[高并发Java 二] 多线程基础

布满荆棘的人生 2022-07-18 06:16 218阅读 0赞

## 1. 什么是线程 ##

线程是进程内的执行单元

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某个进程当中都有若干个线程。

线程是进程内的执行单元。

使用线程的原因是，进程的切换是非常重量级的操作，非常消耗资源。如果使用多进程，那么并发数相对来说不会很高。而线程是更细小的调度单元，更加轻量级，所以线程会较为广泛的用于并发设计。

在Java当中线程的概念和操作系统级别线程的概念是类似的。事实上，Jvm将会把Java中的线程映射到操作系统的线程区。

## 2. 线程的基本操作 ##

### 2.1 线程状态图 ###

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上图是Java中线程的基本操作。

当new出一个线程时，其实线程并没有工作。它只是生成了一个实体，当你调用这个实例的start方法时，线程才真正地被启动。启动后到Runnable状态，Runnable表示该线程的资源等等已经被准备好，已经可以执行了，但是并不表示一定在执行状态，由于时间片轮转，该线程也可能此时并没有在执行。对于我们来说，该线程可以认为已经被执行了，但是是否真实执行，还得看物理cpu的调度。当线程任务执行结束后，线程就到了Terminated状态。

有时候在线程的执行当中，不可避免的会申请某些锁或某个对象的监视器，当无法获取时，这个线程会被阻塞住，会被挂起，到了Blocked状态。如果这个线程调用了wait方法，它就处于一个Waiting状态。进入Waiting状态的线程会等待其他线程给它notify，通知到之后由Waiting状态又切换到Runnable状态继续执行。当然等待状态有两种，一种是无限期等待，直到被notify。一直则是有限期等待，比如等待10秒还是没有被notify，则自动切换到Runnable状态。

### 2.2 新建线程 ###

Thread thread = new Thread();
    thread.start();

这样就开启了一个线程。

有一点需要注意的是

Thread thread = new Thread();
    thread.run();

直接调用run方法是无法开启一个新线程的。

start方法其实是在一个新的操作系统线程上面去调用run方法。换句话说，直接调用run方法而不是调用start方法的话，它并不会开启新的线程，而是在调用run的当前的线程当中执行你的操作。

Thread thread = new Thread("t1")
    {
    	@Override
    	public void run()
    	{
    		// TODO Auto-generated method stub
    		System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    	}
    };
    thread.start();

如果调用start，则输出是t1

Thread thread = new Thread("t1")
    {
    	@Override
    	public void run()
    	{
    		// TODO Auto-generated method stub
    		System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    	}
    };
    thread.run();

如果是run,则输出main。（直接调用run其实就是一个普通的函数调用而已，并没有达到多线程的作用）

run方法的实现有两种方式

第一种方式，直接覆盖run方法，就如刚刚代码中所示，最方便的用一个匿名类就可以实现。

Thread thread = new Thread("t1")
    {
    	@Override
    	public void run()
    	{
    		// TODO Auto-generated method stub
    		System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    	}
    };

第二种方式

Thread t1=new Thread(new CreateThread3());

CreateThread3()实现了Runnable接口。

在张孝祥的视频中，推荐第二种方式，称其更加面向对象。

### 2.3 终止线程 ###

*  Thread.stop() 不推荐使用。它会释放所有monitor

在源码中已经明确说明stop方法被Deprecated，在Javadoc中也说明了原因。

原因在于stop方法太过"暴力"了，无论线程执行到哪里，它将会立即停止掉线程。

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当写线程得到锁以后开始写入数据，写完id = 1，在准备将name = 1时被stop,释放锁。读线程获得锁进行读操作，读到的id为1，而name还是0，导致了数据不一致。

最重要的是这种错误不会抛出异常，将很难被发现。

### 2.4 线程中断 ###

线程中断有3种方法

public void Thread.interrupt() // 中断线程 
    public boolean Thread.isInterrupted() // 判断是否被中断 
    public static boolean Thread.interrupted() // 判断是否被中断，并清除当前中断状态

