并发系列之初识多线程

╰半夏微凉° 2022-11-15 14:20 239阅读 0赞

### 并发系列之初识多线程 ###

*   *  1、什么是多线程?
     *   *  1.1、线程和进程
         *   *  1.1.1、进程
             *  1.1.2、线程
         *  1.2、并行和并发
         *   *  1.2.1、并行
             *  1.2.2、并发
     *  2、为什么使用多线程？
     *  3、多线程难在哪里？
     *  4、多线程的基本使用
     *   *  4.1、定义任务、创建和运行线程
         *   *  4.1.1、继承Thread类定义，创建，运行线程
             *  4.1.2、实现Runnable接口定义，创建，运行线程
             *  4.1.3、实现Callable接口定义，创建，运行线程
     *  5、线程状态
     *   *  5.1、五种状态
         *  5.2、六种状态
     *  6、线程的相关方法总结
     *   *  6.1、Thread类中的核心方法
         *  6.2、Thread类中的核心方法
     *  7、六种线程状态和方法的对应关系
     *   *  7.1、线程的礼让-yield()&线程的优先级
         *  7.2、守护线程
         *  7.3、线程的阻塞
         *   *  7.3.1、sleep()
             *  7.3.2、join()
             *  7.3.2、线程的打断-interrupt()
     *  8、往期佳文
     *   *  8.1、面试系列
         *  8.2、技术系列
         *  8.3、源码系列
         *  8.4、数据结构和算法系列

## 1、什么是多线程? ##

### 1.1、线程和进程 ###

#### 1.1.1、进程 ####

当一个程序被运行，就开启了一个进程， 比如启动了qq，word  
       程序由指令和数据组成，指令要运行，数据要加载，指令被cpu加载运行，数据被加载到内存，指令运行时可由cpu调度硬盘、网络等设备

#### 1.1.2、线程 ####

一个进程内可分为多个线程  
       一个线程就是一个指令流，cpu调度的最小单位，由cpu一条一条执行指令

操作系统的设计，因此可以归结为三点：  
（1）以多进程形式，允许多个任务同时运行；  
（2）以多线程形式，允许单个任务分成不同的部分运行；  
（3）提供协调机制，一方面防止进程之间和线程之间产生冲突，另一方面允许进程之间和线程之间共享资源。

外部链接：[通俗易懂的进程与线程之间的关系（有图）][Link 1]

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### 1.2、并行和并发 ###

#### 1.2.1、并行 ####

多核cpu运行 多线程时，真正的在同一时刻运行

#### 1.2.2、并发 ####

单核cpu运行多线程时，时间片进行很快的切换。线程轮流执行cpu  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

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## 2、为什么使用多线程？ ##

**多线程的好处：**

1.  程序运行的更快！快！快！
2.  充分利用cpu资源，目前几乎没有线上的cpu是单核的，发挥多核cpu强大的能力  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

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## 3、多线程难在哪里？ ##

单线程只有一条执行线，过程容易理解，可以在大脑中清晰的勾勒出代码的执行流程  
       多线程却是多条线，而且一般多条线之间有交互，多条线之间需要通信，一般难点有以下几点：  
              1. 多线程的执行结果不确定,受到cpu调度的影响  
              2. 多线程的安全问题  
              3. 线程资源宝贵，依赖线程池操作线程，线程池的参数设置问题  
              4. 多线程执行是动态的，同时的,难以追踪过程  
              5. 多线程的底层是操作系统层面的，源码难度大

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## 4、多线程的基本使用 ##

### 4.1、定义任务、创建和运行线程 ###

**任务：** 线程的执行体。也就是我们的核心代码逻辑。  
**定义线程：**

1.  继承Thread类（可以说是 将任务和线程合并在一起了）
2.  实现Runnable接口（可以说是 将任务和线程分开了）
3.  实现Callable接口（利用FutureTask执行任务）

/** * 1、corePoolSize 核心线程数大小，当线程数 < corePoolSize ，会创建线程执行 runnable * * 2、maximumPoolSize 最大线程数， 当线程数 >= corePoolSize的时候，会把 runnable 放入 workQueue中 * * 3、keepAliveTime 保持存活时间，当线程数大于corePoolSize的空闲线程能保持的最大时间。 * * 4、unit 时间单位 * * 5、workQueue 保存任务的阻塞队列 * * 6、threadFactory 创建线程的工厂 * * 7、handler 拒绝策略 */
    public class WtyicyThreadPoolExecutor extends ThreadPoolExecutor { 
    
        private ThreadLocal<Integer> local = new ThreadLocal<Integer>() { 
            @Override
            protected Integer initialValue() { 
                return 0;
            }
        };
    
    
        public WtyicyThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue) { 
            super(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue);
        }
    
        public WtyicyThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory) { 
            super(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, threadFactory);
        }
    
        public WtyicyThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, RejectedExecutionHandler handler) { 
            super(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, handler);
        }
    
        public WtyicyThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) { 
            super(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, threadFactory, handler);
        }
    
