JUC第三讲：Java 并发-线程基础

JUC第三讲：Java 并发-线程基础

本文是JUC第三讲，主要概要性的介绍线程的基础，为后面的章节深入介绍Java并发的知识提供基础。

1、带着BAT大厂的面试问题去理解

请带着这些问题继续后文，会很大程度上帮助你更好的理解线程基础。

• 线程有哪几种状态? 分别说明从一种状态到另一种状态转变有哪些方式?
• 通常线程有哪几种使用方式?
• 基础线程机制有哪些?
• 线程的中断方式有哪些?
• 线程的互斥同步方式有哪些? 如何比较和选择?
• 线程之间有哪些协作方式?

2、线程状态转换

2.1、新建(New)

创建后尚未启动。

2.2、可运行(Runnable)

可能正在运行，也可能正在等待 CPU 时间片。

包含了操作系统线程状态中的 Running 和 Ready。

2.3、阻塞(Blocking)

等待获取一个排它锁，如果其线程释放了锁就会结束此状态。

2.4、无限期等待(Waiting)

等待其它线程显式地唤醒，否则不会被分配 CPU 时间片。

进入方法	退出方法
没有设置 Timeout 参数的 Object.wait() 方法	Object.notify() / Object.notifyAll()
没有设置 Timeout 参数的 Thread.join() 方法	被调用的线程执行完毕
LockSupport.park() 方法	-

2.5、限期等待(Timed Waiting)

无需等待其它线程显式地唤醒，在一定时间之后会被系统自动唤醒。

调用 Thread.sleep() 方法使线程进入限期等待状态时，常常用“使一个线程睡眠”进行描述。

调用 Object.wait() 方法使线程进入限期等待或者无限期等待时，常常用“挂起一个线程”进行描述。

睡眠和挂起是用来描述行为，而阻塞和等待用来描述状态。

阻塞和等待的区别在于，阻塞是被动的，它是在等待获取一个排它锁。而等待是主动的，通过调用 Thread.sleep() 和 Object.wait() 等方法进入。

进入方法	退出方法
Thread.sleep() 方法	时间结束
设置了 Timeout 参数的 Object.wait() 方法	时间结束 / Object.notify() / Object.notifyAll()
设置了 Timeout 参数的 Thread.join() 方法	时间结束 / 被调用的线程执行完毕
LockSupport.parkNanos() 方法	-
LockSupport.parkUntil() 方法	-

2.6、死亡(Terminated)

可以是线程结束任务之后自己结束，或者产生了异常而结束。

3、线程使用方式

常见的Java线程的4种创建方式分别为：

• 实现 Runnable 接口；
• 通过ExecutorService和Callable实现有返回值的线程
• 继承 Thread 类；
• 基于线程池。

如下图所示：

实现 Runnable 和 Callable 接口的类只能当做一个可以在线程中运行的任务，不是真正意义上的线程，因此最后还需要通过 Thread 来调用。可以说任务是通过线程驱动从而执行的。

3.1、实现 Runnable 接口

实现 Runnable 接口创建线程类，实现该类的 run()方法，基于Java编程语言的规范，如果子类已经继承（extends）了一个类，就无法再直接继承Thread类，此时可以通过实现Runnable接口创建线程。具体的实现过程为：通过实现Runnable接口创建ChildrenClassThread 线程，实例化名称为childrenThread的线程实例，创建Thread类的实例并传入childrenThread线程实例，调用线程的start方法启动线程。

• 通过 Thread 调用 start() 方法来启动线程。

public class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        // ...
    }
}
public static void main(String[] args) {
    MyRunnable instance = new MyRunnable();
    Thread thread = new Thread(instance);
    thread.start();
}

• 优点：线程类只是实现了Runable接口，还可以继承其他的类。在这种方式下，可以多个线程共享同一个目标对象，所以非常适合多个相同线程来处理同一份资源的情况，从而可以将CPU代码和数据分开，形成清晰的模型，较好地体现了面向对象的思想；
• 缺点：编程稍微复杂，如果需要访问当前线程，必须使用Thread.currentThread()方法

