Java并发编程 一 线程介绍、创建线程的4种方式、线程常用方法、两阶段终止状态、线程的五种/六种状态
一、线程与进程、并行并发、同步异步概念
1、进程与进程
进程: 资源分配的最小单位
- 进程是线程的容器, 一个进程中包含多个线程, 真正执行任务的是线程
线程: 资源调度的最小单位
进程
程序由指令和数据组成，但是这些 指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载到cpu，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘，网络等设备，进程就是用来加载指令,管理内存,管理IO的- 当一个指令被运行，从磁盘加载这个程序的代码到内存，这时候就开启了一个进程
进程就可以视为程序的一个实例，大部分程序都可以运行多个实例进程（例如记事本，浏览器等），部分只可以运行一个实例进程（例如360安全卫士）
线程
- 一个进程之内可以分为
多个线程。 一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行- Java 中，线程作为资源的最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。 在 windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器。
二者对比
- 进程基本上
相互独立的，而线程存在于进程内，是进程的一个子集 - 进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享; 进程间通信较为复杂
同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication） 不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP- 线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量
- 线程更
轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低
2、 并行与并发
并发: 在单核CPU下, 一定是
并发执行的, 也就是在同一个时间段内一起执行. 实际还是串行执行, CPU的时间片切换非常快, 给人一种同时运行的感觉。
并行: 在多核CPU下, 能真正意义上实现
并行执行, 在同一个时刻, 多个线程同时执行; 比如说2核cpu, 同时执行4个线程. 理论上同时可以有2个线程是并行执行的. 此时还是存在并发, 因为2个cpu也会同时切换不同的线程执行任务罢了
并发 (concurrent)
微观串行, 宏观并行- 在
单核 cpu下，线程实际还是串行执行的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 cpu 的时间片（windows下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于cpu 在线程间（时间片很短）的切换非常快，给人的 感觉是同时运行的 。一般会将这种线程轮流使用 CPU的做法称为并发（concurrent） - 将
线程轮流使用cput称为并发(concurrent)
并行
多核 cpu下，每个核（core） 都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的，不同的线程同时使用不同的cpu在执行。
二者对比
- 引用 Rob Pike 的一段描述：
并发（concurrent）: 是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力并行（parallel）: 是同一时间动手做（doing）多件事情的能力
例子
- 家庭主妇做饭、打扫卫生、给孩子喂奶，她一个人轮流交替做这多件事，这时就是
并发 - 家庭主妇雇了个保姆，她们一起这些事，这时
既有并发，也有并行（这时会产生竞争，例如锅只有一口，一个人用锅时，另一个人就得等待） - 雇了3个保姆，一个专做饭、一个专打扫卫生、一个专喂奶，互不干扰，这时是
并行
3、同步和异步
以调用方的角度讲
- 如果
需要等待结果返回才能继续运行的话就是同步 - 如果
不需要等待就是异步
1 设计
- 多线程可以让方法执行变为
异步的（即不要巴巴干等着）比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了 5 秒钟，如果没有线程调度机制，这5秒cpu什么都做不了，其它代码都得暂停
2 结论
- 比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较
费时，这时开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程 - tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的，
让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程 - UI 程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞 UI 线程
二、线程的创建 (重点)
1、创建一个线程（非主线程）
1、通过继承Thread创建线程
public class CreateThread {
public static void main(String[] args) {
Thread myThread = new MyThread();
// 启动线程
myThread.start();
}
}
class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("my thread running...");
}
}
- 使用
继承方式的好处是，在run()方法内获取当前线程直接使用this就可以了，无须使用Thread.currentThread()方法；不好的地方是Java不支持多继承，如果继承了Thread类，那么就不能再继承其他类。另外任务与代码没有分离，当多个线程执行一样的任务时需要多份任务代码
2、使用Runnable配合Thread (推荐)
public class Test2 {
public static void main(String[] args) {
//创建线程任务
Runnable r = new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("Runnable running");
}
};
//将Runnable对象传给Thread
Thread t = new Thread(r);
//启动线程
t.start();
}
}
或者
public class CreateThread2 {
private static class MyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("my runnable running...");
}
}
public static void main(String[] args) {
MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
Thread thread = new Thread(myRunnable);
thread.start();
}
}
- 通过
实现Runnable接口，并且实现run()方法。在创建线程时作为参数传入该类的实例即可
方法二的简化：使用lambda表达式简化操作
- 当一个接口带有
@FunctionalInterface注解时，是可以使用lambda来简化操作的 - 所以方法二中的代码可以被简化为
public class Test2 {
public static void main(String[] args) {
//创建线程任务
