1.JUC-Java线程
Java线程
1. 创建和运行线程
方法一，直接使用 Thread
方法二，使用 Runnable 配合 Thread
原理之Thread与Runnable的关系
小结
- 方法1 是把线程和任务合并在了一起，方法2 是把线程和任务分开了(推荐)组合优先于继承
- 用 Runnable 更容易与线程池等高级 API 配合
- 用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活
方法三，Future Task 配合 Thread
FutureTask 能够接收 Callable 类型的参数，用来处理有返回结果的情况
@Slf4j(topic = "c.Test")
public class Test {
public static void main(String[] args) {
// 创建任务对象
FutureTask<Integer> task3 = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
@Override
public Integer call() throws Exception {
log.debug("hello");
return 100;
}
});
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
new Thread(task3, "t3").start();
// 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
Integer result = null;
try {
result = task3.get();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug("结果是:{}", result);
}
}
2. 查看进程线程的方法
windows
- 任务管理器可以查看进程和线程数，也可以用来杀死进程
- tasklist 查看进程
- taskkill 杀死进程
linux
- ps -fe 查看所有进程
- ps -fT -p 查看某个进程（PID）的所有线程
- kill 杀死进程
- top 按大写 H 切换是否显示线程
- top -H -p 查看某个进程（PID）的所有线程
Java
- jps 命令查看所有 Java 进程
- jstack 查看某个 Java 进程（PID）的所有线程状态
- jconsole 来查看某个 Java 进程中线程的运行情况（图形界面）
3. 原理之线程运行
栈与栈帧
Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈）
我们都知道 JVM 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存是给谁用的呢？其实就是线程，每个线程启动后，虚拟机就会为其分配一块栈内存。
- 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
- 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法
线程上下文切换（Thread Context Switch）
因为以下一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码
- 线程的 cpu 时间片用完
- 垃圾回收
- 有更高优先级的线程需要运行
- 线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法
当 Context Switch 发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应的概念就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条 jvm 指令的执行地址，是线程私有的
- 状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等
- Context Switch 频繁发生会影响性能（线程数超过 CPU 核心导致轮流切换，切换浪费时间）
4. 常见方法
| 方法名 | static | 功能说明 | 注意 |
|---|---|---|---|
| start() | 启动一个新线程，在新的线程运行 run 方法中的代码 | start 方法只是让线程进入就绪，里面代码不一定立刻运行（CPU 的时间片还没分给它）。每个线程对象的start方法只能调用一次，如果调用了多次会出现IllegalThreadStateException |
|
| run() | 如果在构造 Thread 对象时传递了 Runnable 参数，则线程启动后会调用 Runnable 中的 run 方法，否则默认不执行任何操作。但可以创建 Thread 的子类对象，来覆盖默认行为 | ||
| join() | 等待线程运行结束 | ||
| join(long n) | 等待线程运行结束,最多等待 n 毫秒 | ||
| getId() | 获取线程长整型的 id | id 唯一 | |
| getName() | 获取线程名 | ||
| setName(String threadName) | 修改线程名 | ||
| getPriority() | 获取线程优先级 | ||
| setPriority(int i) | 修改线程优先级 | java中规定线程优先级是1~10 的整数，较大的优先级能提高该线程被 CPU 调度的机率 | |
| getState() | 获取线程状态 | Java 中线程状态是用 6 个 enum 表示，分别为：NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING,TIMED_WAITING, TERMINATED | |
| isInterrupted() | 判断是否被打断 | 不会清除 打断标记 | |
| isAlive() | 线程是否存活（还没有运行完毕） | ||
| interrupt() | 打断线程 | 如果被打断线程正在 sleep，wait，join 会导致被打断的线程抛出 InterruptedException，并清除 打断标记 ；如果打断的正在运行的线程，则会设置 打断标记 ；park 的线程被打断，也会设置 打断标记 | |
| interrupted() | static | 判断当前线程是否被打断 | 会清除 打断标记 |
| currentThread() | static | 获取当前正在执行的线程 |
5. sleep 与 yield
sleep
- 调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
- 其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛出 InterruptedException
- 睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行
- 建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性
yield
- 调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态，然后调度执行其它线程
- 具体的实现依赖于操作系统的任务调度器
线程优先级
-线程优先级会提示（hint）调度器优先调度该线程，但它仅仅是一个提示，调度器可以忽略它
- 如果 cpu 比较忙，那么优先级高的线程会获得更多的时间片，但 cpu 闲时，优先级几乎没作用
1. 案例-防止 CPU 占用 100%（应用笔记中）
6. join 方法详解
为什么需要 join
下面的代码执行，打印 r 是什么？
