线程

发展简史

　　线程的引入：

　　60年代，在OS中能拥有资源和独立运行的基本单位是进程，然而随着计算机技术的发展，进程出现了很多弊端，一是由于进程是资源拥有者，创建、撤消与切换存在较大的时空开销，因此需要引入轻型进程；二是由于对称多处理机（SMP）出现，可以满足多个运行单位，而多个进程并行开销过大。

　　因此在80年代，出现了能独立运行的基本单位——线程（Threads）。

适用范围

　　1.服务器中的文件管理或通信控制

　　线程

　　线程

　　2.前后台处理

　　3.异步处理

特点

　　线程的使用

　　线程的使用

　　在多线程OS中，通常是在一个进程中包括多个线程，每个线程都是作为利用CPU的基本单位，是花费最小开销的实体。线程具有以下属性。

　　1）轻型实体

　　线程中的实体基本上不拥有系统资源，只是有一点必不可少的、能保证独立运行的资源。

　　线程的实体包括程序、数据和TCB。线程是动态概念，它的动态特性由线程控制块TCB（Thread Control Block）描述。TCB包括以下信息：

　　（1）线程状态。

　　（2）当线程不运行时，被保存的现场资源。

　　（3）一组执行堆栈。

　　（4）存放每个线程的局部变量主存区。

　　（5）访问同一个进程中的主存和其它资源。

　　用于指示被执行指令序列的程序计数器、保留局部变量、少数状态参数和返回地址等的一组寄存器和堆栈。

　　2）独立调度和分派的基本单位。

　　在多线程OS中，线程是能独立运行的基本单位，因而也是独立调度和分派的基本单位。由于线程很“轻”，故线程的切换非常迅速且开销小（在同一进程中的）。

　　3）可并发执行。

　　在一个进程中的多个线程之间，可以并发执行，甚至允许在一个进程中所有线程都能并发执行；同样，不同进程中的线程也能并发执行，充分利用和发挥了处理机与外围设备并行工作的能力。

　　4）共享进程资源。

　　在同一进程中的各个线程，都可以共享该进程所拥有的资源，这首先表现在：所有线程都具有相同的地址空间（进程的地址空间），这意味着，线程可以访问该地址空间的每一个虚地址；此外，还可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量机构等。由于同一个进程内的线程共享内存和文件，所以线程之间互相通信不必调用内核。

与进程比较

　　进程是资源分配的基本单位。所有与该进程有关的资源，都被记录在进程控制块PCB中。以表示该进程拥有这些资源或正在使用它们。

　　另外，进程也是抢占处理机的调度单位，它拥有一个完整的虚拟地址空间。当进程发生调度时，不同的进程拥有不同的虚拟地址空间，而同一进程内的不同线程共享同一地址空间。

　　与进程相对应，线程与资源分配无关，它属于某一个进程，并与进程内的其他线程一起共享进程的资源。

　　线程只由相关堆栈（系统栈或用户栈）寄存器和线程控制表TCB组成。寄存器可被用来存储线程内的局部变量，但不能存储其他线程的相关变量。

　　通常在一个进程中可以包含若干个线程，它们可以利用进程所拥有的资源。在引入线程的操作系统中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位，而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位。由于线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，故对它的调度所付出的开销就会小得多，能更高效的提高系统内多个程序间并发执行的程度，从而显著提高系统资源的利用率和吞吐量。因而近年来推出的通用操作系统都引入了线程，以便进一步提高系统的并发性，并把它视为现代操作系统的一个重要指标。

　　线程与进程的区别可以归纳为以下4点：

　　1）地址空间和其它资源（如打开文件）：进程间相互独立，同一进程的各线程间共享。某进程内的线程在其它进程不可见。

　　2）通信：进程间通信IPC，线程间可以直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通信——需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。

　　3）调度和切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。

　　4）在多线程OS中，进程不是一个可执行的实体。

线程的同步

　　线程的同步是Java多线程编程的难点，往往开发者搞不清楚什么是竞争资源、什么时候需要考虑同步，怎么同步等等问题，当然，这些问题没有很明确的答案，但有些原则问题需要考虑，是否有竞争资源被同时改动的问题？对于同步，在具体的Java代码中需要完成以下两个操作：把竞争访问的资源标识为private；同步哪些修改变量的代码，使用synchronized关键字同步方法或代码。当然这不是唯一控制并发安全的途径。synchronized关键字使用说明synchronized只能标记非抽象的方法，不能标识成员变量。为了演示同步方法的使用，构建了一个信用卡账户，起初信用额为100w，然后模拟透支、存款等多个操作。显然银行账户User对象是个竞争资源，而多个并发操作的是账户方法oper(int x），当然应该在此方法上加上同步，并将账户的余额设为私有变量，禁止直接访问。

　　工作原理

　　线程是进程中的实体，一个进程可以拥有多个线程，一个线程必须有一个父进程。线程不拥有系统资源，只有运行必须的一些数据结构；它与父进程的其它线程共享该进程所拥有的全部资源。线程可以创建和撤消线程，从而实现程序的并发执行。一般，线程具有就绪、阻塞和运行三种基本状态。

