Java 语言的并发编程
　　就其自身来说，并发编程是一种技术，提供了操作的同时执行，不论是在单一系统上还是分布在大量系统上。这类操作实际是一些指令顺序，例如单独某个顶级任务的子任务，这类操作能够并行执行，或者是作为线程，或者是作为进程。线程和进程之间的本质区别在于：进程通常是独立的(例如独立的地址空间)，所以只能通过系统提供的进程间通信机制进行交互，而线程通常共享单一进程的状态信息，能够直接共享系统资源和内存中的对象。

　　可以使用下面两种方法之一，通过多个进程来实现并发。第一种方法是在同一个处理器上运行进程，由操作系统处理进程之间的上下文环境切换。(可以理解，这种切换要比同一进程内多线程之间的上下文环境切换更慢。)第二种方法是构建大规模的并行和复杂的分布式系统，在不同的物理处理器上运行多个进程。

　　从内建支持的角度来说，Java 语言通过线程提供并发编程;每个 JVM 都能支持许多线程同时执行。可以用以下两种方法之一在 Java 语言中创建线程：

　　继承 java.lang.Thread 类。在这种情况下，已经重写的子类的 run() 方法必须包含实现线程运行时行为的代码。要执行这个代码，需要实例化子类对象，然后调用对象的 start() 方法，这样就可以在内部执行 run() 方法了。

　　创建 Runnable 接口的定制实现。这个接口只包含一个 run() 方法，在这个方法中，要放置应用程序代码。要执行这个代码，需要实例化实现类的对象，然后在创建新 Thread 时，把对象作为构造函数的参数传入。然后调用新创建的线程对象的 start() 方法，开始执行控制的新线程。

　　线程安全性和同步

　　如果 Java 对象中的某个方法能够安全地运行在多线程环境中，那么就称该方法是 线程安全的。要获得这种安全性，必须有一种机制，通过该机制，运行同一方法的多个线程就能够同步其操作，这样，在访问相同的对象或代码行时，就会只允许一个线程被处理。这种同步要求线程使用叫作 信号 的对象彼此进行沟通。

　　有一种类型的信号叫作 互斥信号 或 互斥体。顾名思义，这个信号对象的拥有权是互斥的，也就是说，在任意指定时间，只有一个线程能够拥有互斥体。其他想获得所有权的线程会被阻塞，它们必须等待，直到拥有互斥体的线程释放互斥体。如果多个线程按顺序排队等候同一互斥体，那么在当前拥有者释放它的时候，只有一个等候线程能够得到它;其他线程将继续阻塞。

　　在 1970 年代初，C.A.R. Hoare 和其他人共同开发了一个叫作 监视器 的概念。一个 监视器 就是一个代码主体，它的访问受到互斥体的保护。任何想执行这个代码的线程，都必须在代码块顶部得到关联的互斥体，然后在底部再释放它。因为在指定时间只有一个线程能够拥有互斥体，所以这就有效地保证了只有拥有它的线程才能执行监视器的代码块。(受保护的代码不需要相邻 —— 例如，Java 语言中的每个对象都有一个与之关联的监视器。)

　　任何想在 Java 语言中进行线程编程的开发人员，都会立即把上面的内容当成 synchronized 关键字所带来的效果。可以确保包含在 synchronized 块中的 Java 代码在指定时间只被一个线程执行。在内部，可以由运行时将 synchronized 关键字转换成某一种情况：所有的竞争线程都试图获得与它们(指线程)正在操作的对象实例关联的那个(惟一的一个)互斥体。成功得到互斥体的线程将运行代码，然后在退出 synchronized 块时释放互斥体。

　　等候和通知

　　wait/notify 构造在 Java 语言的线程间通信机制中也扮演了重要的角色。基本的想法是：一个线程需要的某个条件可以由另外一个线程促成。这样，条件的 wait 就可以得到满足。一旦条件为真，那么引发条件的线程就会 notify 等候线程苏醒，并从中止的地方继续进行。

　　wait/notify 机制要比 synchronized 机制更难理解和判断。要想判断出使用 wait/notify 的方法的行为逻辑，就要求判断出使用它的所有方法的逻辑。一次判断一个方法，把该方法和其他方法隔离开，是对整体系统行为得出错误结论的可靠方式。显然，这样做的复杂性会随着要判断的方法的数量增长而迅速提高。

　　线程状态

　　我前面提到过，必须调用新创建的线程的 start() 方法来启动它的执行。但是，仅仅是调用 start() 方法并不意味着线程会立即开始运行。这个方法只是把线程的状态从 new 变成 runnable。只有在操作系统真正安排线程执行的时候，线程状态才会变成 running (从 runnable)。

　　典型的操作系统支持两种线程模型 —— 协作式和抢占式。在协作式 模型中，每个线程对于自己对 CPU 的控制权要保留多久、什么时候放弃有最终意见。在这个模型中，因为可能存在某个无赖线程占住控制权不放，所以其他线程可能永远无法得到运行。在 抢占式 模型中，操作系统本身采用基于时钟“滴答的计时器，基于这个计时器，操作系统可以强制把控制权从一个线程转移到另外一个线程。在这种情况下，决定哪个线程会得到下一次控制权的调度策略就有可能基于各种指标，例如相对优先级、某个线程已经等待执行的时间长短，等等。

　　如果出于某些原因，处在 running 状态的线程需要等候某个资源(例如，等候设备的输入数据到达，或者等候某些条件已经设定的通知)，或者在试图获得互斥体的时候被阻塞，因此线程决定睡眠，那么这时它可以进入 blocked 状态。当睡眠周期到期、预期输入到达，或者互斥体当前的拥有者将其释放并通知等候线程可以再次夺取互斥体时，阻塞的线程重新进入 runnable 状态。

　　当线程的 run() 方法完成时(或者正常返回，或者抛出 RuntimeException 这样的未检测到异常)，线程将终止。这时，线程的状态是 dead。当线程死亡时，就不能通过再次调用它的 start() 方法来重新启动它，如果那么做，则会抛出 InvalidThreadStateException 异常。

　　四个常见缺陷

　　正如我已经展示过的，Java 语言中的多线程编程是通过语言支持的大量精心设计的构造实现的。另外，还设计了大量设计模式和指导原则，来帮助人们了解这种复杂性带来的许多缺陷。除此之外，多线程编程会很容易地在不经意间把细微的 bug 带进多线程代码，而且更重要的是，这类问题分析和调试起来非常困难。接下来要介绍的是用 Java 语言进行多线程编程时将会遇到(或者可能已经遇到过)的最常见问题的一个列表。

标签： 编程