCB 还经常被称作“切换桢”（switchframe）。“页码”信息会一直保存到 CPU 的内存中，直到他们被再次使用。  
上下文切换是存储和恢复 CPU 状态的过程，它使得线程执行能够从中断点恢复执行。上下文切换是多任务操作系统和多线程环境的基本特征。

**（3）多线程同步和互斥实现方法**

1、线程同步

指线程之间所具有的一种制约关系，一个线程的执行依赖另一个线程的消息，当它没有得到另一个线程的消息时应等待，直到消息到达时才被唤醒。

2、线程互斥

指对于共享的进程系统资源，在各单个线程访问时的排它性。当有若干个线程都要使用某一共享资源时，任何时刻最多只允许一个线程去使用，其它要使用该资源的线程必须等待，直到占用资源者释放该资源。线程互斥可以看成是一种特殊的线程同步。

线程间的同步方法大体可分为两类：用户模式和内核模式。

内核模式：指利用系统内核对象的单一性来进行同步，使用时需要切换内核态与用户态，  
用户模式：就是不需要切换到内核态，只在用户态完成操作。  
用户模式下的方法有：原子操作（例如一个单一的全局变量），临界区。

内核模式下的方法有：事件，信号量，互斥量。

**（3）进程调度算法**  
*1、实时系统*

FIFO(First Input First Output，先进先出算法)

SJF(Shortest Job First，最短作业优先算法)

SRTF(Shortest Remaining Time First，最短剩余时间优先算法）。  
*2、交互式系统*

RR(Round Robin，时间片轮转算法)

HPF(Highest Priority First，最高优先级算法)

多级队列

最短进程优先

保证调度，彩票调度，公平分享调度。

### 二、Java线程 ###

**（1）创建线程的方式**  
1、继承 Thread 类创建线程类  
2、通过 Runnable 接口创建线程类  
3、通过 Callable 和 Future 创建线程  
4、通过线程池创建

**（2） 守护线程和本地线程**  
在Java中有两类线程：用户线程 (User Thread)、守护线程 (Daemon Thread、gc线程、Finalizer线程)  
守护线程和用户线程的区别在于：守护线程依赖于创建它的线程，而用户线程则不依赖。

扩展：

Thread Dump 打印出来的线程信息，含有 daemon 字样的线程即为守护  
进程，可能会有：服务守护进程、编译守护进程、windows 下的监听 Ctrl+break  
的守护进程、Finalizer 守护进程、引用处理守护进程、GC 守护进程。

**（3）Java线程的生命周期**

新建（New）：创建后尚位启动的线程的状态  
运行（Runnable）：包含Running和Ready  
无限期等待（Waiting）：不会被分配CPU执行时间，需要显式呗唤醒  
限期等待（Timed Waiting）：在一定时间后会由系统自动唤醒  
阻塞（Blocked）：等待排它锁  
结束（Terminated）：已终止线程的状态，线程已经结束执行

**（4）线程调度的方法**  
1、wait()

使一个线程处于等待（阻塞）状态，并且释放所持有的对象的锁；

2、sleep()

使一个正在运行的线程处于睡眠状态，是一个静态方法，调用此方法要处理InterruptedException异常；  
3、notify()

唤醒一个处于等待状态的线程，当然在调用此方法的时候，并不能确切的唤醒某一个等待状态的线程，而是由JVM确定唤醒哪个线程，而且与优先级无关；

4、notityAll()

唤醒所有处于等待状态的线程，该方法并不是将对象的锁给所有线程，而是让它们竞争，只有获得锁的线程才能进入就绪状态；

**（5）线程调度算法**

有两种调度模型：分时调度模型和抢占式调度模型。

分时调度模型是指让所有的线程轮流获得 cpu 的使用权,并且平均分配每个线程占

用的 CPU 的时间片。

抢占式调度模型是指优先让可运行池中优先级高的线程占用  
CPU，如果可运行池中的线程优先级相同，那么就随机选择一个线程，使其占用  
CPU。处于运行状态的线程会一直运行，直至它不得不放弃 CPU。

java虚拟机采用时间片轮转的方式。可以设置线程的优先级，会映射到下层的系统上面的优  
先级上，如非特别需要，尽量不要用，防止线程饥饿。

### **三、死锁** ###

**（1）死锁产生的4个必要条件**

1、互斥条件

2、请求和保持条件

3、不可抢占条件

4）循环等待条件

**（2）死锁类型**

1、锁顺序死锁（交错执行）

2、动态锁顺序死锁

3、协作对象之间发生死锁（隐式获取两个锁）

**（3）避免死锁的方法**

1、固定加锁的顺序(针对锁顺序死锁)  
2、开放调用(针对对象之间协作造成的死锁)

3、使用定时锁-->tryLock()  
4、如果等待获取锁时间超时，则抛出异常而不是一直等待！

**（4）死锁检测**

JDK提供了两种方式检测：  
JconsoleJDK自带的图形化界面工具，使用JDK给我们的的工具JConsole  
Jstack是JDK自带的命令行工具，主要用于线程Dump分析。  
1、Jstack命令

jstack是java虚拟机自带的一种堆栈跟踪工具。jstack用于打印出给定的java进程ID或core file或远程调试服务的Java堆栈信息。 Jstack工具可以用于生成java虚拟机当前时刻的线程快照。线程快照是当前java虚拟机内每一条线程正在执行的方法堆栈的集合，生成线程快照的主要目的是定位线程出现长时间停顿的原因，如线程间死锁、死循环、请求外部资源导致的长时间等待等。 线程出现停顿的时候通过jstack来查看各个线程的调用堆栈，就可以知道没有响应的线程到底在后台做什么事情，或者等待什么资源。

