Java 线程详解(下)

红太狼 2023-10-01 11:12 8阅读 0赞

### 一、线程生命周期 ###

在[《详解操作系统进程》][Link 1]中，从操作系统层面介绍了进程(线程)的生命周期的变迁，在操作系统中，线程的状态主要包含了五种：初始化、等待状态、就绪状态、运行状态和终止状态

但在Java中，定义了六种状态的，其中RUNNABLE状态对应运行状态和就绪状态，而等待状态在Java中细分为三种BLOCKED、WAITING、TIMED\_WAITING

关于这三种状态的描述，下面的源码中的注释已经解释的很清楚

BLOCKED状态对应于对象锁，某个线程竞争对象锁失败时就处于阻塞状态

WAITING状态对应于永久等待，如果没有被唤醒，将会处于永久等待的状态

TIMED\_WAITING状态对应于超时等待，超过了等待的时间之后，它们就会被主动唤醒，然后处于RUNNABLE状态，等待CPU分配时间片

public enum State {
        
    
        NEW,
        RUNNABLE,
        /**
         * Thread state for a thread blocked waiting for a monitor lock.
         * A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock
         * to enter a synchronized block/method or
         * reenter a synchronized block/method after calling
         * {@link Object#wait() Object.wait}.
         */
        BLOCKED,
    
        /**
         * <ul>
         *   <li>{@link Object#wait() Object.wait} with no timeout</li>
         *   <li>{@link #join() Thread.join} with no timeout</li>
         *   <li>{@link LockSupport#park() LockSupport.park}</li>
         * </ul>
         */
        WAITING,
    
        /**
         * <ul>
         *   <li>{@link #sleep Thread.sleep}</li>
         *   <li>{@link Object#wait(long) Object.wait} with timeout</li>
         *   <li>{@link #join(long) Thread.join} with timeout</li>
         *   <li>{@link LockSupport#parkNanos LockSupport.parkNanos}</li>
         *   <li>{@link LockSupport#parkUntil LockSupport.parkUntil}</li>
         * </ul>
         */
        TIMED_WAITING,
    
        TERMINATED;
    }

Java中这六种线程状态的生命周期，可以用下面的图来表示：

![watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBAc2VybW9ubGl6aGk_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16][]

在上图中，调用notify()和notifyAll()方法后，可能会进入到阻塞状态，因为wait()方法和notify的两个方法需要结合Synchronized关键字使用，被唤醒后，就会去竞争对象锁，如果没有拿到对象锁，就会处于Blocked状态

从JVM的层面，也定义一些针对JavaThread对象的状态

![watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBAc2VybW9ubGl6aGk_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1][]

### 二、Thread常用方法 ###

#### 2.1 sleep() ####

当线程调用sleep()方法之后，会让当前线程从RUNNABLE状态切换到TIMED\_WAITING状态，**但是并不会释放对象锁**

下面的代码展示了，我们在调用sleep()方法时，可能会抛出InterruptedException中断异常，这是因为在其他线程中，可以使用interrupt()方法中断正在睡眠的线程，这时调用sleep()方法的线程就会抛出中断异常，并且会清除中断标志(方法注释上说明的很清楚)

睡眠结束的线程处于RUNNABLE状态，未必会立刻得到执行

当sleep()传入的参入为0时，和yield()方法相同

RunnableTest runnableTest = new RunnableTest();
    Thread thread = new Thread(runnableTest);
    thread.setPriority(5);
    try {
        
        Thread.sleep(1);
    } catch (InterruptedException e) {
        
        e.printStackTrace();
    }
    
    /**
     * The thread does not lose ownership of any monitors.
     * @throws  InterruptedException
     *      if any thread has interrupted the current thread. The
     *      <i>interrupted status</i> of the current thread is
     *      cleared when this exception is thrown.
     */
    public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;

