面試中如何答好：線程
1.進(jìn)程
是操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序分配資源的基本單位，比如操作系統(tǒng)會(huì)為一個(gè)應(yīng)用程序分配獨(dú)立的工作空間，硬件資源，任務(wù)調(diào)度等。一個(gè)應(yīng)用程序就是一個(gè)進(jìn)程。
2.線程
是cpu執(zhí)行的基本單位，可以理解為一個(gè)基本的執(zhí)行流，一個(gè)進(jìn)程中至少有一個(gè)線程。進(jìn)程是線程的集合體或者載體。
3.線程模型
線程分為內(nèi)核線程和用戶線程。
內(nèi)核線程就是操作系統(tǒng)自己實(shí)現(xiàn)的一套線程機(jī)制，實(shí)現(xiàn)一套線程機(jī)制并不是像java一樣創(chuàng)建一個(gè)Thread對(duì)象即可，而是除了創(chuàng)建線程對(duì)象，還要基于操作系統(tǒng)及硬件的不同（比如cpu是多核單核等），制定何時(shí)凍結(jié)或喚醒線程、該給線程分配多少處理器執(zhí)行時(shí)間、該把線程安排給哪個(gè)處理器核心去執(zhí)行等事宜，而內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了這一套機(jī)制。
用戶線程就是用戶程序中創(chuàng)建的線程，和內(nèi)核線程一樣，線程是交給處理器執(zhí)行，但是具體的執(zhí)行和分配機(jī)制需要用戶程序自己實(shí)現(xiàn)，就是說也要根據(jù)機(jī)器的不同實(shí)現(xiàn)一套線程運(yùn)行機(jī)制才行。但是實(shí)現(xiàn)這樣一套機(jī)制是極其復(fù)雜的，而且還要考慮不同的機(jī)器平臺(tái)，所以說有一定的困難度。
那我們開發(fā)的應(yīng)用程序線程是怎么實(shí)現(xiàn)的呢，一般的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的線程根據(jù)其特點(diǎn)可以分為三種：
- 用戶線程和內(nèi)核一一對(duì)應(yīng)的1:1模型
- 用戶線程和進(jìn)程多對(duì)一的1:N模型
- 用戶線程和內(nèi)核線程多對(duì)多的M:N模型
(1) 1:1模型
應(yīng)用程序創(chuàng)建一個(gè)線程實(shí)際上是通過內(nèi)核提供的內(nèi)核線程api調(diào)用與一個(gè)內(nèi)核線程建立一比一映射關(guān)系，也就是說看起來應(yīng)用程序創(chuàng)建了用戶線程，但其實(shí)應(yīng)用程序只是創(chuàng)建線程對(duì)象，通過線程對(duì)象調(diào)用了內(nèi)核api創(chuàng)建了內(nèi)核線程，對(duì)于應(yīng)用程序來說就比較省事了，因?yàn)榫唧w的線程機(jī)制都是由內(nèi)核完成。
這種模型免不了用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，性能方面會(huì)被限制。
(2) 1:N模型
就是上面所說的，由用戶程序自己實(shí)現(xiàn)線程機(jī)制，包括線程創(chuàng)建，線程調(diào)度等。
這種模型基本能避免用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，這就可以支持更多的線程并發(fā)，不好的地方就是實(shí)現(xiàn)困難。
(3) M:N模型
就是用戶程序中的用戶線程和內(nèi)核線程不是一比一映射，而是多條用戶線程對(duì)應(yīng)一條內(nèi)核線程或者多條內(nèi)核線程。
這種模型既能夠保證并發(fā)量，提高性能，又能利用內(nèi)核的調(diào)度機(jī)制，但是免不了自己實(shí)現(xiàn)一套線程機(jī)制，依然具備很高的復(fù)雜性。
java在實(shí)現(xiàn)線程機(jī)制這條路上可以說對(duì)于三種模型都曾有過實(shí)現(xiàn)。其實(shí)采用哪種線程模型依賴于所使用的操作系統(tǒng)是否支持，就拿Hotspot這款虛擬機(jī)來說，它在不同操作系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)就不一樣，在Solaris平臺(tái)的HotSpot虛擬機(jī)，由于操作系統(tǒng)的線程特性本來就可以同時(shí)支持 1：1及N：M
但是主流的java虛擬機(jī)hotspot在主流的操作系統(tǒng)win和linux，采用的都是1:1模型。即線程調(diào)度交個(gè)內(nèi)核來完成，這樣我們?cè)趧?chuàng)建線程的時(shí)候就受到了資源的很大限制，比如我們無法做到創(chuàng)建大批量的線程出來。
舉個(gè)例子：
內(nèi)核是一個(gè)國(guó)有工廠負(fù)責(zé)加工產(chǎn)品，cpu是加工產(chǎn)品的機(jī)器，一個(gè)用戶程序就是一個(gè)私有企業(yè)，也就是一個(gè)進(jìn)程，而線程就是私企和國(guó)企里面的工作人員。每個(gè)私企員工都會(huì)將一定的原材料送到國(guó)企進(jìn)行加工。