static int r = 0;
public static void main(String[] args) {
test1();
}
private static void test1() {
log.debug("开始");
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("开始");
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug("结束");
r = 10;
});
t1.start();
log.debug("结果为:{}", r);//结果是 0
log.debug("结束");
}
分析
- 因为主线程和线程 t1 是并行执行的，t1 线程需要 1 秒之后才能算出 r=10
- 而主线程一开始就要打印 r 的结果，所以只能打印出 r=0
解决方法
- 用 sleep 行不行？为什么？
- 用 join，加在 t1.start() 之后即可
*应用之同步（案例1）
以调用方角度来讲，如果
- 需要等待结果返回，才能继续运行就是同步
- 不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步
等待多个结果
问，下面代码 cost 大约多少秒？
static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test2();
}
private static void test2() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
sleep(1);
r1 = 10;
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
sleep(2);
r2 = 20;
});
long start = System.currentTimeMillis();
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
long end = System.currentTimeMillis();
log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);//cost 2002
}
分析如下
- 第一个 join：等待 t1 时, t2 并没有停止, 而在运行
- 第二个 join：1s 后, 执行到此, t2 也运行了 1s, 因此也只需再等待 1s
如果颠倒两个 join 呢？
最终都是输出
20:45:43.239 [main] c.TestJoin - r1: 10 r2: 20 cost: 2005
有时效的 join
static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test3();
}
public static void test3() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
sleep(2);
r1 = 10;
});
long start = System.currentTimeMillis();
t1.start();
// 线程执行结束会导致 join 结束
t1.join(1500);
long end = System.currentTimeMillis();
log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}
输出
20:52:15.623 [main] c.TestJoin - r1: 0 r2: 0 cost: 1502
将 join 时间改为 3000
输出
20:53:15.623 [main] c.TestJoin - r1: 10 r2: 0 cost: 2002
7. interrupt 方法详解
打断 sleep，wait，join 的线程
这几个方法都会让线程进入阻塞状态
打断 sleep 的线程, 会清空打断状态，以 sleep 为例
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(()->{
sleep(1);//wait，join
});
t1.start();
sleep(0.5);
t1.interrupt();
log.debug("打断状态：{}",t1.isInterrupted());
}
打断状态为 false 说明打断状态被清空了
打断正常运行的线程
打断正常运行的线程, 不会清空打断状态
@Slf4j(topic = "c.Test")
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(() -> {
while (true) {
if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
log.debug("被打断了，退出循环了");
break;
}
}
}, "t1");
t1.start();
sleep(1);
log.debug("interrupt");
t1.interrupt();
log.debug("打断状态：{}", t1.isInterrupted());
}
}
结果
22:51:55 [main] c.Test - interrupt
22:51:55 [t1] c.Test - 被打断了，退出循环了
22:51:55 [main] c.Test - 打断状态：true
* 模式之两阶段终止（模式笔记中）
打断 park 线程
打断 park 线程, 不会清空打断状态，park 是一个锁支持类（LockSupport）中的方法
public static void main(String[] args) throws IOException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("park...");
LockSupport.park();
log.debug("unpark...");
log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
});
t1.start();
sleep(3);
log.debug("interrupt");
t1.interrupt();
}
提示
可以使用 Thread.interrupted() 清除打断状态
8. 不推荐的方法
| 方法名 | static | 功能说明 |
|---|---|---|
| stop() | 停止线程运行 | |
| suspend() | 挂起（暂停）线程运行 | |
| resume() | 恢复线程运行 |
破坏同步代码块，造成对象的锁得不到释放
9.主线程与守护线程
默认情况下，Java 进程需要等待所有线程都运行结束，才会结束。有一种特殊的线程叫做守护线程，只要其它非守护线程运行结束了，即使守护线程的代码没有执行完，也会强制结束。
例：
public static void main(String[] args) throws IOException {
log.debug("开始运行...");
Thread t1 = new Thread(() -> {
while(true){
if(Thread.currentThread().isInterrupted()){
break;
}
}
}, "daemon");
// 设置该线程为守护线程
t1.setDaemon(true);
t1.start();
sleep(1);
log.debug("运行结束...");
}
结果：
23:51:53:656 [main] c.Test - 开始运行...
23:51:53:698 [daemon] c.Test - 开始运行...
23:51:54:699 [main] c.Test - 运行结束...
