線(xiàn)程是進(jìn)程中的一個(gè)獨(dú)立控制單元，線(xiàn)程在控制著進(jìn)程的執(zhí)行，一個(gè)進(jìn)程中至少有一個(gè)線(xiàn)程。多線(xiàn)程可以更好地利用cpu的資源，線(xiàn)程之間還能進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。在IT中，一個(gè)線(xiàn)程是指進(jìn)程中的一個(gè)執(zhí)行流程，一個(gè)進(jìn)程可以運(yùn)行多個(gè)線(xiàn)程，IT中每個(gè)線(xiàn)程都有一個(gè)調(diào)用棧，即使不在程序中創(chuàng)建任何新的線(xiàn)程，也有一個(gè)main()方法運(yùn)行在一個(gè)線(xiàn)程內(nèi)，稱(chēng)為主線(xiàn)程，一旦創(chuàng)建一個(gè)新的線(xiàn)程，就產(chǎn)生一個(gè)新的調(diào)用棧。通過(guò)該專(zhuān)題課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，讓大家一次性搞明白IT中的多線(xiàn)程。

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課程目標(biāo)：通過(guò)本系列課程的學(xué)習(xí)，一次性搞明白多線(xiàn)程，提升自身技術(shù)能力與價(jià)值。

適用人群：具有IT基礎(chǔ)的人群，希望系統(tǒng)學(xué)習(xí)IT多線(xiàn)程的人群。

1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

使用高速緩存來(lái)作為內(nèi)存與處理器之間的緩沖，將運(yùn)算需要用到的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中，讓計(jì)算能快速進(jìn)行；當(dāng)運(yùn)算結(jié)束后再?gòu)木彺嫱交貎?nèi)存之中，這樣處理器就無(wú)需等待緩慢的內(nèi)存讀寫(xiě)了。

緩存一致性：多處理器系統(tǒng)中，因?yàn)楣蚕硗恢鲀?nèi)存，當(dāng)多個(gè)處理器的運(yùn)算任務(wù)都設(shè)計(jì)到同一塊內(nèi)存區(qū)域時(shí)，將可能導(dǎo)致各自的緩存數(shù)據(jù)不一致的情況，則同步回主內(nèi)存時(shí)需要遵循一些協(xié)議。

亂序執(zhí)行優(yōu)化：為了使得處理器內(nèi)部的運(yùn)算單位能盡量被充分利用。

2.Java內(nèi)存模型

目標(biāo)是定義程序中各個(gè)變量的訪(fǎng)問(wèn)規(guī)則。(包括實(shí)例字段、靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組的元素，不包括局部變量和方法參數(shù))

所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中(虛擬機(jī)內(nèi)存的一部分)。

每條線(xiàn)程都由自己的工作內(nèi)存，線(xiàn)程的工作內(nèi)存中保存了該線(xiàn)程使用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝，線(xiàn)程對(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫(xiě)主內(nèi)存中的變量。

線(xiàn)程之間無(wú)法直接訪(fǎng)問(wèn)對(duì)方的工作內(nèi)存中的變量，線(xiàn)程間變量的傳遞均需要通過(guò)主內(nèi)存來(lái)完成。

內(nèi)存間交互操作：

Lock(鎖定)：作用于主內(nèi)存中的變量，把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一條線(xiàn)程獨(dú)占的狀態(tài)。

Read(讀取)：作用于主內(nèi)存中的變量，把一個(gè)變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€(xiàn)程的工作內(nèi)存中。

Load(加載)：作用于工作內(nèi)存中的變量，把read操作從主內(nèi)存中得到的變量的值放入工作內(nèi)存的變量副本中。

Use(使用)：作用于工作內(nèi)存中的變量，把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳遞給執(zhí)行引擎。

Assign(賦值)：作用于工作內(nèi)存中的變量，把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存中的變量。

Store(存儲(chǔ))：作用于工作內(nèi)存中的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存中。

Write(寫(xiě)入)：作用于主內(nèi)存中的變量，把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值放入主內(nèi)存的變量中。

Unlock(解鎖)：作用于主內(nèi)存中的變量，把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來(lái)，之后可被其它線(xiàn)程鎖定。

規(guī)則：

不允許read和load、store和write操作之一單獨(dú)出現(xiàn)。

不允許一個(gè)線(xiàn)程丟棄最近的assign操作，變量在工作內(nèi)存中改變了之后必須把該變化同步回主內(nèi)存中。

不允許一個(gè)線(xiàn)程沒(méi)有發(fā)生過(guò)任何assign操作把數(shù)據(jù)從線(xiàn)程的工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存中。

一個(gè)新的變量只能在主內(nèi)存中誕生。

一個(gè)變量在同一時(shí)刻只允許一條線(xiàn)程對(duì)其進(jìn)行l(wèi)ock操作，但可以被同一條線(xiàn)程重復(fù)執(zhí)行多次。

如果對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行l(wèi)ock操作，將會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前，需要重新執(zhí)行read、load操作。

如果一個(gè)變量事先沒(méi)有被lock操作鎖定，則不允許對(duì)它執(zhí)行unlock操作。

8.對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作前，必須先把該變量同步回主內(nèi)存中。

3.volatile型變量

保證此變量對(duì)所有線(xiàn)程的可見(jiàn)性。每條線(xiàn)程使用此類(lèi)型變量前都需要先刷新，執(zhí)行引擎看不到不一致的情況。