Runnable r = () -> {
//直接写方法体即可
System.out.println("Runnable running");
System.out.println("Hello Thread");
};
//将Runnable对象传给Thread
Thread t = new Thread(r);
//启动线程
t.start();
}
}
原理之 Thread 与 Runnable 的关系
- 分析
Thread的源码，理清它与 Runnable 的关系
小结
- 继承Thread方式: 是把线程和任务合并在了一起
- 实现Runnable方式: 是把线程和任务分开了
- 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
3、使用FutureTask与Thread结合
使用FutureTask可以用泛型指定线程的返回值类型（Runnable的run方法没有返回值）
public class Test3 {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
//需要传入一个Callable对象
FutureTask<Integer> task = new FutureTask<Integer>(new Callable<Integer>() {
@Override
public Integer call() throws Exception {
System.out.println("线程执行!");
Thread.sleep(1000);
return 100;
}
});
Thread r1 = new Thread(task, "t2");
r1.start();
//获取线程中方法执行后的返回结果
System.out.println(task.get());
}
}
或
public class UseFutureTask {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new MyCall());
Thread thread = new Thread(futureTask);
thread.start();
// 获得线程运行后的返回值
System.out.println(futureTask.get());
}
}
class MyCall implements Callable<String> {
@Override
public String call() throws Exception {
return "hello world";
}
}
4、使用线程池来创建线程
/**
* 创建线程的方式四：使用线程池
*
* 好处：
* 1.提高响应速度（减少了创建新线程的时间）
* 2.降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）
* 3.便于线程管理
* corePoolSize：核心池的大小
* maximumPoolSize：最大线程数
* keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止
*
*
* 面试题：创建多线程有几种方式？四种！
*/
class NumberThread implements Runnable{
@Override
public void run() {
for(int i = 0;i <= 100;i++){
if(i % 2 == 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
}
}
}
}
class NumberThread1 implements Runnable{
@Override
public void run() {
for(int i = 0;i <= 100;i++){
if(i % 2 != 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
}
}
}
}
public class ThreadPool {
public static void main(String[] args) {
//1. 提供指定线程数量的线程池
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
ThreadPoolExecutor service1 = (ThreadPoolExecutor) service;
//设置线程池的属性
// System.out.println(service.getClass());
// service1.setCorePoolSize(15);
// service1.setKeepAliveTime();
//2.执行指定的线程的操作。需要提供实现Runnable接口或Callable接口实现类的对象
service.execute(new NumberThread());//适合适用于Runnable
service.execute(new NumberThread1());//适合适用于Runnable
// service.submit(Callable callable);//适合使用于Callable
//3.关闭连接池
service.shutdown();
}
}
总结
- 使用 继承方式的好处是方便传参，你可以在子类里面添加成员变量，通过set方法设置参数或者通过构造函数进行传递，而如果
使用Runnable方式，则只能使用主线程里面被声明为final的变量。不好的地方是Java不支持多继承，如果继承了Thread类，那么子类不能再继承其他类，而Runable则没有这个限制。前两种方式都没办法拿到任务的返回结果，但是Futuretask方式可以 - 开发中一般使用
线程池的方式
三、线程运行原理 (重点)
1、虚拟机栈与栈帧
虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(stack frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，是属于线程的私有的。当Java中使用多线程时，每个线程都会维护它自己的栈帧！每个线程只能有一个活动栈帧(在栈顶)，对应着当前正在执行的那个方法
2、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
- 线程的 cpu 时间片用完(每个线程轮流执行，看前面并行的概念)
- 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Thread 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
线程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
3、Thread的常见方法
3.1、调用start 与 run方法的区别
调用start()方法
public static void main(String[] args) {
Thread thread = new Thread(){
@Override
public void run(){
log.debug("我是一个新建的线程正在运行中");
FileReader.read(fileName);
}
};
thread.setName("新建线程");
thread.start();
log.debug("主线程");
}
- 输出：程序在
t1 线程运行，run()方法里面内容的调用是异步的代码
11:59:40.711 [main] DEBUG com.concurrent.test.Test4 - 主线程
11:59:40.711 [新建线程] DEBUG com.concurrent.test.Test4 - 我是一个新建的线程正在运行中
11:59:40.732 [新建线程] DEBUG com.concurrent.test.FileReader - read [test] start ...
