【进程和线程的联系&&保证多线程的并发安全&&线程同步以及同步方式&&Java中线程的状态&&Java中常用的锁以及原理】

操作系统中进程和线程的关系

线程是操作系统调度的最小单元,它可以让一个进程并发地处理多个任务,也叫轻量级进程。所以,在一个进程里可以创建多个线程,这些线程都拥有各自的计数器、堆栈、局部变量,并且能够共享进程内的资源。由于共享资源,处理器便可以在这些线程之间快速切换,从而让使用者感觉这些线程在同时执行。 总的来说,操作系统可以同时执行多个任务,每个任务就是一个进程。进程可以同时执行多个任务,每个任务就是一个线程。一个程序运行之后至少有一个进程,而一个进程可以包含多个线程,但至少要包含一个线程。 具体关系如下图所示：

怎么保证多线程的并发安全？

Java保证线程安全的方式有很多,共有7种，其中较为常用的有三种,按照资源占用情况由轻到重排列,这三种保证线程安全的方式分别是原子类、volatile、锁。

1. JDK从1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包,这个包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式。在atomic包里一共提供了17个类,按功能可以归纳为4种类型的原子更新方式,分别是原子更新基本类型、原子更新引用类型、原子更新属性、原子更新数组。无论原子更新哪种类型,都要遵循“比较和替换”规则(CAS的方式),即比较要更新的值是否等于期望值,如果是则更新,如果不是则失败。

2. volatile是轻量级的synchronized,它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”,从而可以保证单个变量读写时的线程安全。可见性问题是由处理器核心的缓存导致的,每个核心均有各自的缓存,而这些缓存均要与内存进行同步。volatile具有如下的内存语义：当写一个volatile变量时,该线程本地内存中的共享变量的值会被立刻刷新到主内存；当读一个volatile变量时,该线程本地内存会被置为无效,迫使线程直接从主内存中读取共享变量。

3. 原子类和volatile只能保证单个共享变量的线程安全,锁则可以保证临界区内的多个共享变量的线程安全,Java中加锁的方式有两种,分别是synchronized关键字和Lock接口。synchronized是比较早期的API,在设计之初没有考虑到超时机制、非阻塞形式,以及多个条件变量。若想通过升级的方式让它支持这些相对复杂的功能,则需要大改它的语法结构,不利于兼容旧代码。因此,JDK的开发团队在1.5新增了Lock接口,并通过Lock支持了上述的功能,即：支持响应中断、支持超时机制、支持以非阻塞的方式获取锁、支持多个条件变量（阻塞队列）。

   实现线程安全的方式有很多,除了上述三种方式之外,还有如下几种方式：

4. 无状态设计 线程安全问题是由多线程并发修改共享变量引起的,如果在并发环境中没有设计共享变量,则自然就不会出现线程安全问题了。这种代码实现可以称作“无状态实现”,所谓状态就是指共享变量。

5. 不可变设计 如果在并发环境中不得不设计共享变量,则应该优先考虑共享变量是否为只读的,如果是只读场景就可以将共享变量设计为不可变的,这样自然也不会出现线程安全问题了。具体来说,就是在变量前加final修饰符,使其不可被修改,如果变量是引用类型,则将其设计为不可变类型（参考String类）。

6. 并发工具 java.util.concurrent包提供了几个有用的并发工具类,一样可以保证线程安全： - Semaphore：就是信号量,可以控制同时访问特定资源的线程数量。 - CountDownLatch：允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。 - CyclicBarrier：让一组线程到达一个屏障时被阻塞,直到最后一个线程到达屏障时,屏障才会打开,所有被屏障拦截的线程才会继续运行。

7. 本地存储 我们也可以考虑使用ThreadLocal存储变量,ThreadLocal可以很方便地为每一个线程单独存一份数据,也就是将需要并发访问的资源复制成多份。这样一来,就可以避免多线程访问共享变量了,它们访问的是自己独占的资源,它从根本上隔离了多个线程之间的数据共享。

什么是线程同步？线程同步的概念?

线程同步：即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作， 其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程又处于等待状态，实现线程同步的方法有很多，临界区对象就是其中一种。

通过线程同步方式解决多线程并发下线程安全问题(上面对应解决方案)、线程同步是解决线程安全的一种方式，还有其它方式(参考上面)

线程同步的方式？

Java主要通过加锁的方式实现线程同步,而锁有两类,分别是synchronized和Lock。 synchronized可以加在三个不同的位置,对应三种不同的使用方式,这三种方式的区别是锁对象不同：