運(yùn)算結(jié)果并不依賴(lài)變量的當(dāng)前值、或者確保只有單一的線(xiàn)程修改變量的值。

變量不需要與其他的狀態(tài)變量共同參與不變約束。

禁止指令重排序優(yōu)化。普通的變量?jī)H保證在方法執(zhí)行過(guò)程中所有依賴(lài)賦值結(jié)果的地方都能獲取到正確的結(jié)果。而不能保證賦值操作的順序與程序代碼中的順序一致。

load必須與use同時(shí)出現(xiàn)；assign和store必須同時(shí)出現(xiàn)。

4.原子性、可見(jiàn)性與有序性

原子性：基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的訪(fǎng)問(wèn)讀寫(xiě)是具備原子性的，synchronized塊之間的操作也具備原子性。

可見(jiàn)性：指當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程修改了共享變量的值，其他線(xiàn)程能夠立即得知這個(gè)修改。synchronized(規(guī)則8)和final可以保證可見(jiàn)性。Final修飾的字段在構(gòu)造器中一旦被初始化完成，并且構(gòu)造器沒(méi)有把this的引用傳遞出去，那么在其他線(xiàn)程中就能看見(jiàn)final字段的值。

有序性：volatile本身包含了禁止指令重排序的語(yǔ)義，而synchronized則是由規(guī)則5獲得的，這個(gè)規(guī)則決定了持有同一個(gè)所的兩個(gè)同步塊只能串行地進(jìn)入。

5.先行發(fā)生原則

IT內(nèi)存模型中定義的兩項(xiàng)操作之間的偏序關(guān)系，如果操作A先行發(fā)生于操作B，其實(shí)就是說(shuō)在發(fā)生操作B之前，操作A產(chǎn)生的影響能被操作B觀察到。

程序次序規(guī)則：在一個(gè)線(xiàn)程內(nèi)，按照代碼控制流順序，在前面的操作先行發(fā)生于后面的操作。

管程鎖定規(guī)則：一個(gè)unlock操作先行發(fā)生于后面對(duì)同一個(gè)鎖的lock操作。

Volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile變量的寫(xiě)操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作。

線(xiàn)程啟動(dòng)規(guī)則：Thread對(duì)象的start()方法先行發(fā)生于此線(xiàn)程的每個(gè)操作。

線(xiàn)程終止規(guī)則：線(xiàn)程中的所有操作都先行發(fā)生于對(duì)此線(xiàn)程的終止檢測(cè)。

線(xiàn)程中斷規(guī)則：對(duì)線(xiàn)程的interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線(xiàn)程的代碼檢測(cè)中斷事件的發(fā)生。

對(duì)象終結(jié)過(guò)則：一個(gè)對(duì)象的初始化完成先行發(fā)生于它的finalize()方法的開(kāi)始。

傳遞性：如果操作A先行發(fā)生于操作B，操作B現(xiàn)象發(fā)生于操作C，那么就可以得出操作A先行發(fā)生于操作C的結(jié)論。

時(shí)間上的先后順序與先行發(fā)生原則之間基本上沒(méi)有太大的關(guān)系。

6.線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)

使用內(nèi)核線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)：

內(nèi)核線(xiàn)程Kernel Thread：直接由操作系統(tǒng)內(nèi)核支持的線(xiàn)程，這種線(xiàn)程由內(nèi)核類(lèi)完成線(xiàn)程切換，內(nèi)核通過(guò)操縱調(diào)度器對(duì)線(xiàn)程進(jìn)行調(diào)度，并負(fù)責(zé)將線(xiàn)程的任務(wù)映射到各個(gè)處理器上。

輕量級(jí)進(jìn)程Light Weight Process：每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都由一個(gè)內(nèi)核線(xiàn)程支持。

局限性：各種進(jìn)程操作都需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用(系統(tǒng)調(diào)用代價(jià)相對(duì)較高，需要在用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)中來(lái)回切換)；輕量級(jí)進(jìn)程要消耗一定的內(nèi)核資源，一次一個(gè)系統(tǒng)支持輕量級(jí)進(jìn)程的數(shù)量是有限的。

使用用戶(hù)線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)：

用戶(hù)線(xiàn)程：完全建立在用戶(hù)空間的線(xiàn)程庫(kù)上，系統(tǒng)內(nèi)核不能直接感知到線(xiàn)程存在的實(shí)現(xiàn)。用戶(hù)線(xiàn)程的建立、同步、銷(xiāo)毀和調(diào)度完全在用戶(hù)態(tài)中完成，不需要內(nèi)核的幫助。所有的線(xiàn)程操作都需要用戶(hù)程序自己處理。

混合實(shí)現(xiàn)：

將內(nèi)核線(xiàn)程和用戶(hù)線(xiàn)程一起使用的方式。操作系統(tǒng)提供支持的輕量級(jí)進(jìn)程則作為用戶(hù)線(xiàn)程和內(nèi)核線(xiàn)程之間的橋梁。

Sun JDK，它的Windows版和Linux版都是使用一對(duì)一的線(xiàn)程模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一條IT線(xiàn)程映射到一條輕量級(jí)進(jìn)程之中。

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