　　在多中央处理器的系统里，不同线程可以同时在不同的中央处理器上运行，甚至当它们属于同一个进程时也是如此。大多数支持多处理器的操作系统都提供编程接口来让进程可以控制自己的线程与各处理器之间的关联度（affinity）。

　　有时候，线程也称作轻量级进程。就象进程一样，线程在程序中是独立的、并发的执行路径，每个线程有它自己的堆栈、自己的程序计数器和自己的局部变量。但是，与分隔的进程相比，进程中的线程之间的隔离程度要小。它们共享内存、文件句柄和其它每个进程应有的状态。

　　进程可以支持多个线程，它们看似同时执行，但互相之间并不同步。一个进程中的多个线程共享相同的内存地址空间，这就意味着它们可以访问相同的变量和对象，而且它们从同一堆中分配对象。尽管这让线程之间共享信息变得更容易，但您必须小心，确保它们不会妨碍同一进程里的其它线程。

　　Java 线程工具和 API看似简单。但是，编写有效使用线程的复杂程序并不十分容易。因为有多个线程共存在相同的内存空间中并共享相同的变量，所以您必须小心，确保您的线程不会互相干扰。

　　线程属性

　　为了正确有效地使用线程，必须理解线程的各个方面并了解Java 实时系统。必须知道如何提供线程体、线程的生命周期、实时系统如 何调度线程、线程组、什么是幽灵线程（Demo nThread）。

　　线程体

　　所有的操作都发生在线程体中，在Java中线程体是从Thread类继承的run（）方法，或实现Runnable接口的类中的run（）方法。当线程产生并初始化后，实时系统调用它的run（）方法。run（）方法内的代码实现所产生线程的行为，它是线程的主要部分。

　　线程状态

　　线程的状态

　　线程的状态

　　附图表示了线程在它的生命周期内的任何时刻所能处的状态以及引起状态改变的方法。这图并不是完整的有限状态图，但基本概括了线程中比较感兴趣和普遍的方面。以下讨论有关线程生命周期以此为据。

　　●新线程态（New Thread)

　　产生一个Thread对象就生成一个新线程。当线程处于"新线程"状态时，仅仅是一个空线程对象，它还没有分配到系统资源。因此只能启动或终止它。任何其他操作都会引发异常。例如，一个线程调用了new方法之后，并在调用start方法之前的处于新线程状态，可以调用start和stop方法。

　　●可运行态（Runnable)

　　start（）方法产生运行线程所必须的资源，调度线程执行，并且调用线程的run（）方法。在这时

　　线程的生命状态与周期

　　线程的生命状态与周期

　　线程处于可运行态。该状态不称为运行态是因为这时的线程并不总是一直占用处理机。特别是对于只有一个处理机的PC而言，任何时刻只能有一个处于可运行态的线程占用处理 机。Java通过调度来实现多线程对处理机的共享。注意，如果线程处于Runnable状态，它也有可能不在运行，这是因为还有优先级和调度问题。

　　●阻塞/非运行态（Not Runnable)

　　当以下事件发生时，线程进入非运行态。

　　①suspend()方法被调用；

　　②sleep()方法被调用；

　　③线程使用wait()来等待条件变量；

　　④线程处于I/O请求的等待。

　　●死亡态（Dead)

　　当run（）方法返回，或别的线程调用stop（）方法，线程进入死亡态。通常Applet使用它的stop（）方法来终止它产生的所有线程。

　　线程的本操作：

　　派生：线程在进程内派生出来，它即可由进程派生，也可由线程派生。

　　阻塞（Block）：如果一个线程在执行过程中需要等待某个事件发生，则被阻塞。

　　激活（unblock）：如果阻塞线程的事件发生，则该线程被激活并进入就绪队列。

　　调度（schedule）：选择一个就绪线程进入执行状态。

　　结束（Finish）：如果一个线程执行结束，它的寄存器上下文以及堆栈内容等将被释放。

　　图2 线程的状态与操作

　　线程的另一个执行特性是同步。线程中所使用的同步控制机制与进程中所使用的同步控制机制相同。

　　线程优先级

　　虽然我们说线程是并发运行的。然而事实常常并非如此。正如前面谈到的，当系统中只有一个CPU时，以某种顺序在单CPU情况下执行多线程被称为调度（scheduling）。Java采用的是一种简单、固定的调度法，即固定优先级调度。这种算法是根据处于可运行态线程的相对优先级来实行调度。当线程产生时，它继承原线程的优先级。在需要时可对优先级进行修改。在任何时刻，如果有多条线程等待运行，系统选择优先级最高的可运行线程运行。只有当它停止、自动放弃、或由于某种原因成为非运行态低优先级的线程才能运行。如果两个线程具有相同的优先级，它们将被交替地运行。　Java实时系统的线程调度算法还是强制性的，在任何时刻，如果一个比其他线程优先级都高的线程的状态变为可运行态，实时系统将选择该线程来运行。一个应用程序可以通过使用线程中的方法setPriority(int），来设置线程的优先级大小。

　　有线程进入了就绪状态，需要有线程调度程序来决定何时执行，根据优先级来调度。