3.2、实现 Callable 接口

• 通过 Callable 和 Future 接口创建线程。
  • Callable接口，是一种让线程执行完成后，能够返回结果的。

与 Runnable 相比，Callable 可以有返回值，返回值通过 FutureTask 进行封装。

public class MyCallable implements Callable<Integer> {
    public Integer call() {
        return 123;
    }
}
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    MyCallable mc = new MyCallable();
    FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(mc);
    Thread thread = new Thread(ft);
    thread.start();
    System.out.println(ft.get());
}

3.3、继承 Thread 类

通过继承 Thread 类创建线程类，该子类重写Thread类的 run方法，Thread类实现了Runnable接口并定义了操作线程的一些方法，我们可以通过继承Thread类的方式创建一个线程

• 当调用 start() 方法启动一个线程时，虚拟机会将该线程放入就绪队列中等待被调度，当一个线程被调度时会执行该线程的 run() 方法。

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // ...
    }
}
public static void main(String[] args) {
    MyThread mt = new MyThread();
    mt.start();
}

• 优点：编写简单，如果需要访问当前线程，无需使用 Thread.currentThread()方法，直接使用this，即可获得当前线程；
• 缺点：因为线程类已经继承了Thread类，所以不能再继承其他的父类。

3.4、使用线程池

• 使用线程池

• 具体见 JUC第十六讲：深入理解 Java 中的线程池

3.5、实现接口 VS 继承 Thread

实现接口会更好一些，因为:

• Java 不支持多重继承，因此继承了 Thread 类就无法继承其它类，但是可以实现多个接口；
• 类可能只要求可执行就行，继承整个 Thread 类开销过大。

4、基础线程机制

4.1、Executor

Executor 管理多个异步任务的执行，而无需程序员显式地管理线程的生命周期。这里的异步是指多个任务的执行互不干扰，不需要进行同步操作。

主要有三种 Executor:

• CachedThreadPool: 一个任务创建一个线程；
• FixedThreadPool: 所有任务只能使用固定大小的线程；
• SingleThreadExecutor: 相当于大小为 1 的 FixedThreadPool。

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        executorService.execute(new MyRunnable());
    }
    executorService.shutdown();
}

4.2、Daemon

守护线程是程序运行时在后台提供服务的线程，不属于程序中不可或缺的部分。

当所有非守护线程结束时，程序也就终止，同时会杀死所有守护线程。

main() 属于非守护线程。

使用 setDaemon() 方法将一个线程设置为守护线程。

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
    thread.setDaemon(true);
}

4.3、sleep()

Thread.sleep(millisec) 方法会休眠当前正在执行的线程，millisec 单位为毫秒。

sleep() 可能会抛出 InterruptedException，因为异常不能跨线程传播回 main() 中，因此必须在本地进行处理。线程中抛出的其它异常也同样需要在本地进行处理。

public void run() {
    try {
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

4.4、yield()

对静态方法 Thread.yield() 的调用声明了当前线程已经完成了生命周期中最重要的部分，可以切换给其它线程来执行。该方法只是对线程调度器的一个建议，而且也只是建议具有相同优先级的其它线程可以运行。

public void run() {
    Thread.yield();
}

5、线程中断

一个线程执行完毕之后会自动结束，如果在运行过程中发生异常也会提前结束。

5.1、InterruptedException

通过调用一个线程的 interrupt() 来中断该线程，如果该线程处于阻塞、限期等待或者无限期等待状态，那么就会抛出 InterruptedException，从而提前结束该线程。但是不能中断 I/O 阻塞和 synchronized 锁阻塞。

对于以下代码，在 main() 中启动一个线程之后再中断它，由于线程中调用了 Thread.sleep() 方法，因此会抛出一个 InterruptedException，从而提前结束线程，不执行之后的语句。

public class InterruptExample {
    private static class MyThread1 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("Thread run");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread thread1 = new MyThread1();
    thread1.start();
    thread1.interrupt();
  	// 下面这行代码不会被执行
    System.out.println("Main run");
}

