JUC—— java线程

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java线程

3.1 创建和运行线程

方法一，直接使用 Thread

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// 构造方法的参数是给线程指定名字，，推荐给线程起个名字
Thread t1 = new Thread("t1") {
 @Override
 // run 方法内实现了要执行的任务
 public void run() {
 log.debug("hello");
 }
};
t1.start();

方法二，使用 Runnable 配合 Thread

把【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）Test2.java

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// 创建任务对象
Runnable task2 = new Runnable() {
 @Override
 public void run() {
 log.debug("hello");
 }
};
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐给线程起个名字
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
t2.start();

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，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。
通过查看源码可以发现，方法二其实到底还是通过方法一执行的！

方法三，FutureTask 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 Test3.java

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public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    // 实现多线程的第三种方法可以返回数据
    FutureTask futureTask = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
        @Override
        public Integer call() throws Exception {
            log.debug("多线程任务");
            Thread.sleep(100);
            return 100;
        }
    });
    // 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
    new Thread(futureTask,"我的名字").start();
    log.debug("主线程");
    log.debug("{}",futureTask.get());
}

Future就是对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过get方法获取执行结果，该方法会阻塞直到任务返回结果。

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public interface Future<V> {
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    boolean isCancelled();
    boolean isDone();
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

Future提供了三种功能：

  1. 判断任务是否完成；

  2. 能够中断任务；

  3. 能够获取任务执行结果。

FutureTask是Future和Runable的实现

3.2 线程运行原理

虚拟机栈与栈帧

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，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(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 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

3.3 Thread的常见方法

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3.3.1 start 与 run

调用start

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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 Test4.java

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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

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

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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

3.3.2 sleep 与 yield

sleep

  1. 调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
  2. 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】
  3. 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)
  4. 建议用 TimeUnit 的 sleep() 代替 Thread 的 sleep()来获得更好的可读性

yield

  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(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

3.3.3 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

3.3.4 join

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 Test10.java

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

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private static void test2() throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            sleep(1);
            r1 = 10;
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            sleep(2);
            r2 = 20;
        });
        t1.start();
        t2.start();
        long start = System.currentTimeMillis();
        log.debug("join begin");
        t2.join();
        log.debug("t2 join end");
        t1.join();
        log.debug("t1 join end");
        long end = System.currentTimeMillis();
        log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
    }

3.3.5 interrupt 方法详解

打断 sleep，wait，join 的线程

先了解一些interrupt()方法的相关知识：博客地址

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Test7.java

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public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread() {
        @Override
        public void run() {
            log.debug("线程任务执行");
            try {
                Thread.sleep(10000); // wait, join
            } catch (InterruptedException e) {
                //e.printStackTrace();
                log.debug("被打断");
            }
        }
    };
    t1.start();
    Thread.sleep(500);
    log.debug("111是否被打断？{}",t1.isInterrupted());
    t1.interrupt();
    log.debug("222是否被打断？{}",t1.isInterrupted());
    Thread.sleep(500);
    log.debug("222是否被打断？{}",t1.isInterrupted());
    log.debug("主线程");
}

输出结果：（我下面将中断和打断两个词混用）可以看到，打断 sleep 的线程, 会清空中断状态，刚被中断完之后t1.isInterrupted()的值为true，后来变为false，即中断状态会被清除。那么线程是否被中断过可以通过异常来判断。
【同时要注意如果打断被join()，wait() blocked的线程也是一样会被清除，被清除(interrupt status will be cleared)的意思即中断状态设置为false，被设置( interrupt status will be set)的意思就是中断状态设置为true】

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17:06:11.890 [Thread-0] DEBUG com.concurrent.test.Test7 - 线程任务执行
17:06:12.387 [main] DEBUG com.concurrent.test.Test7 - 111是否被打断？false
17:06:12.390 [Thread-0] DEBUG com.concurrent.test.Test7 - 被打断
17:06:12.390 [main] DEBUG com.concurrent.test.Test7 - 222是否被打断？true
17:06:12.890 [main] DEBUG com.concurrent.test.Test7 - 222是否被打断？false
17:06:12.890 [main] DEBUG com.concurrent.test.Test7 - 主线程

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

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public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while(true) {
            boolean interrupted = Thread.currentThread().isInterrupted();
            if(interrupted) {
                log.debug("被打断了, 退出循环");
                break;
            }
        }
    }, "t1");
    t1.start();
    Thread.sleep(1000);
    log.debug("interrupt");
    t1.interrupt();
}

终止模式之两阶段终止模式

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T2一个料理后事的机会（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！

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代码实现如下：

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@Slf4j
public class Test11 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TwoParseTermination twoParseTermination = new TwoParseTermination();
        twoParseTermination.start();
        Thread.sleep(3000);  // 让监控线程执行一会儿
        twoParseTermination.stop(); // 停止监控线程
    }
}


@Slf4j
class TwoParseTermination{
    Thread thread ;
    public void start(){
        thread = new Thread(()->{
            while(true){
                if (Thread.currentThread().isInterrupted()){
                    log.debug("线程结束。。正在料理后事中");
                    break;
                }
                try {
                    Thread.sleep(500);
                    log.debug("正在执行监控的功能");
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        thread.start();
    }
    public void stop(){
        thread.interrupt();
    }
}

3.3.6 sleep，yiled，wait，join 对比

关于join的原理和这几个方法的对比：看这里

补充：

  1. sleep，join，yield，interrupted是Thread类中的方法
  2. 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

3.4 守护线程

默认情况下，java进程需要等待所有的线程结束后才会停止，但是有一种特殊的线程，叫做守护线程，在其他线程全部结束的时候即使守护线程还未结束代码未执行完java进程也会停止。
普通线程t1可以调用t1.setDeamon(true); 方法变成守护线程

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

3.5 线程状态之五种状态

五种状态的划分主要是从操作系统的层面进行划分的

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  1. 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
  2. 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
  3. 运行状态，指线程获取了CPU时间片，正在运行
    1. 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
  4. 阻塞状态
    1. 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】
    2. 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】
    3. 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
  5. 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

3.6 线程状态之六种状态

这是从 Java API 层面来描述的，我们主要研究的就是这种。状态转换详情图：地址
根据 Thread.State 枚举，分为六种状态 Test12.java

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  1. NEW 跟五种状态里的初始状态是一个意思
  2. RUNNABLE 是当调用了 start() 方法之后的状态，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【io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）
  3. BLOCKED ， WAITING ， TIMED_WAITING 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