1:1模型中，每當(dāng)一個(gè)私企員工攜帶原材料來加工，都會(huì)有一個(gè)國(guó)企的員工接待，負(fù)責(zé)加工流程中的所有事情，直到加工完成并將私企員工送走。因?yàn)橛泻芏嗨狡螅粋€(gè)私企里面有很多私企員工，而國(guó)企員工相對(duì)較少，這樣一對(duì)一的服務(wù)，如果私企的人來的太多，會(huì)把國(guó)企人員累死，整個(gè)生產(chǎn)線會(huì)癱瘓。
1：N模型中就是每個(gè)私企在國(guó)企里面租一臺(tái)機(jī)器的使用時(shí)間，就是某個(gè)時(shí)間段，由某個(gè)私企承包，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)機(jī)器只為這個(gè)私企工作，這種情況下只要在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，私企想派多少人去加工就派多少人去加工。
M:N模型中，某個(gè)私企大概有100人攜帶原材料加工，私企感覺這樣效率有點(diǎn)低，就想了個(gè)辦法，和國(guó)企達(dá)成某種協(xié)議，讓國(guó)企出幾個(gè)人專門服務(wù)于私企的這100個(gè)人，這樣效率會(huì)提升了。
4.線程調(diào)度
多線程情況下，能夠讓每個(gè)線程都能有條不紊的得到運(yùn)行就是線程調(diào)度。
我們知道cpu處理器是單線流水運(yùn)行，線程是運(yùn)行在cpu上的，一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上只會(huì)有一條線程正在被cpu運(yùn)行。
基于以上情況，線程要如何調(diào)度呢，一般情況下，操作系統(tǒng)有兩種調(diào)度方式：
(1) 協(xié)同式調(diào)度
正在執(zhí)行的線程自己控制自身的執(zhí)行時(shí)間，并且當(dāng)前線程執(zhí)行完后由自身告知操作系統(tǒng)可以調(diào)度到其他線程上了。
這種方式相對(duì)來說實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不用考慮同步的問題。
但是缺點(diǎn)也很明顯，這種調(diào)度方式中有兩個(gè)點(diǎn)要注意，線程多長(zhǎng)時(shí)間可以執(zhí)行完？線程一定能通知操作系統(tǒng)調(diào)度其他線程嗎？這兩點(diǎn)無法保證的話就會(huì)引發(fā)一些問題，比如當(dāng)前線程本身運(yùn)行時(shí)間很長(zhǎng)，執(zhí)行邏輯中有一些io等待操作，這就造成cpu是空閑的，資源大大浪費(fèi)；再比如如果代碼或者業(yè)務(wù)邏輯出了問題稍有不慎就會(huì)造成無法通知操作系統(tǒng)調(diào)度其他線程，這個(gè)是災(zāi)難性的。
(2) 搶占式調(diào)度
由操作系統(tǒng)為每個(gè)線程分配操作時(shí)間，并且由操作系統(tǒng)自主負(fù)責(zé)調(diào)度其他線程。
cpu處理整個(gè)過程被分成若干個(gè)極小的時(shí)間片段，每個(gè)線程可以被分配多個(gè)時(shí)間片段。然后操作系統(tǒng)會(huì)按照分配情況進(jìn)行調(diào)度。
這種方式可以讓所有的線程看起來是同時(shí)運(yùn)行的，即便有一條線程出了問題，也不會(huì)影響其他線程。
主流的平臺(tái)linux的內(nèi)核線程都是搶占式調(diào)度，這種方式的缺點(diǎn)就是接下來要說的上下文切換。
4.線程上下文切換
當(dāng)處理器要運(yùn)行線程時(shí)，除了運(yùn)行代碼外還要有上下文數(shù)據(jù)的支撐。而這里說的“上下文”，以程序員的角度來看，是方法調(diào)用過程中的各種局部的變量與資源；以線程的角度來看，是方法的調(diào)用棧中存儲(chǔ)的各類信息；而以操作系統(tǒng)和硬件的角度來看，則是存儲(chǔ)在內(nèi)存、緩存和寄存器中的一個(gè)個(gè)具體數(shù)值。
物理硬件的各種存儲(chǔ)設(shè)備和寄存器是被操作系統(tǒng)內(nèi)所有線程共享的資源，比如線程A正在運(yùn)行，線程B正在掛起等待運(yùn)行，此時(shí)線程A的時(shí)間片段運(yùn)行完畢了，線程B就會(huì)被調(diào)度。從線程A切換到線程B去執(zhí)行之前，操作系統(tǒng)首先要把線程A的上下文數(shù)據(jù)妥善保管好，然后把寄存器、內(nèi)存分頁等恢復(fù)到線程B掛起時(shí)候的狀態(tài)，這樣線程B被重新激活后才能仿佛從來沒有被掛起過。這種保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的工作，免不了涉及一系列數(shù)據(jù)在各種寄存器、緩存中的來回拷貝，這便是上下文切換，同時(shí)這個(gè)操作不是一個(gè)輕量級(jí)的操作，你想每個(gè)時(shí)間片段是很短的，也就意味著短時(shí)間內(nèi)要做大量的上下文切換，這就一定會(huì)造成很大的時(shí)間消耗。
