笨蛋学JUC并发编程-进程与线程

1.进程与线程

1.1概念

• 进程：程序由指令和数据组成，当程序从磁盘加载到程序的代码中再到内存中，就已经开启了一个进程。

  进程可以看做是程序的一个实例，大部分程序都可以同时运行多个实例进程，也有程序只能启动一个进程

• 线程：一个进程可以分为一到多个线程；一个线程就是一个指令流，将指令流中的指令按一定的顺序交给CPU执行

  线程作为最小的调度单位，进程作为资源分配的最小单位

---

1.1.1进程线程之间对比

• 进程基本上是相互独立的，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
• 线程通信相对简单，因为能共享进程内的内存，一个实例由多个线程功能访问同一个共享变量
• 线程更轻量，且上下文切换成本一般要比进程上下文切换低

1.1.2并发与并行

• 并发concurrent：在同一时刻，有多个指令在单个CPU上交替执行（线程轮流使用CPU）

  同一时间应对多件事情的能力

• 并行parallel：在同一时刻，有多个指令在多个CPU上同时执行（多核CPU，每个核都可以调度运行线程）

  同一时间动手做多件事情的能力

1.1.3同步与异步

• 同步：需要等待结果返回，才能继续运行
• 异步：不需要等待结果返回，就能继续运行

1.1.4单线程与多线程

• 在单核CPU下，多线程不能实际提高程序运行效率，也只是不同线程轮流使用CPU

• 在多核CPU下，可以并行跑多个线程，但是能否提高程序运行效率，还是需要分情况

  根据任务的不同，决定是否拆分任务，然后来并行执行，以此来提高程序运行效率

1.2创建和运行线程

1.2.1直接使用Thread

• 将线程和任务合并在了一起

  1. 创建线程对象

  2. 启动线程

Thread t =new Thread(){
    @Override
    public void run() {
        log.debug("running");
    }
};
t.setName("t1");
t.start();
log.debug("main-running");

1.2.2使用Runnable配合Thread

• 将线程和任务(要执行的代码)分开
  • Thread代表线程
  • Runnable可运行的任务(线程要执行的代码)

Runnable runnable = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        log.debug("running");
    }
};
Thread t = new Thread(runnable,"t2");
t.start();

1.2.3使用lambda语法配合Thread

Runnable runnable = () -> {log.debug("running");};
Thread t = new Thread(runnable,"t2");
t.start();

--------------------------------------------------------
Thread t = new Thread(() -> {log.debug("running");},"t2");
t.start();

1.2.4总结

• 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

1.2.5FutureTask配合Thread

• FutureTask能够接受Callable类型的参数，用来处理有返回结果的情况

FutureTask<Integer> integerFutureTask = new FutureTask<Integer>(new Callable<Integer>() {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        log.debug("running...");
        Thread.sleep(1000);
        return 1000;
    }
});

//参数1是任务对象，参数2是线程名字
Thread t = new Thread(integerFutureTask,"t1");
t.start();
//获取FutureTask中的值
//主线程阻塞，同步等待FutureTask执行完毕的结果
log.debug("{}",integerFutureTask.get());

1.2.6多线程同时运行

new Thread(()->{
   while (true){
       log.debug("running");
   }
},"t1").start();
new Thread(()->{
    while (true){
        log.debug("running");
    }
},"t2").start();

1.2.7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，通过查看进程ID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)

jconsole远程监控配置

• 需要以如下方式运行Java类

  java -Djava.rmi.server.hostname=`ip地址` -Dcom.sun.management.jmxremote -
  Dcom.sun.management.jmxremote.port=`连接端口` -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=是否安全连接(true/false) -
  Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=是否认证 java类(true/false)
  

• 修改/etc/hosts文件将127.0.0.1映射至主机名

若需要认证访问，还需要做如下步骤

• 复制jmxremote.password文件
• 修改jmxremote.password和较明显remote.access文件的权限为600即文件所有者可读写
• 连接时填入controlRole(用户名)，R&D（密码）

1.3线程运行原理

1.3.1栈与栈帧

Java Virtual Machine Stacks(Java虚拟机栈)

JVM由堆、栈、方法区组成，栈内存主要是给线程用的，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

---

• 每个线程有自己独立的栈帧，每个线程都是独立的且互不干扰

1.3.2线程上下文切换(Thread Context Switch)

出现一些原因导致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线程上下文发生时，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。