        @Override
        public void execute(Runnable command) { 
            int priority = local.get();
            try { 
                this.execute(command, priority);
            } finally { 
                local.set(0);
            }
        }
    
        public void execute(Runnable command, int priority) { 
            super.execute(new PriorityRunnable(command, priority));
        }
    
        public <T> Future<T> submit(Callable<T> task, int priority) { 
            local.set(priority);
            return super.submit(task);
        }
    
        public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result, int priority) { 
            local.set(priority);
            return super.submit(task, result);
        }
    
        public Future<?> submit(Runnable task, int priority) { 
            local.set(priority);
            return super.submit(task);
        }
    
        protected static class PriorityRunnable<E extends Comparable<? super E>> implements Runnable, Comparable<PriorityRunnable<E>> { 
            private final static AtomicLong seq = new AtomicLong();
            private final long seqNum;
            Runnable run;
            private int priority;
    
            public PriorityRunnable(Runnable run, int priority) { 
                seqNum = seq.getAndIncrement();
                this.run = run;
                this.priority = priority;
            }
    
            public int getPriority() { 
                return priority;
            }
    
            public void setPriority(int priority) { 
                this.priority = priority;
            }
    
            public Runnable getRun() { 
                return run;
            }
    
            @Override
            public void run() { 
                this.run.run();
            }
    
            @Override
            public int compareTo(PriorityRunnable<E> other) { 
                int res = 0;
                if (this.priority == other.priority) { 
                    if (other.run != this.run) { // ASC
                        res = (seqNum < other.seqNum ? -1 : 1);
                    }
                } else { // DESC
                    res = this.priority > other.priority ? -1 : 1;
                }
                return res;
            }
        }
    }

#### 4.1.1、继承Thread类定义，创建，运行线程 ####

**Thread实现任务的局限性：**

1.  任务逻辑写在Thread类的run方法中，有单继承的局限性
2.  创建多线程时，每个任务有成员变量时不共享，必须加static才能做到共享

public class WtyicyThread extends Thread{ 
    
        @Override
        public void run() { 
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " == WtyicyThread执行了");
        }
    
    }
    
    WtyicyThread wtyicyThread = new WtyicyThread();
    // 不推荐这种方式
    wtyicyThread.start();
    
    WtyicyThreadPoolExecutor wtyicyThreadPoolExecutor = new WtyicyThreadPoolExecutor(5, 6, 3, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(3));
    wtyicyThreadPoolExecutor.execute(wtyicyThread);

#### 4.1.2、实现Runnable接口定义，创建，运行线程 ####

**Runbale相比Callable有以下的局限性：**

1.  任务没有返回值
2.  任务无法抛异常给调用方

public class WtyicyRunnable implements Runnable{ 
        @Override
        public void run() { 
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " == WtyicyRunnable执行了");
        }
    }
    
    WtyicyRunnable wtyicyRunnable = new WtyicyRunnable();
    // 不推荐这种方式
    new Thread(wtyicyRunnable).start();
    
    wtyicyThreadPoolExecutor.execute(wtyicyRunnable);

#### 4.1.3、实现Callable接口定义，创建，运行线程 ####

public class WtyicyCallable implements Callable { 
        @Override
        public String call() throws Exception { 
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " == WtyicyCallable执行了");
            return "SUCCEE";
        }
    }
    
    WtyicyCallable wtyicyCallable = new WtyicyCallable();
    FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<String>(wtyicyCallable);
    // 不推荐这种方式
    new Thread(futureTask).start();
    
    wtyicyThreadPoolExecutor.execute(futureTask);
    System.out.println(futureTask.get());

## 5、线程状态 ##

线程的状态可从 操作系统层面分为五种状态 从java api层面分为六种状态。

### 5.1、五种状态 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

1.  初始状态：创建线程对象时的状态
2.  可运行状态(就绪状态)：调用start()方法后进入就绪状态，也就是准备好被cpu调度执行
3.  运行状态：线程获取到cpu的时间片，执行run()方法的逻辑
4.  阻塞状态: 线程被阻塞，放弃cpu的时间片，等待解除阻塞重新回到就绪状态争抢时间片
5.  终止状态: 线程执行完成或抛出异常后的状态

### 5.2、六种状态 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

public enum State { 
        NEW,
        RUNNABLE,
        BLOCKED,
        WAITING,
        TIMED_WAITING,
        TERMINATED;
    }