11:59:40.735 [新建线程] DEBUG com.concurrent.test.FileReader - read [test] end ... cost: 3 ms
调用run()方法
- 将上面代码的
thread.start();改为thread.run();输出结果如下：程序仍在 main 线程运行，run()方法里面内容的调用还是同步的
12:03:46.711 [main] DEBUG com.concurrent.test.Test4 - 我是一个新建的线程正在运行中
12:03:46.727 [main] DEBUG com.concurrent.test.FileReader - read [test] start ...
12:03:46.729 [main] DEBUG com.concurrent.test.FileReader - read [test] end ... cost: 2 ms
12:03:46.730 [main] DEBUG com.concurrent.test.Test4 - 主线程
小结
- 直接调用
run()是在主线程中执行了run()，没有启动新的线程 - 使用
start()是启动新的线程，通过新的线程间接执行run()方法中的代码
3.2、 sleep 与 yield
sleep方法
- 调用
sleep()会让当前线程从Running(运行状态)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，那么被打断的线程这时就会抛出InterruptedException异常【注意：这里打断的是正在休眠的线程，而不是其它状态的线程】 - 睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行 (需要分配到cpu时间片)
- 建议用
TimeUnit的sleep()代替 Thread 的sleep()来获得更好的可读性
yield方法
- 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(就是可能没有其它的线程正在执行，虽然调用了yield方法，但是也没有用)
小结
- yield使cpu调用其它线程，
但是cpu可能会再分配时间片给该线程；而sleep需要等过了休眠时间之后才有可能被分配cpu时间片
3.3、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
thread1.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); //设置为优先级最高
3.4、 join方法
- 在
主线程中调用t1.join，则主线程会等待t1线程执行完之后再继续执行
private static void test1() throws InterruptedException {
log.debug("开始");
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("开始");
sleep(1);
log.debug("结束");
r = 10;
},"t1");
t1.start();
// t1.join();
// 这里如果不加t1.join(), 此时主线程不会等待t1线程给r赋值, 主线程直接就输出r=0结束了
// 如果加上t1.join(), 此时主线程会等待到t1线程执行完才会继续执行.(同步), 此时r=10;
log.debug("结果为:{}", r);
log.debug("结束");
}
下图, 因为开辟了t1线程. 此时程序中有两个线程; main线程和t1线程; 此时在main线程中调用
t1.join, 所以main线程只能阻塞等待t1线程执行完.t1线程在1s后将r=10, t1线程执行完, 此时main线程才会接着执行
3.5 interrupt 方法详解
该方法用于打断 sleep，wait，join的线程, 在阻塞期间cpu不会分配给时间片
- 先了解一些
interrupt()方法的相关知识：博客地址 - 如果
一个线程在在运行中被打断，打断标记会被置为true - 如果是打断
因sleep wait join方法而被阻塞的线程，会将打断标记置为false
sleep，wait，join的线程，这几个方法都会让线程进入阻塞状态，以 sleep 为例
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
System.out.println("sleep...");
try {
Thread.sleep(5000); // wait, join
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
t1.start();
Thread.sleep(1000);
System.out.println("iterrupt..");
t1.interrupt();
System.out.println(t1.isInterrupted()); // 如果是打断sleep,wait,join的线程, 即使打断了, 标记也为false
}
}
sleep...
iterrupt..