Main run
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at InterruptExample.lambda$main$0(InterruptExample.java:5)
    at InterruptExample$$Lambda$1/713338599.run(Unknown Source)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

5.2、interrupted()

如果一个线程的 run() 方法执行一个无限循环，并且没有执行 sleep() 等会抛出 InterruptedException 的操作，那么调用线程的interrupt() 方法就无法使线程提前结束。

但是调用 interrupt() 方法会设置线程的中断标记，此时调用 interrupted() 方法会返回 true。因此可以在循环体中使用 interrupted() 方法来判断线程是否处于中断状态，从而提前结束线程。

public class InterruptExample {
    private static class MyThread2 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while (!interrupted()) {
                // ..
            }
            System.out.println("Thread end");
        }
    }
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread thread2 = new MyThread2();
    thread2.start();
    thread2.interrupt();
}

Thread end

5.3、Executor 的中断操作

调用 Executor 的 shutdown() 方法会等待线程都执行完毕之后再关闭，但是如果调用的是 shutdownNow() 方法，则相当于调用每个线程的 interrupt() 方法。

以下使用 Lambda 创建线程，相当于创建了一个匿名内部线程。

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> {
        try {
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("Thread run");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    executorService.shutdownNow();
    System.out.println("Main run");
}

Main run
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at ExecutorInterruptExample.lambda$main$0(ExecutorInterruptExample.java:9)
    at ExecutorInterruptExample$$Lambda$1/1160460865.run(Unknown Source)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

如果只想中断 Executor 中的一个线程，可以通过使用 submit() 方法来提交一个线程，它会返回一个 Future 对象，通过调用该对象的 cancel(true) 方法就可以中断线程。

Future<?> future = executorService.submit(() -> {
    // ..
});
future.cancel(true);

6、线程互斥同步

Java 提供了两种锁机制来控制多个线程对共享资源的互斥访问，第一个是 JVM 实现的 synchronized，而另一个是 JDK 实现的 ReentrantLock。

6.1、synchronized

1. 同步一个代码块

public void func() {
    synchronized (this) {
        // ...
    }
}

它只作用于同一个对象，如果调用两个对象上的同步代码块，就不会进行同步。

对于以下代码，使用 ExecutorService 执行了两个线程，由于调用的是同一个对象的同步代码块，因此这两个线程会进行同步，当一个线程进入同步语句块时，另一个线程就必须等待。

public class SynchronizedExample {

    public void func1() {
        synchronized (this) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func1());
    executorService.execute(() -> e1.func1());
}

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

对于以下代码，两个线程调用了不同对象的同步代码块，因此这两个线程就不需要同步。从输出结果可以看出，两个线程交叉执行。

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func1());
    executorService.execute(() -> e2.func1());
}

0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9

2. 同步一个方法

public synchronized void func () {
    // ...
}

它和同步代码块一样，作用于同一个对象。

3. 同步一个类

public void func() {
    synchronized (SynchronizedExample.class) {
        // ...
    }
}

作用于整个类，也就是说两个线程调用同一个类的不同对象上的这种同步语句，也会进行同步。

public class SynchronizedExample {

    public void func2() {
        synchronized (SynchronizedExample.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func2());
    executorService.execute(() -> e2.func2());
}

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

4. 同步一个静态方法

public synchronized static void fun() {
    // ...
}

作用于整个类。

6.2、ReentrantLock

ReentrantLock 是 java.util.concurrent(JUC)包中的锁。

public class LockExample {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    public void func() {
        lock.lock();
        try {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        } finally {
          	// 确保释放锁，从而避免发生死锁。
            lock.unlock();
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    LockExample lockExample = new LockExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> lockExample.func());
    executorService.execute(() -> lockExample.func());
}