程序计数器就是记住下一条JVM指令的执行地址的作用，是线程私有的

• 状态信息包括程序计数器、虚拟机栈中的每个栈帧信息，如局部变量表、操作数栈、动态连接、方法返回地址等
• Context Switch线程上下文切换频繁发生会影响性能

1.3.4常用方法

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()		新线程启动后会调用的方法	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)		修改线程名
getPriority()		获取线程优先级
setPriority(int)		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
sleep(long n)	static	让当前执行的线 程休眠n毫秒，休眠时让出 cpu 的时间片给其它 线程
yield()	static	提示线程调度器 让出当前线程对 CPU的使用	主要是为了测试和调试

1.3.4.1strart和run

• 使用run()方法，程序仍在 main 线程运行， FileReader.read() 方法调用是同步的
• 使用start()方法，程序在 t1 线程运行， FileReader.read() 方法调用是异步的

---

• 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 中的代码

  public static void main(String[] args) {
      Thread t1 = new Thread("t1") {
          @Override
          public void run() {
              log.debug(Thread.currentThread().getName());
              FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH);
          }
      };
      
      t1.run(); //t1.start()
      log.debug("do other things ...");
  }
  

1.3.4.2sleep和yield

sleep（有一个等待的时间）

1. 调用 sleep() 会让当前线程从 Running进入 Timed Waiting 状态（阻塞）

   Thread t1 = new Thread("t1") {
               @Override
               public void run() {
                   //让t1线程休眠2秒
                   try {
                       Thread.sleep(2000);
                   } catch (InterruptedException e) {
                       e.printStackTrace();
                   }
   
               }
           };
           t1.start();
           log.debug("t1 state: {}", t1.getState());
   
           //让主线程也休眠500毫秒
           try {
               Thread.sleep(500);
           } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
           }
           log.debug("t1 state: {}", t1.getState());
   

2. 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

   @Test
       public void test1() throws InterruptedException {
           Thread t1 = new Thread("t1") {
               @Override
               public void run() {
                   //让t1线程休眠2秒
                   try {
                       Thread.sleep(2000);
                   } catch (InterruptedException e) {
                       log.debug("wake up...");
                       e.printStackTrace();
                   }
   
               }
           };
           t1.start();
   
           Thread.sleep(1000);
           log.debug("interrupt...");
           t1.interrupt();
       }
   -------------------------------------------------------------
   14:43:27.175 [main] DEBUG c.ThreadMethod - interrupt...
   14:43:27.177 [t1] DEBUG c.ThreadMethod - wake up...
   java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
   	at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
   	at com.technologystatck.juc.threads.ThreadMethod$1.run(ThreadMethod.java:53)
   

3. 睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行

4. 建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性

   @Test
       public void test2() throws InterruptedException {
           log.debug("enter");
           TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
           log.debug("end");
       }
   14:53:34.486 [main] DEBUG c.ThreadMethod - enter
   14:53:35.499 [main] DEBUG c.ThreadMethod - end
   

yield（没有等待时间）

1. 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

2. 具体的实现依赖于操作系统的任务调度器

线程优先级 （调度器可忽略）

• 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

  @Test
      public void test3() throws InterruptedException {
          Runnable task1 = () -> {
              int count = 0;
              for (;;) {
                  System.out.println("---->1 " + count++);
              }
          };
          Runnable task2 = () -> {
              int count = 0;
              for (;;) {
                  // Thread.yield();
                  System.out.println("    ---->2 " + count++);
              }
          };
          Thread t1 = new Thread(task1, "t1");
          Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
    	    // t1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
  	    // t2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
          t1.start();
          t2.start();
      }
  

1.3.4.3join()（让等待同步）

• join会等待线程结束然后再执行后面的内容
• 而当线程执行结束会导致 join 结束

static int r = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test1();
}

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.start();
    log.debug("结果为:{}", r);
    log.debug("结束");
}

• 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

---

1. 最好别用 sleep ，因为主线程可以等t1执行完，继续再执行；但是这期间不能保证t1线程需要运行的时间，所以不能确定

2. 用 join，加在 t1.start() 之后即可

• 未等够时间

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(1);
        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);
}

• 等够时间

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(1);
        r1 = 10;
    });
    long start = System.currentTimeMillis();
    t1.start();
    // 线程执行结束会导致 join 结束
    t1.join(3000);
    long end = System.currentTimeMillis();
    log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

---

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);
}

• 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

1.3.4.4interrupt()

• isInterrupted默认为false，正常打断标记会置为true
• 打断睡眠状态下的sleep、wait、join、park后，标记会被置为false

private static void test1() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(()->{
        sleep(1);
    }, "t1");
    t1.start();
    sleep(0.5);
    t1.interrupt();
    log.debug(" 打断状态: {}", t1.isInterrupted());
}