打断标记为:false
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
at com.guizy.ThreadPrintDemo.lambda$main$0(ThreadPrintDemo.java:14)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
Process finished with exit code 0
打断正常运行的线程
- 打断正常运行的线程, 线程并不会暂停，只是调用方法
Thread.currentThread().isInterrupted();的返回值为true，可以判断Thread.currentThread().isInterrupted();的值来手动停止线程
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
while(true) {
boolean interrupted = Thread.currentThread().isInterrupted();
if(interrupted) {
System.out.println("被打断了, 退出循环");
break;
}
}
}, "t1");
t1.start();
Thread.sleep(1000);
System.out.println("interrupt");
t1.interrupt();
System.out.println("打断标记为: "+t1.isInterrupted());
}
interrupt
被打断了, 退出循环
打断标记为: true
Process finished with exit code 0
3.6、 终止模式之两阶段终止模式
当我们在执行线程一时，想要终止线程二，这是就需要使用interrupt方法来优雅的停止线程二。
-
Two Phase Termination，就是考虑在一个线程T1中如何优雅地终止另一个线程T2？这里的优雅指的是给T2线程一个处理其他事情的机会（如释放锁）。
-
如下所示：那么线程的
isInterrupted()方法可以取得线程的打断标记- 如果线程在睡眠
sleep期间被打断，打断标记是不会变的，为false，但是sleep期间被打断会抛出异常，我们据此手动设置打断标记为true； - 如果是在
程序正常运行期间被打断的，那么打断标记就被自动设置为true。处理好这两种情况那我们就可以放心地来料理后事啦！
- 如果线程在睡眠
下图①就是正常运行打断, ②是在睡眠中被打断
代码实现如下：
public class Test7 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Monitor monitor = new Monitor();
monitor.start();
Thread.sleep(3500);
monitor.stop();
}
}
class Monitor {
Thread monitor;
/**
* 启动监控器线程
*/
public void start() {
//设置线控器线程，用于监控线程状态
monitor = new Thread() {
@Override
public void run() {
//开始不停的监控
while (true) {
//判断当前线程是否被打断了
if(Thread.currentThread().isInterrupted()) {
System.out.println("处理后续任务");
//终止线程执行
break;
}
System.out.println("监控器运行中...");
try {
//线程休眠
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
//如果是在休眠的时候被打断，不会将打断标记设置为true，这时要重新设置打断标记
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
}
};
monitor.start();
}
/**
* 用于停止监控器线程
*/
public void stop() {
//打断线程
monitor.interrupt();
}
}
3.7、sleep，yiled，wait，join 对比
补充：
- sleep，join，yield，interrupted是Thread类中的方法
- wait/notify是object中的方法
- sleep 不释放锁、释放cpu
- join 释放锁、抢占cpu
- yiled 不释放锁、释放cpu
- wait 释放锁、释放cpu
3.8、 守护线程
- 当
Java进程中有多个线程在执行时，只有当所有非守护线程都执行完毕后，Java进程才会结束。但当非守护线程全部执行完毕后，守护线程无论是否执行完毕，也会一同结束。
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
四、 线程状态
五种状态
- 在
操作系统的层面上
初始状态，仅仅是在语言层面上创建了线程对象，即Thead thread = new Thead();，还未与操作系统线程关联可运行状态，也称就绪状态，指该线程已经被创建，与操作系统相关联，等待cpu给它分配时间片就可运行运行状态，指线程获取了CPU时间片，正在运行- 当CPU时间片用完，线程会转换至【可运行状态】，等待 CPU再次分配时间片，会导致我们前面讲到的上下文切换
阻塞状态- 如果调用了阻塞API，如BIO读写文件，那么线程实际上不会用到CPU，不会分配CPU时间片，会导致上下文切换，进入【阻塞状态】
- 等待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，只要操作系统一直不唤醒线程，调度器就一直不会考虑调度它们，CPU就一直不会分配时间片
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
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
新建状态、运行状态(就绪状态, 运行中状态)、阻塞状态、等待状态、定时等待状态、终止状态
NEW (新建状态)线程刚被创建，但是还没有调用 start() 方法RUNNABLE (运行状态)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 【就绪状态】、【运行中状态】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 (阻塞状态)，WAITING (等待状态)，TIMED_WAITING(定时等待状态)都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分，如sleep就位TIMED_WAITING， join为WAITING状态。后面会在状态转换一节详述。TERMINATED (结束状态)当线程代码运行结束
@Slf4j(topic = "c.TestState")
public class TestState {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Thread t1 = new Thread("t1") { // new 状态
@Override
public void run() {
log.debug("running...");
}
};
Thread t2 = new Thread("t2") {
@Override
public void run() {
while(true) { // runnable 状态
}
}
};
t2.start();
Thread t3 = new Thread("t3") {
@Override
public void run() {
log.debug("running...");
}
};
t3.start();
Thread t4 = new Thread("t4") {
@Override
public void run() {
synchronized (TestState.class) {
try {
Thread.sleep(1000000); // timed_waiting 显示阻塞状态
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
};
t4.start();
Thread t5 = new Thread("t5") {
@Override
public void run() {
try {
t2.join(); // waiting 状态
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
t5.start();
Thread t6 = new Thread("t6") {
@Override
public void run() {
synchronized (TestState.class) { // blocked 状态
try {
Thread.sleep(1000000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
};
t6.start();
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug("t1 state {}", t1.getState());
log.debug("t2 state {}", t2.getState());
log.debug("t3 state {}", t3.getState());
log.debug("t4 state {}", t4.getState());
log.debug("t5 state {}", t5.getState());
log.debug("t6 state {}", t6.getState());
}
}