2、JConsole工具

Jconsole是JDK自带的监控工具，在JDK/bin目录下可以找到。它用于连接正在运行的本地或者远程的JVM，对运行在Java应用程序的资源消耗和性能进行监控，并画出大量的图表，提供强大的可视化界面。而且本身占用的服务器内存很小，甚至可以说几乎不消耗。

**（5）死锁、活锁、饥饿**

1、死锁

是指两个或两个以上的进程（或线程）在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。  
2、活锁

任务或者执行者没有被阻塞，由于某些条件没有满足，导致一直重复尝试，  
失败，尝试，失败。  
活锁和死锁的区别在于，处于活锁的实体是在不断的改变状态，所谓的“活”， 而  
处于死锁的实体表现为等待；活锁有可能自行解开，死锁则不能。  
3、饥饿

一个或者多个线程因为种种原因无法获得所需要的资源，导致一直无法执  
行的状态。  
Java 中导致饥饿的原因：

1）高优先级线程吞噬所有的低优先级线程的 CPU 时间。  
2）线程被永久堵塞在一个等待进入同步块的状态，因为其他线程总是能在它之前  
持续地对该同步块进行访问。  
3）线程在等待一个本身也处于永久等待完成的对象(比如调用这个对象的 wait 方 法)，因为其他线程总是被持续地获得唤醒。

### 四、扩展 ###

**（1）避免死锁**

**预防死锁的几种策略**，会严重地损害系统性能。因此在避免死锁时，要施加较弱的限制，从而获得 较满意的系统性能。由于在避免死锁的策略中，允许进程动态地申请资源。因而，系统在进行资源分配之前预先计算资源分配的安全性。若此次分配不会导致系统进入不安全的状态，则将资源分配给进程；否则，进程等待。其中最具有代表性的避免死锁算法是银行家算法。

**银行家算法**：首先需要定义状态和安全状态的概念。系统的状态是当前给进程分配的资源情况。因此，状态包含两个向量Resource（系统中每种资源的总量）和Available（未分配给进程的每种资源的总量）及两个矩阵Claim（表示进程对资源的需求）和Allocation（表示当前分配给进程的资源）。安全状态是指至少有一个资源分配序列不会导致死锁。当进程请求一组资源时，假设同意该请求，从而改变了系统的状态，然后确定其结果是否还处于安全状态。如果是，同意这个请求；如果不是，阻塞该进程知道同意该请求后系统状态仍然是安全的。

**（2）检测死锁**

首先为每个进程和每个资源指定一个唯一的号码；

然后建立资源分配表和进程等待表。

**（3）解除死锁**

当发现有进程死锁后，便应立即把它从死锁状态中解脱出来，常采用的方法有：

夺资源：从其它进程剥夺足够数量的资源给死锁进程，以解除死锁状态；

撤消进程：可以直接撤消死锁进程或撤消代价最小的进程，直至有足够的资源可用，死锁状态.消除为止；所谓代价是指优先级、运行代价、进程的重要性和价值等。

### 五、问题 ###

（1）进程与线程的区别

进程是资源分配的最小单位  
线程是CPU调度的最小单位  
一个程序必须有一个进程，一个进程必须有一个线程

（2）Thread中start和run方法的区别

调用start()方法会创建一个新的子线程并启动  
run()方法只是Thread的一个普通方法的调用

（3）Thread和Runnable的关系

Thread是实现了Runnable接口的类，使得run支持多线程  
因类的单一继承原则，推荐多使用Runnable接口

（4）wait()和sleep()的区别

sleep是Thread类的方法，wait是Object类中定义的方法  
sleep()方法可以在任何地方使用  
wait()方法只能在sychronized方法或synchronized块中使用  
Thread.sleep只会让出CPU，不会导致锁行为的改变  
Object.wait不仅让出CPU，还会释放已经占有的同步资源锁

（5）锁池与等待池

在java中，每个对象都有两个池，锁(monitor)池和等待池

wait() ,notifyAll(),notify() 三个方法都是Object类中的方法.

锁池：假设线程A已经拥有了某个对象(注意:不是类)的锁，而其它的线程想要调用这个对象的某个synchronized方法(或者synchronized块)，由于这些线程在进入对象的synchronized方法之前必须先获得该对象的锁的拥有权，但是该对象的锁目前正被线程A拥有，所以这些线程就进入了该对象的锁池中。

等待池：假设一个线程A调用了某个对象的wait()方法，线程A就会释放该对象的锁(因为wait()方法必须出现在synchronized中，这样自然在执行wait()方法之前线程A就已经拥有了该对象的锁)，同时线程A就进入到了该对象的等待池中。如果另外的一个线程调用了相同对象的notifyAll()方法，那么处于该对象的等待池中的线程就会全部进入该对象的锁池中，准备争夺锁的拥有权。如果另外的一个线程调用了相同对象的notify()方法，那么仅仅有一个处于该对象的等待池中的线程(随机)会进入该对象的锁池.

（6）notify和notifyAll的区别

notifyAll：会让所有处于等待池的线程全部进入锁池去竞争获取锁的机会  
notify：会随机让一个处于等待池中的线程进入锁池去竞争获取锁的机会

（7）interrupt函数

通知线程应该中断了

*  如果线程处于阻塞状态，那么线程将立即退出被阻塞状态，抛出一个InterruptedException异常
 *  如果线程处于正常活动状态，那么会将该线程的中断标志设置为true。被设置中断标志的线程将继续正常运行，不受影响

（8）线程状态以及状态之间的转换

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