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

6.3、比较

1. 锁的实现

synchronized 是 JVM 实现的，而 ReentrantLock 是 JDK 实现的。

2. 性能

新版本 Java 对 synchronized 进行了很多优化，例如自旋锁等，synchronized 与 ReentrantLock 大致相同。

3. 等待可中断

当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情。

ReentrantLock 可中断，而 synchronized 不行。

4. 公平锁

公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁。

synchronized 中的锁是非公平的，ReentrantLock 默认情况下也是非公平的，但是也可以是公平的。

5. 锁绑定多个条件

一个 ReentrantLock 可以同时绑定多个 Condition 对象。

6.4、使用选择

除非需要使用 ReentrantLock 的高级功能，否则优先使用 synchronized。这是因为 synchronized 是 JVM 实现的一种锁机制，JVM 原生地支持它，而 ReentrantLock 不是所有的 JDK 版本都支持。并且使用 synchronized 不用担心没有释放锁而导致死锁问题，因为 JVM 会确保锁的释放。

7、线程之间的协作 面试必备

当多个线程可以一起工作去解决某个问题时，如果某些部分必须在其它部分之前完成，那么就需要对线程进行协调。

7.1、join()

在线程中调用另一个线程的 join() 方法，会将当前线程挂起，而不是忙等待，直到目标线程结束。

对于以下代码，虽然 b 线程先启动，但是因为在 b 线程中调用了 a 线程的 join() 方法，b 线程会等待 a 线程结束才继续执行，因此最后能够保证 a 线程的输出先于 b 线程的输出。

public class JoinExample {

    private class A extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("A");
        }
    }

    private class B extends Thread {

        private A a;

        B(A a) {
            this.a = a;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                a.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("B");
        }
    }

    public void test() {
        A a = new A();
        B b = new B(a);
        b.start();
        a.start();
    }
}
public static void main(String[] args) {
    JoinExample example = new JoinExample();
    example.test();
}

A
B

7.2、Object的wait()/notify()/notifyAll()

调用 wait() 使得线程等待某个条件满足，线程在等待时会被挂起，当其他线程的运行使得这个条件满足时，其它线程会调用 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程。

它们都属于 Object 的一部分，而不属于 Thread。

只能用在同步方法或者同步控制块中使用，否则会在运行时抛出 IllegalMonitorStateExeception。

使用 wait() 挂起期间，线程会释放锁。这是因为，如果没有释放锁，那么其它线程就无法进入对象的同步方法或者同步控制块中，那么就无法执行 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程，造成死锁。

public class WaitNotifyExample {
    public synchronized void before() {
        System.out.println("before");
        notifyAll();
    }

    public synchronized void after() {
        try {
            wait();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("after");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    WaitNotifyExample example = new WaitNotifyExample();
    executorService.execute(() -> example.after());
    executorService.execute(() -> example.before());
}

before
after

wait() 和 sleep() 的区别

• wait() 是 Object 的方法，而 sleep() 是 Thread 的静态方法；
• wait() 会释放锁，sleep() 不会。

7.3、Condition的await()/signal()/signalAll()

java.util.concurrent 类库中提供了 Condition 类来实现线程之间的协调，可以在 Condition 上调用 await() 方法使线程等待，其它线程调用 signal() 或 signalAll() 方法唤醒等待的线程。相比于 wait() 这种等待方式，await() 可以指定等待的条件，因此更加灵活。

使用 Lock 来获取一个 Condition 对象。

public class AwaitSignalExample {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();

    public void before() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("before");
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void after() {
        lock.lock();
        try {
            condition.await();
            System.out.println("after");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    AwaitSignalExample example = new AwaitSignalExample();
    executorService.execute(() -> example.after());
    executorService.execute(() -> example.before());
}

before
after

7.4、LockSupport 的park()/unpark()

