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文章目的: Java 并发常见知识点&面试题总结(基础篇)
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进程是程序的一次执行过程,是系统运行程序的基本单位,因此进程是动态的。系统运行一个程序即是一个进程从创建,运行到消亡的过程。
在 Java 中,当我们启动 main 函数时其实就是启动了一个 JVM 的进程,而 main 函数所在的线程就是这个进程中的一个线程,也称主线程。
如下图所示,在 windows 中通过查看任务管理器的方式,我们就可以清楚看到 window 当前运行的进程(.exe 文件的运行)。
线程与进程相似,但线程是一个比进程更小的执行单位。一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。与进程不同的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源,但每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈,所以系统在产生一个线程,或是在各个线程之间作切换工作时,负担要比进程小得多,也正因为如此,线程也被称为轻量级进程。
Java 程序天生就是多线程程序,我们可以通过 JMX 来看一下一个普通的 Java 程序有哪些线程,代码如下。
public class MultiThread {
public static void main(String[] args) {
// 获取 Java 线程管理 MXBean
ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();
// 不需要获取同步的 monitor 和 synchronizer 信息,仅获取线程和线程堆栈信息
ThreadInfo[] threadInfos = threadMXBean.dumpAllThreads(false, false);
// 遍历线程信息,仅打印线程 ID 和线程名称信息
for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) {
System.out.println("[" + threadInfo.getThreadId() + "] " + threadInfo.getThreadName());
}
}
}
上述程序输出如下(输出内容可能不同,不用太纠结下面每个线程的作用,只用知道 main 线程执行 main 方法即可):
[5] Attach Listener //添加事件
[4] Signal Dispatcher // 分发处理给 JVM 信号的线程
[3] Finalizer //调用对象 finalize 方法的线程
[2] Reference Handler //清除 reference 线程
[1] main //main 线程,程序入口
从上面的输出内容可以看出:一个 Java 程序的运行是 main 线程和多个其他线程同时运行。
从 JVM 角度说进程和线程之间的关系
下图是 Java 内存区域,通过下图我们从 JVM 的角度来说一下线程和进程之间的关系。
从上图可以看出:一个进程中可以有多个线程,多个线程共享进程的堆和方法区 (JDK1.8 之后的元空间)资源,但是每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈 和 本地方法栈。
总结: 线程是进程划分成的更小的运行单位。线程和进程最大的不同在于基本上各进程是独立的,而各线程则不一定,因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。线程执行开销小,但不利于资源的管理和保护;而进程正相反。
下面是该知识点的扩展内容!
下面来思考这样一个问题:为什么程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈是线程私有的呢?为什么堆和方法区是线程共享的呢?
程序计数器主要有下面两个作用:
需要注意的是,如果执行的是 native 方法,那么程序计数器记录的是 undefined 地址,只有执行的是 Java 代码时程序计数器记录的才是下一条指令的地址。
所以,程序计数器私有主要是为了线程切换后能恢复到正确的执行位置。
所以,为了保证线程中的局部变量不被别的线程访问到,虚拟机栈和本地方法栈是线程私有的。
堆和方法区是所有线程共享的资源,其中堆是进程中最大的一块内存,主要用于存放新创建的对象 (几乎所有对象都在这里分配内存),方法区主要用于存放已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
先从总体上来说:
再深入到计算机底层来探讨:(了解)
并发编程的目的就是为了能提高程序的执行效率提高程序运行速度,但是并发编程并不总是能提高程序运行速度的,而且并发编程可能会遇到很多问题,比如:内存泄漏、死锁、线程不安全等等。
Java 线程在运行的生命周期中的指定时刻只可能处于下面 6 种不同状态的其中一个状态(图源《Java 并发编程艺术》4.1.4 节)。
线程在生命周期中并不是固定处于某一个状态而是随着代码的执行在不同状态之间切换。Java 线程状态变迁如下图所示(图源《Java 并发编程艺术》4.1.4 节):
订正(来自issue736):原图中 wait 到 runnable 状态的转换中,
join
实际上是Thread
类的方法,但这里写成了Object
。
由上图可以看出:线程创建之后它将处于 NEW(新建) 状态,调用 start()
方法后开始运行,线程这时候处于 READY(可运行) 状态。可运行状态的线程获得了 CPU 时间片(timeslice)后就处于 RUNNING(运行) 状态。
在操作系统中层面线程有 READY 和 RUNNING 状态,而在 JVM 层面只能看到 RUNNABLE 状态(图源:HowToDoInJava:Java Thread Life Cycle and Thread States),所以 Java 系统一般将这两个状态统称为 RUNNABLE(运行中) 状态 。
为什么 JVM 没有区分这两种状态呢? (摘自:java线程运行怎么有第六种状态? - Dawell的回答 ) 现在的时分(time-sharing)多任务(multi-task)操作系统架构通常都是用所谓的“时间分片(time quantum or time slice)”方式进行抢占式(preemptive)轮转调度(round-robin式)。这个时间分片通常是很小的,一个线程一次最多只能在 CPU 上运行比如 10-20ms 的时间(此时处于 running 状态),也即大概只有 0.01 秒这一量级,时间片用后就要被切换下来放入调度队列的末尾等待再次调度。(也即回到 ready 状态)。线程切换的如此之快,区分这两种状态就没什么意义了。
当线程执行 wait()
方法之后,线程进入 WAITING(等待) 状态。进入等待状态的线程需要依靠其他线程的通知才能够返回到运行状态,而 TIMED_WAITING(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,比如通过 sleep(long millis)