---

• 使用线程对象的 stop() 方法停止线程 ，stop 方法会真正杀死线程，如果这时线程锁住了共享资源，那么当它被杀死后就再也没有机会释放锁，其它线程将永远无法获取锁，会造成死锁
• 使用 System.exit(int) 方法停止线程，目的仅是停止一个线程，但这种做法会让整个程序都停止

两阶段终止模式

@Test
    public void test4() throws InterruptedException {
        TPTInterrupt tptInterrupt = new TPTInterrupt();

        tptInterrupt.start();
        Thread.sleep(3500);
        tptInterrupt.stop();
    }

@Slf4j(topic = "c.TPTInterrupt")
class TPTInterrupt {
    private Thread thread;
    public void start(){
        thread = new Thread(() -> {
            while(true) {
                Thread current = Thread.currentThread();
//                log.debug("current.isInterrupted="+current.isInterrupted());
                if(current.isInterrupted()) {
//                    log.debug("isInterrupted="+current.isInterrupted());
                    log.debug("料理后事");
//                    log.debug("isInterrupted="+current.isInterrupted());

                    break;
                }
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    log.debug("将结果保存");
                } catch (InterruptedException e) {
                    current.interrupt();
                }
                // 执行监控操作
            }
        },"监控线程");
        thread.start();
    }
    public void stop() {
        thread.interrupt();
    }
}

• 使用interrupt打断park()

public static void test5() throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            log.debug("park...");
            LockSupport.park();

            log.debug("unpark...");
            //使用interrupted打断后恢复标志
            log.debug("打断状态：{}",Thread.interrupted());

            LockSupport.park();
            log.debug("unpark...");
        },"t1");
        t1.start();

        sleep(1);
        t1.interrupt();
    }

不推荐的方法

• stop()：停止线程运行
• suspend()：挂起(暂停)线程运行
• resume()：恢复线程运行

​ 容易导致线程死锁，不推荐使用

---

1.4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(线程.setDaemon(true))，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。

log.debug("开始运行...");
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("开始运行...");
sleep(2);
log.debug("运行结束...");
}, "daemon");
// 设置该线程为守护线程
t1.setDaemon(true);
t1.start();

sleep(1);
log.debug("运行结束...");

• 守护线程的应用场景

  • 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

1.5线程的五种状态

CPU

运行状态

初始状态

可运行状态

终止状态

阻塞状态

• 【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

1.6线程的六种状态

• 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 ， WAITING ， TIMED_WAITING 都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分

• TERMINATED 当线程代码运行结束

1.6.1案例

	Thread t1 = new Thread("t1") {//NEW
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running...");
            }
        };

        Thread t2 = new Thread("t2") {//RUNNABLE
            @Override
            public void run() {
                while (true) {

                }
            }
        };
        t2.start();

        Thread t3 = new Thread("t3") {//TERMINATED
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running...");
            }
        };
        t3.start();

        Thread t4 = new Thread("t4") {//TIMED_WAITING
            @Override
            public void run() {
                synchronized (ThreadMethod.class) {
                    try {
                        Thread.sleep(1000000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        t4.start();

        Thread t5 = new Thread("t5") {//WAITTING
            @Override
            public void run() {
                try {
                    t2.join();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        t5.start();

        Thread t6 = new Thread("t6") {//BLOCKED
            @Override
            public void run() {
                synchronized (ThreadMethod.class) {
                    try {
                        Thread.sleep(1000000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        t6.start();

        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());

1.7烧水泡茶

Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("洗水壶");
            try {
                sleep(1);
                log.debug("烧开水");
                sleep(15);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "老王");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                log.debug("洗茶壶");
                sleep(1);
                log.debug("洗茶杯");
                sleep(2);
                log.debug("拿茶叶");
                sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            try {
                //等待水开
                t1.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.debug("泡茶");
        }, "小王");

        t1.start();
        t2.start();
    }
------------------------------------------------------------
19:34:26.084 [老王] DEBUG c.Kettle - 洗水壶
19:34:26.084 [小王] DEBUG c.Kettle - 洗茶壶
19:34:26.090 [老王] DEBUG c.Kettle - 烧开水
19:34:26.090 [小王] DEBUG c.Kettle - 洗茶杯
19:34:26.093 [小王] DEBUG c.Kettle - 拿茶叶
19:34:26.105 [小王] DEBUG c.Kettle - 泡茶