什么是线程中断呢？

如果不了解Java的中断机制，这样的一种解释极容易造成误解，认为调用了线程的interrupt方法就一定会中断线程。  
其实，Java的中断是一种协作机制。也就是说调用线程对象的interrupt方法并不一定就中断了正在运行的线程，它只是要求线程自己在合适的时机中断自己。每个线程都有一个boolean的中断状态（不一定就是对象的属性，事实上，该状态也确实不是Thread的字段），interrupt方法仅仅只是将该状态置为true。对于非阻塞中的线程, 只是改变了中断状态, 即Thread.isInterrupted()将返回true，并不会使程序停止;

public void run(){
        //线程t1
       while(true){
          Thread.yield();
       }
    }
    t1.interrupt();

这样使线程t1中断，是不会有效果的，只是更改了中断状态位。

如果希望非常优雅地终止这个线程，就该这样做

public void run(){ 
        while(true)
        { 
            if(Thread.currentThread().isInterrupted())
            { 
               System.out.println("Interruted!"); 
               break; 
            } 
            Thread.yield(); 
        } 
    }

使用中断，就对数据一致性有了一定的保证。

对于可取消的阻塞状态中的线程, 比如等待在这些函数上的线程, Thread.sleep(), Object.wait(), Thread.join(), 这个线程收到中断信号后, 会抛出InterruptedException, 同时会把中断状态置回为false.

对于取消阻塞状态中的线程，可以这样抒写代码：

public void run(){
        while(true){
            if(Thread.currentThread().isInterrupted()){
                System.out.println("Interruted!");
                break;
            }
            try {
               Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
               System.out.println("Interruted When Sleep");
               //设置中断状态，抛出异常后会清除中断标记位
               Thread.currentThread().interrupt();
            }
            Thread.yield();
        }
    }

### 2.5 线程挂起 ###

挂起（suspend）和继续执行（resume）线程

*  suspend()不会释放锁
 *  如果加锁发生在resume()之前 ，则死锁发生

这两个方法都是Deprecated方法，不推荐使用。

原因在于，suspend不释放锁，因此没有线程可以访问被它锁住的临界区资源，直到被其他线程resume。因为无法控制线程运行的先后顺序，如果其他线程的resume方法先被运行，那则后运行的suspend，将一直占有这把锁，造成死锁发生。

用以下代码来模拟这个场景

package test;
    
    public class Test
    {
    	static Object u = new Object();
    	static TestSuspendThread t1 = new TestSuspendThread("t1");
    	static TestSuspendThread t2 = new TestSuspendThread("t2");
    
    	public static class TestSuspendThread extends Thread
    	{
    		public TestSuspendThread(String name)
    		{
    			setName(name);
    		}
    
    		@Override
    		public void run()
    		{
    			synchronized (u)
    			{
    				System.out.println("in " + getName());
    				Thread.currentThread().suspend();
    			}
    		}
    	}
    
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    	{
    		t1.start();
    		Thread.sleep(100);
    		t2.start();
    		t1.resume();
    		t2.resume();
    		t1.join();
    		t2.join();
    	}
    }

让t1,t2同时争夺一把锁，争夺到的线程suspend，然后再resume，按理来说，应该某个线程争夺后被resume释放了锁，然后另一个线程争夺掉锁，再被resume。

结果输出是：

in t1
    in t2

说明两个线程都争夺到了锁，但是控制台的红灯还是亮着的，说明t1,t2一定有线程没有执行完。我们dump出堆来看看

![150701_t6gX_2243330.jpg][]

发现t2一直被suspend。这样就造成了死锁。

### 2.6 join和yeild ###

yeild是个native静态方法，这个方法是想把自己占有的cpu时间释放掉，然后和其他线程一起竞争(注意yeild的线程还是有可能争夺到cpu，注意与sleep区别)。在javadoc中也说明了，yeild是个基本不会用到的方法，一般在debug和test中使用。

join方法的意思是等待其他线程结束，就如suspend那节的代码，想让主线程等待t1,t2结束以后再结束。没有结束的话，主线程就一直阻塞在那里。

package test;
    
    public class Test
    {
    	public volatile static int i = 0;
    
    	public static class AddThread extends Thread
    	{
    		@Override
    		public void run()
    		{
    			for (i = 0; i < 10000000; i++)
    				;
    		}
    	}
    
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    	{
    		AddThread at = new AddThread();
    		at.start();
    		at.join();
    		System.out.println(i);
    	}
    }