方法或 wait(long millis)
方法可以将 Java 线程置于 TIMED_WAITING 状态。当超时时间到达后 Java 线程将会返回到 RUNNABLE 状态。当线程调用同步方法时,在没有获取到锁的情况下,线程将会进入到 BLOCKED(阻塞) 状态。线程在执行 Runnable 的run()
方法之后将会进入到 TERMINATED(终止) 状态。
相关阅读:挑错 |《Java 并发编程的艺术》中关于线程状态的三处错误 。
线程在执行过程中会有自己的运行条件和状态(也称上下文),比如上文所说到过的程序计数器,栈信息等。当出现如下情况的时候,线程会从占用 CPU 状态中退出。
sleep()
, wait()
等。这其中前三种都会发生线程切换,线程切换意味着需要保存当前线程的上下文,留待线程下次占用 CPU 的时候恢复现场。并加载下一个将要占用 CPU 的线程上下文。这就是所谓的 上下文切换。
上下文切换是现代操作系统的基本功能,因其每次需要保存信息恢复信息,这将会占用 CPU,内存等系统资源进行处理,也就意味着效率会有一定损耗,如果频繁切换就会造成整体效率低下。
线程死锁描述的是这样一种情况:多个线程同时被阻塞,它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于线程被无限期地阻塞,因此程序不可能正常终止。
如下图所示,线程 A 持有资源 2,线程 B 持有资源 1,他们同时都想申请对方的资源,所以这两个线程就会互相等待而进入死锁状态。
下面通过一个例子来说明线程死锁,代码模拟了上图的死锁的情况 (代码来源于《并发编程之美》):
public class DeadLockDemo {
private static Object resource1 = new Object();//资源 1
private static Object resource2 = new Object();//资源 2
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
synchronized (resource1) {//线程1 握着resource1
System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
synchronized (resource2) {//线程1想要申请resource2
System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
}
}
}, "线程 1").start();
new Thread(() -> {
synchronized (resource2) {//线程2 握着resource2
System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource1");
synchronized (resource1) {//线程2想要申请resource1
System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
}
}
}, "线程 2").start();
}
}
Output
Thread[线程 1,5,main]get resource1
Thread[线程 2,5,main]get resource2
Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 2,5,main]waiting get resource1
线程 A 通过 synchronized (resource1)
获得 resource1
的监视器锁,然后通过Thread.sleep(1000);
让线程 A 休眠 1s 为的是让线程 B 得到执行然后获取到 resource2 的监视器锁。线程 A 和线程 B 休眠结束了都开始企图请求获取对方的资源,然后这两个线程就会陷入互相等待的状态,这也就产生了死锁。
上面的例子符合产生死锁的四个必要条件:
如何预防死锁? 破坏死锁的产生的必要条件即可:
如何避免死锁?
避免死锁就是在资源分配时,借助于算法(比如银行家算法)对资源分配进行计算评估,使其进入安全状态。
安全状态 指的是系统能够按照某种线程推进顺序(P1、P2、P3…Pn)来为每个线程分配所需资源,直到满足每个线程对资源的最大需求,使每个线程都可顺利完成。称
序列为安全序列。
我们对线程 2 的代码修改成下面这样就不会产生死锁了。也就是让两个线程获取资源的顺序相同
new Thread(() -> {
synchronized (resource1) {
System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
synchronized (resource2) {
System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
}
}
}, "线程 2").start();
Output
Thread[线程 1,5,main]get resource1
Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 1,5,main]get resource2
Thread[线程 2,5,main]get resource1
Thread[线程 2,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 2,5,main]get resource2
Process finished with exit code 0
我们分析一下上面的代码为什么避免了死锁的发生?
线程 1 首先获得到 resource1 的监视器锁,这时候线程 2 就获取不到了。然后线程 1 再去获取 resource2 的监视器锁,可以获取到。然后线程 1 释放了对 resource1、resource2 的监视器锁的占用,线程 2 获取到就可以执行了。这样就破坏了破坏循环等待条件,因此避免了死锁。
sleep()
方法没有释放锁,而 wait()
方法释放了锁 。wait()
通常被用于线程间交互/通信,sleep()
通常被用于暂停执行。wait()
方法被调用后,线程不会自动苏醒,需要别的线程调用同一个对象上的 notify()
或者 notifyAll()
方法。sleep()
方法执行完成后,线程会自动苏醒。或者可以使用 wait(long timeout)
超时后线程会自动苏醒。这是另一个非常经典的 Java 多线程面试问题,而且在面试中会经常被问到。很简单,但是很多人都会答不上来!
new 一个 Thread,线程进入了新建状态。调用 start()
方法,会启动一个线程并使线程进入了就绪状态,当分配到时间片后就可以开始运行了。 start()
会执行线程的相应准备工作,然后自动执行 run()
方法的内容,这是真正的多线程工作。 但是,直接执行 run()
方法,会把 run()
方法当成一个 main 线程下的普通方法去执行,并不会在某个线程中执行它,所以这并不是多线程工作。
总结: 调用 start()
方法方可启动线程并使线程进入就绪状态,直接执行 run()
方法的话不会以多线程的方式执行。