1.  NEW 线程对象被创建
2.  Runnable 线程调用了start()方法后进入该状态，该状态包含了三种情况  
    2.1. 就绪状态 :等待cpu分配时间片  
    2.2. 运行状态:进入Runnable方法执行任务  
    2.3. 阻塞状态:BIO 执行阻塞式io流时的状态
3.  Blocked 没获取到锁时的阻塞状态
4.  WAITING 调用wait()、join()等方法后的状态
5.  TIMED\_WAITING 调用 sleep(time)、wait(time)、join(time)等方法后的状态
6.  TERMINATED 线程执行完成或抛出异常后的状态

## 6、线程的相关方法总结 ##

### 6.1、Thread类中的核心方法 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">方法名称</th> 
   <th align="center">是否static</th> 
   <th align="center">方法说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">start()</td> 
   <td align="center">否</td> 
   <td align="center">让线程启动，进入就绪状态,等待cpu分配时间片</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">run()</td> 
   <td align="center">否</td> 
   <td align="center">重写Runnable接口的方法,线程获取到cpu时间片时执行的具体逻辑</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">yield()</td> 
   <td align="center">是</td> 
   <td align="center">线程的礼让，使得获取到cpu时间片的线程进入就绪状态，重新争抢时间片</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">sleep(time)</td> 
   <td align="center">是</td> 
   <td align="center">线程休眠固定时间，进入阻塞状态，休眠时间完成后重新争抢时间片,休眠可被打断</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">join()/join(time)</td> 
   <td align="center">否</td> 
   <td align="center">调用线程对象的join方法，调用者线程进入阻塞,等待线程对象执行完或者到达指定时间才恢复，重新争抢时间片</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">isInterrupted()</td> 
   <td align="center">否</td> 
   <td align="center">获取线程的打断标记，true:被打断，false：没有被打断。调用后不会修改打断标记</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">interrupted()</td> 
   <td align="center">否</td> 
   <td align="center">打断线程，抛出InterruptedException异常的方法均可被打断，但是打断后不会修改打断标记，正常执行的线程被打断后会修改打断标记</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">stop()</td> 
   <td align="center">否</td> 
   <td align="center">停止线程运行 不推荐</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">suspend()</td> 
   <td align="center">否</td> 
   <td align="center">挂起线程 不推荐</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">resume()</td> 
   <td align="center">否</td> 
   <td align="center">恢复线程运行 不推荐</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">currentThread()</td> 
   <td align="center">是</td> 
   <td align="center">获取当前线程</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 6.2、Thread类中的核心方法 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">方法名称</th> 
   <th align="center">方法说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">wait()/wait(long timeout)</td> 
   <td align="center">获取到锁的线程进入阻塞状态</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">notify()</td> 
   <td align="center">随机唤醒被wait()的一个线程</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">notifyAll()</td> 
   <td align="center">唤醒被wait()的所有线程，重新争抢时间片</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

--------------------

## 7、六种线程状态和方法的对应关系 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

### 7.1、线程的礼让-yield()&线程的优先级 ###

t2线程每次执行时进行了yield()，线程1执行的机会明显比线程2要多。

Runnable r1 = () -> { 
        int count = 0;
        for (;;){ 
           log.info("---- 1>" + count++);
        }
    };
    Runnable r2 = () -> { 
        int count = 0;
        for (;;){ 
        	// 设置礼让
            Thread.yield();
            log.info(" ---- 2>" + count++);
        }
    };
    wtyicyThreadPoolExecutor.execute(r1);
    wtyicyThreadPoolExecutor.execute(r2);
    
    wtyicyThreadPoolExecutor.execute(r1 , 1 );
    wtyicyThreadPoolExecutor.execute(r2,10);
    // Thread t1 = new Thread(r1,"t1");
    // Thread t2 = new Thread(r2,"t2");
    // cpu比较忙时，优先级高的线程获取更多的时间片
    // cpu比较闲时，优先级设置基本没用
    // t1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
    // t2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
    // t1.start();
    // t2.start();

### 7.2、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，有一种特殊线程叫守护线程，当所有的非守护线程都结束后，即使它没有执行完，也会强制结束。  
       默认的线程都是非守护线程，垃圾回收线程就是典型的守护线程

// 设为true表示未守护线程，当主线程结束后，守护线程也结束。
    // 默认是false，当主线程结束后，thread继续运行，程序不停止
    t1.setDaemon(true);

### 7.3、线程的阻塞 ###

线程的阻塞可以分为好多种，从操作系统层面和java层面阻塞的定义可能不同，但是广义上使得线程阻塞的方式有下面几种:

