第三章线程

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。引入线程的原因包括：

用户级线程（User-Level Threads，ULTs）：
- 由用户空间的线程库管理，不依赖于操作系统的内核。
- 调度算法由线程库实现。
- 上下文切换快，不涉及内核态与用户态的切换。
内核级线程（Kernel-Level Threads，KLTs）：
- 由操作系统内核管理。
- 调度由操作系统负责。
- 可以利用多处理器，但上下文切换开销较大。

多对一模型（Many-to-One）：
- 多个用户级线程映射到一个内核级线程。
- 优点是线程管理简单，上下文切换快。
- 缺点是如果一个线程执行系统调用阻塞，整个进程都会被阻塞。
一对一模型（One-to-One）：
- 每个用户级线程映射到一个内核级线程。
- 可以利用多处理器，一个线程的阻塞不会影响其他线程。
- 缺点是创建和管理的开销大。
多对多模型（Many-to-Many）：
- 多个用户级线程映射到多个内核级线程。
- 结合了多对一和一对一的优点，提供了更好的并发性和响应性。
- 管理复杂，需要线程库和内核之间良好的协作。

线程和多线程模型的选择取决于应用程序的需求、目标平台和操作系统的支持。

线程在其生命周期内可以处于以下几种状态，并且可以在一定条件下相互转换：

新建（New）：
- 状态描述：当使用 new 关键字创建一个线程后，直到调用 start() 方法之前，线程处于新建状态。
- 转换条件：调用 start() 方法。
就绪（Runnable）：
- 状态描述：线程调用 start() 方法后，进入就绪状态。就绪状态的线程位于可运行池中，等待被线程调度器选中获取CPU的执行时间。
- 转换条件：线程调度器选中该线程。
运行（Running）：
- 状态描述：线程获得CPU时间，执行程序代码。
- 转换条件：时间片用完；更高优先级的线程需要运行；线程自己调用 yield() 方法；线程被调度器终止。
阻塞（Blocked）：
- 状态描述：线程因为某些原因放弃CPU，暂时停止运行。阻塞状态是线程阻塞在进入同步代码块/方法或等待某个条件发生。
- 转换条件：获取锁；等待的条件成立。
等待（Waiting）：
- 状态描述：线程等待其他线程执行特定操作（通知）。
- 转换条件：其他线程发出通知。
超时等待（Timed Waiting）：
- 状态描述：线程在一定时间内等待另一个线程的通知。
- 转换条件：时间到达；其他线程发出通知。
终止（Terminated）：
- 状态描述：线程的 run() 方法执行完成，或者线程调用了 stop() 方法，或者因为一个未捕获的异常导致线程终止。
- 转换条件：线程执行结束。

线程的组织与控制主要涉及以下几个方面：

线程的创建：
- 继承 Thread 类并重写 run() 方法。
- 实现 Runnable 接口的 run() 方法。
- 使用 Executor 框架创建线程池。
线程的调度：
- 分时调度：所有线程轮流使用 CPU 的使用权，平均分配每个线程占用 CPU 的时间。
- 抢占式调度：优先让优先级高的线程使用 CPU，如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个，Java 默认采用抢占式调度。
线程的控制：
- 线程睡眠：Thread.sleep(long millis)，让线程暂停执行指定的时间。
- 线程让步：Thread.yield()，暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。
- 线程加入：join()，等待其他线程终止。
- 线程中断：interrupt()，中断线程的阻塞状态。
线程同步：
- 使用 synchronized 关键字实现同步方法或同步代码块。
- 使用 Lock 显示锁控制临界区。
线程通信：
- 使用 Object 类的 wait()、notify()、notifyAll() 方法进行线程通信。
线程池管理：
- 通过 Executors 工厂类创建不同类型的线程池。
- 使用 ThreadPoolExecutor 自定义线程池。

线程的正确使用和管理对于提高程序的性能和稳定性至关重要。在多线程编程中，需要注意线程安全、资源共享和合理利用系统资源。

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