說到這里，java開發(fā)中的線程是java線程和內(nèi)核線程一比一映射的1:1線程模型，一般java運(yùn)行在linux系統(tǒng)，所以java開發(fā)中常遇到的性能影響點(diǎn)是”用戶態(tài)轉(zhuǎn)換內(nèi)核態(tài)和上下文切換“。
5.java線程
java中的線程類是Thread，它定義了java層面線程創(chuàng)建，線程操作的一些列方法。
java中線程實(shí)現(xiàn)有三種方式：
//1.繼承thread
Student extends Thread
Student xiaoming = new Student("小明",punishment);
xiaoming.start();
//2.實(shí)現(xiàn)Runnable
Student implements Runnable
Thread xiaoming = new Thread(new Student("小明",punishment),"小明");
xiaoming.start();
//3.任務(wù)FutureTask實(shí)現(xiàn)
public static class CallerTask implements Callable<String>{
@Override
public String call() throws Exception{
return "hello";
}
}
public static void main(String[] args) {
//創(chuàng)建異步任務(wù)
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new CallerTask ());
new Thread(futureTask).start();
try{
String result=futureTask.get();
}catch(){
e.printStackTrace();
}
}- 第一種方式繼承Thread類，所以子類也是一個(gè)Thread類，這樣子類是一個(gè)攜帶任務(wù)的線程類，任務(wù)和線程牢牢綁在一起不可分割，且子類繼承Thread類，就再也不能繼承其他類。
- 第二種方式，Runnable是任務(wù)類，子類實(shí)現(xiàn)Runnable后依然是一個(gè)任務(wù)類，而且還能實(shí)現(xiàn)其他的類，這種方式中任務(wù)和線程隔離，一個(gè)任務(wù)可以被多個(gè)線程執(zhí)行。符合java職責(zé)分離的設(shè)計(jì)原則和面向接口編程的原則。
以上兩種方式均沒有返回值，而第三種方式可以支持返回值，后面我們細(xì)講FutureTask。
我們來解析一下上面的前兩種方式：
Thread是java中的線程實(shí)體類，Runable是任務(wù)實(shí)體類，他們兩個(gè)的關(guān)系為，Runable代表任務(wù)，Thread代表任務(wù)的載體，以上面的例子來說，Thread就是企業(yè)內(nèi)的工作人員，而Runable是具體的加工任務(wù)。
public interface Runnable {
public abstract void run();
}Runnable是一個(gè)接口，run是任務(wù)方法，自定一個(gè)類并實(shí)現(xiàn)Runnable類，然后重寫run方法定義具體的任務(wù)邏輯，這個(gè)類就是一個(gè)具體的任務(wù)類。
任務(wù)類自身不能運(yùn)行，需要依賴載體。
public class Thread implements Runnable {
private Runnable target;
public Thread() {
}
public Thread(Runnable target) {
this.target = target;
}
@Override
public void run() {
if (target != null) {
target.run();
}
}
public synchronized void start() {
if (threadStatus != 0)
throw new IllegalThreadStateException();
group.add(this);
boolean started = false;
try {
start0();
started = true;
} finally {
try {
if (!started) {
group.threadStartFailed(this);
}
} catch (Throwable ignore) {
}
}
}
}Thread線程作為任務(wù)的載體，通過實(shí)現(xiàn)Runnable而具備攜帶任務(wù)的能力，通過源碼可知，這個(gè)任務(wù)邏輯可以來自于自身，也可以來自外界傳進(jìn)來的任務(wù)實(shí)體Runnable。