注意
- 垃圾回收器线程就是一种守护线程
- Tomcat 中的 Acceptor 和 Poller 线程都是守护线程，所以 Tomcat 接收到 shutdown 命令后，不会等待它们处理完当前请求
10. 五种状态
这是从 操作系统 层面来描述的
- 【初始状态】仅是在语言层面创建了线程对象，还未与操作系统线程关联
- 【可运行状态】（就绪状态）指该线程已经被创建（与操作系统线程关联），可以由 CPU 调度执行
- 【运行状态】指获取了 CPU 时间片运行中的状态
- 当 CPU 时间片用完，会从【运行状态】转换至【可运行状态】，会导致线程的上下文切换
- 【阻塞状态】
- 如果调用了阻塞 API，如 BIO 读写文件，这时该线程实际不会用到 CPU，会导致线程上下文切换，进入【阻塞状态】
- 等 BIO 操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至【可运行状态】
- 与【可运行状态】的区别是，对【阻塞状态】的线程来说只要它们一直不唤醒，调度器就一直不会考虑调度它们
- 【终止状态】表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状态
11. 六种状态
这是从 Java API 层面来描述的
根据 Thread.State 枚举，分为六种状态
- NEW 线程刚被创建，但是还没有调用 start() 方法
- RUNNABLE 当调用了start() 方法之后，注意，Java API 层面的RUNNABLE 状态涵盖了 操作系统层面的
【可运行状态】、【运行状态】和【阻塞状态】（由于 BIO 导致的线程阻塞，在 Java 里无法区分，仍然认为是可运行） - BLOCKED （拿不到锁）， WAITING （join 不带时间的）， TIMED_WAITING（sleep，join带时间的） 都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分，后面会在状态转换一节详述
- TERMINATED 当线程代码运行结束
12.习题
阅读华罗庚《统筹方法》，给出烧水泡茶的多线程解决方案，提示
- 参考图二，用两个线程（两个人协作）模拟烧水泡茶过程
- 文中办法乙、丙都相当于任务串行
- 而图一相当于启动了 4 个线程，有点浪费
- 用 sleep(n) 模拟洗茶壶、洗水壶等耗费的时间
附：华罗庚《统筹方法》
统筹方法，是一种安排工作进程的数学方法。它的实用范围极广泛，在企业管理和基本建设中，以及关系复杂的科研项目的组织与管理中，都可以应用。
怎样应用呢？主要是把工序安排好。
比如，想泡壶茶喝。当时的情况是：开水没有；水壶要洗，茶壶、茶杯要洗；火已生了，茶叶也有了。怎么办？
- 办法甲：洗好水壶，灌上凉水，放在火上；在等待水开的时间里，洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶；等水开了，泡茶喝。
- 办法乙：先做好一些准备工作，洗水壶，洗茶壶茶杯，拿茶叶；一切就绪，灌水烧水；坐待水开了，泡茶喝。
- 办法丙：洗净水壶，灌上凉水，放在火上，坐待水开；水开了之后，急急忙忙找茶叶，洗茶壶茶杯，泡茶喝。
哪一种办法省时间？我们能一眼看出，第一种办法好，后两种办法都窝了工。
这是小事，但这是引子，可以引出生产管理等方面有用的方法来。
水壶不洗，不能烧开水，因而洗水壶是烧开水的前提。没开水、没茶叶、不洗茶壶茶杯，就不能泡茶，因而这些又是泡茶的前提。它们的相互关系，可以用下边的箭头图来表示：
从这个图上可以一眼看出，办法甲总共要16分钟（而办法乙、丙需要20分钟）。如果要缩短工时、提高工作效率，应当主要抓烧开水这个环节，而不是抓拿茶叶等环节。同时，洗茶壶茶杯、拿茶叶总共不过4分钟，大可利用“等水开”的时间来做。
是的，这好像是废话，卑之无甚高论。有如走路要用两条腿走，吃饭要一口一口吃，这些道理谁都懂得。但稍有变化，临事而迷的情况，常常是存在的。在近代工业的错综复杂的工艺过程中，往往就不是像泡茶喝这
么简单了。任务多了，几百几千，甚至有好几万个任务。关系多了，错综复杂，千头万绪，往往出现“万事俱备，只欠东风”的情况。由于一两个零件没完成，耽误了一台复杂机器的出厂时间。或往往因为抓的不是关键，连夜三班，急急忙忙，完成这一环节之后，还得等待旁的环节才能装配。
洗茶壶，洗茶杯，拿茶叶，或先或后，关系不大，而且同是一个人的活儿，因而可以合并成为：
* 应用之统筹（烧水泡茶）(应用篇)
本章小结
本章的重点在于掌握
- 线程创建
- 线程重要 api，如 start，run，sleep，join，interrupt 等
- 线程状态
- 应用方面
- 异步调用：主线程执行期间，其它线程异步执行耗时操作
- 提高效率：并行计算，缩短运算时间
- 同步等待：join
- 统筹规划：合理使用线程，得到最优效果
- 原理方面
- 线程运行流程：栈、栈帧、上下文切换、程序计数器
- Thread 两种创建方式 的源码
- 模式方面
- 终止模式之两阶段终止