如果把上述代码的at.join去掉，则主线程会直接运行结束，i的值会很小。如果有join,打印出的i的值一定是10000000。

那么join是怎么实现的呢？

join的本质

while(isAlive()) 
    { 
       wait(0); 
    }

join()方法也可以传递一个时间，意为有限期地等待，超过了这个时间就自动唤醒。

这样就有一个问题，谁来notify这个线程呢，在thread类中没有地方调用了notify？

在javadoc中，找到了相关解释。当一个线程运行完成终止后，将会调用notifyAll方法去唤醒等待在当前线程实例上的所有线程,这个操作是jvm自己完成的。

所以javadoc中还给了我们一个建议，不要使用wait和notify/notifyall在线程实例上。因为jvm会自己调用，有可能与你调用期望的结果不同。

## 3. 守护线程 ##

*  在后台默默地完成一些系统性的服务，比如垃圾回收线程、JIT线程就可以理解为守护线程。
 *  当一个Java应用内，所有非守护进程都结束时，Java虚拟机就会自然退出。

此前有写过一篇python中如何实现，[查看这里][Link 1]。

而Java中变成守护进程就相对简单了。

Thread t=new DaemonT(); 
    t.setDaemon(true); 
    t.start();

这样就开启了一个守护线程。

package test;
    
    public class Test
    {
    	public static class DaemonThread extends Thread
    	{
    		@Override
    		public void run()
    		{
    			for (int i = 0; i < 10000000; i++)
    			{
    				System.out.println("hi");
    			}
    		}
    	}
    
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    	{
    		DaemonThread dt = new DaemonThread();
    		dt.start();
    	}
    }

当线程dt不是一个守护线程时，在运行后，我们能看到控制台输出hi

当在start之前加入

dt.setDaemon(true);

控制台就直接退出了，并没有输出。

## 4. 线程优先级 ##

Thread类中有3个变量定义了线程优先级。

public final static int MIN_PRIORITY = 1;
    public final static int NORM_PRIORITY = 5;
    public final static int MAX_PRIORITY = 10;

package test;
    
    public class Test
    {
    	public static class High extends Thread
    	{
    		static int count = 0;
    		@Override
    		public void run()
    		{
    			while (true)
    			{
    				synchronized (Test.class)
    				{
    					count++;
    					if (count > 10000000)
    					{
    						System.out.println("High");
    						break;
    					}
    				}
    			}
    		}
    	}
    	public static class Low extends Thread
    	{
    		static int count = 0;
    		@Override
    		public void run()
    		{
    			while (true)
    			{
    				synchronized (Test.class)
    				{
    					count++;
    					if (count > 10000000)
    					{
    						System.out.println("Low");
    						break;
    					}
    				}
    			}
    		}
    	}
    
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    	{
    		High high = new High();
    		Low low = new Low();
    		high.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
    		low.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
    		low.start();
    		high.start();
    	}
    }

让一个高优先级的线程和低优先级的线程同时争夺一个锁，看看哪个最先完成。

当然并不一定是高优先级一定先完成。再多次运行后发现，高优先级完成的概率比较大，但是低优先级还是有可能先完成的。

## 5. 基本的线程同步操作 ##

### synchronized 和 Object.wait() Obejct.notify() ###

这一节内容详情请看以前写的一篇[Blog][]

主要要注意的是

synchronized有三种加锁方式：

*  指定加锁对象：对给定对象加锁，进入同步代码前要获得给定对象的锁。
 *  直接作用于实例方法：相当于对当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁。
 *  直接作用于静态方法：相当于对当前类加锁，进入同步代码前要获得当前类的锁。

作用于实例方法，则不要new两个不同的实例

作用于静态方法，只要类一样就可以了，因为加的锁是类.class，可以new两个不同实例。

wait和notify的用法：

用什么锁住，就用什么调用wait和notify

[221843_tai0_2243330.gif]: /images/20220717/f35863e7ba714822bd3747dc06409543.png
[222431_XvLL_2243330.jpg]: /images/20220717/85631506aded4f9c971f14cf950d6001.png
[113702_iwlY_2243330.jpg]: /images/20220717/b2347e4700494e0994968ba5102fdbf8.png
[150701_t6gX_2243330.jpg]: /images/20220717/5b9d2ce8e2874f9787389a38eddb0d6a.png
[Link 1]: http://my.oschina.net/hosee/blog/507437
[Blog]: http://my.oschina.net/hosee/blog/485121#OSC_h4_4