Thread線程除了可以攜帶任務(wù)，更重要的是能夠驅(qū)動(dòng)任務(wù)運(yùn)行，start方法就是啟動(dòng)開關(guān)，其內(nèi)部是本地方法，由jvm內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，不難想象這個(gè)方法的底層一定是調(diào)用了內(nèi)核線程api，與內(nèi)核線程做映射，然后jvm回調(diào)java中的run方法。
6.java線程狀態(tài)
java中的線程具有六種狀態(tài)。
- 新建（New）：創(chuàng)建后尚未啟動(dòng)的線程處于這種狀態(tài)。
- 運(yùn)行（Runnable）：包括操作系統(tǒng)線程狀態(tài)中的Running和Ready，也就是處于此狀態(tài)的線程有可能正在執(zhí)行，也有可能正在等待著操作系統(tǒng)為它分配執(zhí)行時(shí)間。
- 等待（Waiting）：處于這種狀態(tài)的線程不會(huì)被分配處理器執(zhí)行時(shí)間，它們要等待被其他線喚醒。一般在調(diào)用wait方法和sleep方法的時(shí)候處于這種狀態(tài)。
- 阻塞（Blocked）：線程被阻塞了，“阻塞狀態(tài)”與“等待狀態(tài)”的區(qū)別是“阻塞狀態(tài)”在等待著獲取到一個(gè)排它鎖，這個(gè)事件將在另外一個(gè)線程放棄這個(gè)鎖的時(shí)候發(fā)生；而“等待狀態(tài)”則是在等待一段時(shí)間，或者喚醒動(dòng)作的發(fā)生。在程序等待進(jìn)入同步區(qū)域的時(shí)候，線程將進(jìn)入這種狀態(tài)。
- 結(jié)束（Terminated）：已終止線程的線程狀態(tài)，線程已經(jīng)結(jié)束執(zhí)行。
7.java 線程 API
睡眠
public static native void sleep(long millis);
獲取當(dāng)前線程對(duì)象
public static native Thread currentThread();
讓出cpu
public static native void yield();
設(shè)置優(yōu)先級(jí)
public final void setPriority(int newPriority);
阻塞等待執(zhí)行完成
public final void join();
設(shè)置為守護(hù)線程
public final void setDaemon(boolean on);
讓可中斷方法中斷
public void interrupt();
獲取中斷位狀態(tài)
public static boolean interrupted();
獲取中斷位狀態(tài)，并重置
public boolean isInterrupted();這些方法有一些不是很常用，所以了解即可，重點(diǎn)說一下join,interrupt,interrupted,isInterrupted。
join方法是一個(gè)成員方法，調(diào)用某個(gè)線程的join方法，會(huì)讓主線程一直處于wait狀態(tài)（join方法底層源碼中通過不斷調(diào)用wait方法實(shí)現(xiàn)），等待這個(gè)線程處理完成再繼續(xù)執(zhí)行下去。
interrupt是一個(gè)成員方法，這個(gè)方法會(huì)中斷靜止線程，而運(yùn)行中的線程只能被設(shè)置為可中斷標(biāo)志位為true，怎么理解呢？就是說如果線程處于sleep、wait狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候調(diào)用interrupt會(huì)把這個(gè)阻塞狀態(tài)喚醒并拋出異常，之后該線程繼續(xù)運(yùn)行，如果線程正在運(yùn)行中（非Waiting狀態(tài)），此時(shí)調(diào)用interrupt只會(huì)給線程的可中斷狀態(tài)設(shè)置為true,對(duì)線程運(yùn)行不會(huì)有任何影響。
調(diào)用某個(gè)線程的interrupt方法，給線程設(shè)置可中斷狀態(tài)的意義是什么呢？因?yàn)榫€程運(yùn)行過程中可能正在處理數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候如果人為中斷線程是不安全的，所以要等到線程處于一個(gè)安全位置中斷才比較合理，那什么時(shí)候才是安全的位置呢，這個(gè)程序員自己決定，當(dāng)處于安全位置的時(shí)候給一個(gè)可中斷標(biāo)示，這樣中斷的時(shí)候判斷一下可中斷狀態(tài)再?zèng)Q定是否中斷即可。juc源碼中隨處可見該方法的應(yīng)用。
上面說了中斷的時(shí)候判斷一下可中斷的狀態(tài)，interrupted這個(gè)方法就是獲取線程的中斷狀態(tài)，而isInterrupted方法也是獲取線程的可中斷狀態(tài)，不同點(diǎn)在于isInterrupted方法在獲取中斷狀態(tài)后，會(huì)順便把中斷狀態(tài)重置為false。