1.  BIO阻塞，即使用了阻塞式的io流
2.  sleep(long time) 让线程休眠进入阻塞状态
3.  a.join() 调用该方法的线程进入阻塞，等待a线程执行完恢复运行
4.  sychronized或ReentrantLock 造成线程未获得锁进入阻塞状态
5.  获得锁之后调用wait()方法 也会让线程进入阻塞状态
6.  LockSupport.park() 让线程进入阻塞状态

#### 7.3.1、sleep() ####

使线程休眠，会将运行中的线程进入阻塞状态。当休眠时间结束后，重新争抢cpu的时间片继续运行

try { 
       // 休眠2秒
       // 该方法会抛出 InterruptedException异常 即休眠过程中可被中断，被中断后抛出异常
       Thread.sleep(2000);
     } catch (InterruptedException异常 e) { 
     }
     try { 
       // 使用TimeUnit的api可替代 Thread.sleep 
       TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
     } catch (InterruptedException e) { 
     }

#### 7.3.2、join() ####

join是指调用该方法的线程进入阻塞状态，等待某线程执行完成后恢复运行

Thread t = new Thread(() -> { 
        try { 
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) { 
            e.printStackTrace();
        }
        r = 10;
    });
    
    t.start();
    // 让主线程阻塞 等待t线程执行完才继续执行 
    // 去除该行，执行结果为0，加上该行 执行结果为10
    t.join();

#### 7.3.2、线程的打断-interrupt() ####

打断标记：线程是否被打断，true表示被打断了，false表示没有  
       isInterrupted() 获取线程的打断标记 ,调用后不会修改线程的打断标记  
       interrupt()方法用于中断线程  
       可以打断sleep,wait,join等显式的抛出InterruptedException方法的线程，但是打断后,线程的打断标记还是false  
       打断正常线程 ，线程不会真正被中断，但是线程的打断标记为true  
       interrupted() 获取线程的打断标记，调用后清空打断标记 即如果获取为true 调用后打断标记为false (不常用)  
       interrupt实例： 有个后台监控线程不停的监控，当外界打断它时，就结束运行

@Slf4j
    class TwoPhaseTerminal{ 
        // 监控线程
        private Thread monitor;
    
        public void start(){ 
            monitor = new Thread(() ->{ 
               // 不停的监控
                while (true){ 
                    Thread thread = Thread.currentThread();
                     // 判断当前线程是否被打断
                    if (thread.isInterrupted()){ 
                        log.info("当前线程被打断,结束运行");
                        break;
                    }
                    try { 
                        Thread.sleep(1000);
                        // 监控逻辑中被打断后，打断标记为true
                        log.info("监控");
                    } catch (InterruptedException e) { 
                        // 睡眠时被打断时抛出异常 在该处捕获到 此时打断标记还是false
                        // 在调用一次中断 使得中断标记为true
                        thread.interrupt();
                    }
                }
            });
            monitor.start();
        }
    
        public void stop(){ 
            monitor.interrupt();
        }
    }

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## 8、往期佳文 ##

### 8.1、面试系列 ###

1、[吊打面试官之一面自我介绍][Link 2]  
2、[吊打面试官之一面项目介绍][Link 3]  
3、[吊打面试官之一面系统架构设计][Link 4]  
4、[吊打面试官之一面你负责哪一块][Link 5]  
5、[吊打面试官之一面试官提问][Link 6]

······持续更新中······

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### 8.2、技术系列 ###

1、[吊打面试官之分布式会话][Link 7]  
2、[吊打面试官之分布式锁][Link 8]  
3、[吊打面试官之乐观锁][Link 9]  
4、[吊打面试官之幂等性问题][Link 10]  
5、[吊打面试关之分布式事务][Link 11]  
6、[吊打面试官之项目线上问题排查][Link 12]

······持续更新中······

### 8.3、源码系列 ###

1、[源码分析之SpringBoot启动流程原理][SpringBoot]  
2、[源码分析之SpringBoot自动装配原理][SpringBoot 1]  
3、[源码分析之ArrayList容器][ArrayList]  
4、[源码分析之LinkedList容器][LinkedList]  
5、[源码分析之HashMap容器][HashMap]

### 8.4、数据结构和算法系列 ###

1、[数据结构之八大数据结构][Link 13]  
2、[数据结构之动态查找树（二叉查找树，平衡二叉树，红黑树）][Link 14]

······持续更新中······

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/dreamispossible/article/details/96484418
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[Link 2]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114933478
[Link 3]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114983053
[Link 4]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115005012
[Link 5]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115064661
[Link 6]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115296365
[Link 7]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114685293
[Link 8]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114915987
[Link 9]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114915177
[Link 10]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114888754
[Link 11]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115081790
[Link 12]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115292969
[SpringBoot]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115181539
[SpringBoot 1]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115233701
[ArrayList]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115244565
[LinkedList]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115314536
[HashMap]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115365586
[Link 13]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115342236
[Link 14]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115353145