1. 加在普通方法上,则锁是当前的实例（this）。
2. 加在静态方法上,则锁是当前类的Class对象。
3. 加在代码块上,则需要在关键字后面的小括号里,显式指定一个对象作为锁对象。 不同的锁对象,意味着不同的锁粒度,所以我们不应该无脑地将它加在方法前了事,尽管通常这可以解决问题。而是应该根据要锁定的范围,准确的选择锁对象,从而准确地确定锁的粒度,降低锁带来的性能开销。

synchronized和Lock一些功能的异同以及技术演进的过程:
synchronized是比较早期的API,在设计之初没有考虑到超时机制、非阻塞形式,以及多个条件变量。若想通过升级的方式让synchronized支持这些相对复杂的功能,则需要大改它的语法结构,不利于兼容旧代码。因此,JDK的开发团队在1.5引入了Lock接口,并通过Lock支持了上述的功能。Lock支持的功能包括：支持响应中断、支持超时机制、支持以非阻塞的方式获取锁、支持多个条件变量（阻塞队列）

synchronized和Lock底层实现的原理:
synchronized采用“CAS+Mark Word”实现,为了性能的考虑,并通过锁升级机制降低锁的开销。在并发环境中,synchronized会随着多线程竞争的加剧,按照如下步骤逐步升级：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。 Lock则采用“CAS+volatile”实现,其实现的核心是AQS。AQS是线程同步器,是一个线程同步的基础框架,它基于模板方法模式。在具体的Lock实例中,锁的实现是通过继承AQS来实现的,并且可以根据锁的使用场景,派生出公平锁、不公平锁、读锁、写锁等具体的实现。

Java中线程的6种状态(源码中有体现)

Java线程在运行的生命周期中,在任意给定的时刻,只能处于下列6种状态之一：

1. NEW ：初始状态,线程被创建,但是还没有调用start方法。

2. RUNNABLE：可运行状态,线程正在JVM中执行,但是有可能在等待操作系统的调度。

3. BLOCKED ：阻塞状态,线程正在等待获取监视器锁。

4. WTING ：等待状态,线程正在等待其他线程的通知或中断。

5. TIMED_WTING：超时等待状态,在WTING的基础上增加了超时时间,即超出时间自动返回。

6. TERMINATED：终止状态,线程已经执行完毕。

   线程整个过程的转移:

   线程在创建之后默认为初始状态,在调用start方法之后进入可运行状态,可运行状态不代表线程正在运行,它有可能正在等待操作系统的调度。进入等待状态的线程需要其他线程的通知才能返回到可运行状态,而超时等待状态相当于在等待状态的基础上增加了超时限制,除了他线程的唤醒,在超时时间到达时也会返回运行状态。此外,线程在执行同步方法时,在没有获取到锁的情况下,会进入到阻塞状态。线程在执行完run方法之后,会进入到终止状态。

   线程状态的注意事项：

   Java将操作系统中的就绪和运行两个状态合并为可运行状态（RUNNABLE）。线程阻塞于synchronized的监视器锁时会进入阻塞状态,而线程阻塞于Lock锁时进入的却是等待状态,这是因为Lock接口实现类对于阻塞的实现均使用了LockSupport类中的相关方法。

Java中常用的锁以及原理

Java中加锁有两种方式,分别是synchronized关键字和Lock接口,而Lock接口的经典实现是ReentrantLock。另外还有ReadWriteLock接口,它的内部设计了两把锁分别用于读写,这两把锁都是Lock类型,它的经典实现是ReentrantReadWriteLock。其中,synchronized的实现依赖于对象头,Lock接口的实现则依赖于AQS。 synchronized的底层是采用Java对象头来存储锁信息的,对象头包含三部分,分别是Mark Word、Class Metadata Address、Array length。其中,Mark Word用来存储对象的hashCode及锁信息,Class Metadata Address用来存储对象类型的指针,而Array length则用来存储数组对象的长度。 AQS是队列同步器,是用来构建锁的基础框架,Lock实现类都是基于AQS实现的。AQS是基于模板方法模式进行设计的,所以锁的实现需要继承AQS并重写它指定的方法。AQS内部定义了一个FIFO的队列来实现线程的同步,同时还定义了同步状态来记录锁的信息。 ReentrantLock通过内部类Sync定义了锁,它还定义了Sync的两个子类FrSync和NonfrSync,这两个子类分别代表公平锁和非公平锁。Sync继承自AQS,它不仅仅使用AQS的同步状态记录锁的信息,还利用同步状态记录了重入次数。同步状态是一个整数,当它为0时代表无锁,当它为N时则代表线程持有锁并重入了N次。 ReentrantReadWriteLock支持重入的方式与ReentrantLock一致,它也定义了内部类Sync,并定义出两个子类FrSync和NonfrSync来实现公平锁和非公平锁。此外,ReentrantReadWriteLock内部包含读和写两把锁,这两把锁都是由Sync来实现的。区别在于读锁支持共享,即多个线程可以同时加读锁成功,而写锁是互斥的,即只能有一个线程加锁成功。

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