使用park/unpark实现线程同步

class MyThread extends Thread {
    private Object object;

    public MyThread(Object object) {
        this.object = object;
    }

    public void run() {
        System.out.println("before unpark");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 获取blocker
        System.out.println("Blocker info " + LockSupport.getBlocker((Thread) object));
        // 释放许可
        LockSupport.unpark((Thread) object);
        // 休眠500ms，保证先执行park中的setBlocker(t, null);
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 再次获取blocker
        System.out.println("Blocker info " + LockSupport.getBlocker((Thread) object));

        System.out.println("after unpark");
    }
}

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread(Thread.currentThread());
        myThread.start();
        System.out.println("before park");
        // 获取许可
        LockSupport.park("ParkAndUnparkDemo");
        System.out.println("after park");
    }
}

运行结果:

before park
before unpark
Blocker info ParkAndUnparkDemo
after park
Blocker info null
after unpark

具体可以参考这篇文章：JUC第八讲：JUC锁: LockSupport详解

Action1：有ABC 3 个线程，线程C需要等待线程AB执行完成才能执行？

方法一：LockSupport + AtomicInteger

• 先执行线程C，用 park() 挂起线程C，线程A、B各自执行完成时，flag 减1并判断是否为0，若为0则用unpark( c )给线程C 颁发许可

public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger flag = new AtomicInteger(2);
        Thread c =  new Thread(()->{
            System.out.println("线程C开启，等待线程A、B执行完成才继续执行");
            LockSupport.park();
            System.out.println("线程C开始执行");
        });
        c.start();

        new Thread(()->{
            System.out.println("线程A开始执行");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("线程A执行完成");
            if (flag.decrementAndGet() == 0){
            	//唤醒指定线程
                LockSupport.unpark(c);
            }
        }).start();
        
        new Thread(()->{
            System.out.println("线程B开始执行");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("线程B执行完成");
            if (flag.decrementAndGet() == 0){
                LockSupport.unpark(c);
            }
        }).start();
}

方法二：CountDownLatch

• CountDownLatch 有一个计数器，countDown方法 对计数器做减操作，await 方法等待计数器达到0。所有await的线程都会阻塞直到计数器为0或者等待线程中断或者超时

public static void main(String[] args) {   
		CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
    new Thread(() -> {
        System.out.println("线程A开始执行");
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));
            latch.countDown();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("线程A执行完成");
    }).start();

    new Thread(() -> {
        System.out.println("线程B开始执行");
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));
            latch.countDown();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("线程B执行完成");
    }).start();

    new Thread(() -> {
        System.out.println("线程C开启，等待线程A、B执行完成才继续执行");
        try {
            latch.await();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("线程C执行完成");
    }).start();
}

方法三：CyclicBarrier

CyclicBarrier 与 CountDownLatch 类似 ，它能阻塞一组线程全部到某个状态再同时执行。 CyclicBarrier 与 CountDownLatch 的关键区别在于，所有的线程必须全部到达位置，才能继续执行。CountDownLatch 用于等待事件，而 CyclicBarrier 用于等待其他线程，在任意一个线程没有完成之前，所有线程都不能继续执行。

public static void main(String[] args) {
    CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);
    //只有所有线程执行到了 await()，所有线程才会继续往下执行

    new Thread(() -> {
        System.out.println("线程A开始执行");
        try {
            //执行业务
            TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));
            System.out.println("线程A执行完成，等待其它线程一起冲破栅栏");
            barrier.await();
        } catch (Exception e) {
          	e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("线程A执行完成");
    }).start();

    new Thread(() -> {
        System.out.println("线程B开始执行");
        try {
            //执行业务
            TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(10));
            System.out.println("线程B执行完成，等待其它线程一起冲破栅栏");
            barrier.await();
        } catch (Exception e) {
          	e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("线程B执行完成");
    }).start();

    new Thread(() -> {
        try {
            System.out.println("线程C开启，等待线程AB执行完成一起冲破栅栏");
            barrier.await();
            //执行业务
        } catch (Exception e) {
          	e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("线程C执行完成");
    }).start();
}