#### 2.2 yield() ####

当线程调用yield()方法时，当前线程会让出CPU，然后从RUNNING状态切换到READY状态，让优先级更高的线程获得执行机会，不会释放对象锁

假设当前JVM进程只有main线程，当调用yield方法之后，main线程会继续运行，因为没有比它优先级更好的线程

具体的实现依赖于操作系统的任务调度器，正如方法注释上说的，任务调度器可以忽略这个标志，也就是说就算当前线程执行了yield()方法，它也有可能即刻就被处理器调度

/**
     * A hint to the scheduler that the current thread is willing to yield
     * its current use of a processor. The scheduler is free to ignore this
     * hint.
     */
    public static native void yield();

#### 2.3 join() ####

join()方法主要用于等待调用join()方法的线程执行完成之后，在执行后面的逻辑。一般用于等待异步线程执行结果之后再运行的场景

public class ThreadJoinDemo {
        
    
        public static void main(String[] sure) throws InterruptedException {
        
    
            Thread t = new Thread(new Runnable() {
        
                @Override
                public void run() {
        
                    System.out.println("t begin");
                    try {
        
                        Thread.sleep(5000);
                    } catch (InterruptedException e) {
        
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("t finished");
                }
            });
            long start = System.currentTimeMillis();
            t.start();
            //主线程等待线程t执行完成
            t.join();
    
            System.out.println("执行时间:" + (System.currentTimeMillis() - start));
            System.out.println("Main finished");
        }
    }

所有重载的join()方法，最后都会调用下面的方法，可以看到，join()方法就是判断当前线程是否还在存活，如果存在就一直调用wait()方法进行等待(**特别注意：不论哪个线程调用的join()方法，最终都是执行join()方法的代码段所在的线程在真正调用wait()方法，进行等待，比如上面的`t.join()`是在主线程执行的，那么就是主线程去执行wait()方法，如果`t.join()`是在另外一个线程中执行的，那么就有该主线程去执行wait()方法**)

join()方法会使当前所在线程一直等待下去，直到被其他线程中断或者join的线程执行完毕，如果指定了时间，当前线程也会在时间到达后，退出阻塞状态

public final synchronized void join(long millis)
        throws InterruptedException {
        
        long base = System.currentTimeMillis();
        long now = 0;
    
        if (millis == 0) {
        
            while (isAlive()) {
        
                wait(0);
            }
        } else {
        
            while (isAlive()) {
        
                long delay = millis - now;
                if (delay <= 0) {
        
                    break;
                }
                wait(delay);
                now = System.currentTimeMillis() - base;
            }
        }
    }

#### 2.4 stop ####

stop()方法已经被JDK弃用，原因是stop()方法太过暴力，它可以强行把执行到一般的线程终止。

比如下面的例子，线程执行一半被终止后，锁也被释放了，就可能导致thread线程的run()方法执行出现数据不一致的情况

public class ThreadStopDemo {
        
    
        private static Object lock = new Object();
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
    
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
        
                @Override
                public void run() {
        
                    synchronized (lock) {
        
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取锁");
                        try {
        
                            Thread.sleep(60000);
                        } catch (InterruptedException e) {
        
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完成");
                }
            });
            thread.start();
            Thread.sleep(2000);
            // 停止thread，并释放锁
            thread.stop();
    
            new Thread(new Runnable() {
        
                @Override
                public void run() {
        
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待获取锁");
                    synchronized (lock) {
        
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取锁");
                    }
                }
            }).start();
    
        }
    }

那么Java中有没有比较优雅的停止线程的方式呢？其实Java本身并没有提供一种简单、直接的方式来停止线程，而是提供了一种中断机制来实现优雅的停止线程

### 三、Java线程中断机制 ###

中断机制是一种协作机制，也就是说它并不能直接中断某个线程，而是需要被中断的线程自己决定是否中断。

被中断的线程拥有完全的自主权，它既可以选择立即停止，也可以选择一段时间后停止，也可以选择压根不停止

主要实现就是通过中断方法将线程的中断标志为设置为true，然后线程可以在自己run()方法里面去判断当前线程的标志位决定是否退出

相关API:

*  interrupt()：将线程中的中断标志为设置为true，不会停止线程
 *  isInterrupted()：判断当前线程的标志位是否位true，不会清除中断标志位
 *  Thread.interrupted()：判断当前线程的中断标志位是否位true，并清除中断标志，重置为false

public class ThreadInterruptTest {
        
    
        static int i = 0;
    
        public static void main(String[] args)  {
        
            System.out.println("begin");
            Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
        
                @Override
                public  void run() {
        
                    while (true) {
        
                        i++;
                        System.out.println(i);
                        //Thread.interrupted()  清除中断标志位
                        //Thread.currentThread().isInterrupted() 不会清除中断标志位
                        if (Thread.currentThread().isInterrupted() ) {
        
                            System.out.println("=========");
                        }
                        if(i==10){
        
                            break;
                        }
    
                    }
                }
            });
    
            t1.start();
            //不会停止线程t1,只会设置一个中断标志位 flag=true
            t1.interrupt();
        }
    }

利用中断机制优雅的停止线程

while (!Thread.currentThread().isInterrupted() && more work to do) {
        
        do more work

public class StopThread implements Runnable {
        
    
        @Override
        public void run() {
        
            int count = 0;
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted() && count < 1000) {
        
                System.out.println("count = " + count++);
            }
            System.out.println("线程停止： stop thread");
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Thread thread = new Thread(new StopThread());
            thread.start();
            Thread.sleep(5);
            thread.interrupt();
        }
    }

**注：使用中断机制时一定要注意是否存在中断标志为被清除的情况**

线程sleep期间能够感受到中断，修改上面的代码，线程执行期间有休眠需求

@Override
    public void run() {
        
        int count = 0;
        while (!Thread.currentThread().isInterrupted() && count < 1000) {
        
            System.out.println("count = " + count++);
    
            try {
        
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
        
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("线程停止： stop thread");
    }

**处于休眠中的线程被中断，线程是可以感受到中断信号的，并且会抛出一个InterruptedException异常，同时清除中断信号，将中断信号设置为false**。这样就会导致while条件`Thread.currentThread().isInterrupted()`为false，程序会在不满足`count < 1000`时退出。如果不再catch语句中重新添加中断信号，不做任何处理，中断信号就被屏蔽掉了，可能导致while循环里面的代码会一直执行，无法正确退出

try {
        
        Thread.sleep(1);
    } catch (InterruptedException e) {
        
        e.printStackTrace();
        //重新设置线程中断状态为true
        Thread.currentThread().interrupt();

sleep和wait的线程都可以被中断，抛出中断异常：InterruptedException，同时清除中断标志位

### 四、线程间通信 ###

#### 4.1 Volatile ####

volatile有两大特性，一是可见性，二是有序性，禁止指令重排序，其中可见性就是可以让线程之间进行通信。

public class VolatileDemo {
        
    
        private static volatile boolean flag = true;
    
        public static void main(String[] args) {
        
    
            new Thread(new Runnable() {
        
                @Override
                public void run() {
        
                    while (true){
        
                        if (flag){
        
                            System.out.println("trun on");
                            flag = false;
                        }
                    }
                }
            }).start();
    
            new Thread(new Runnable() {
        
                @Override
                public void run() {
        
                    while (true){
        
                        if (!flag){
        
                            System.out.println("trun off");
                            flag = true;
                        }
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

#### 4.2 等待唤醒机制 ####

等待唤醒机制是通过wait和notify方法来实现的，在一个线程内调用该线程锁对象的wait()方法，线程将进入等待队列进行等待直到被唤醒

下面的代码，线程执行wait()方法后，会释放lock对象锁，其他线程可以竞争该对象锁，notify()方法只能唤醒一个等待lock对象锁的线程，而notifyAll()方法会去唤醒所有等待lock对象锁的线程

并且notify()方法只能随意唤醒某一个等待lock对象锁的线程，不能指定唤醒某一个线程

public class WaitDemo {
        
        private static Object lock = new Object();
        private static  boolean flag = true;
    
        public static void main(String[] args) {
        
            new Thread(new Runnable() {
        
                @Override
                public void run() {
        
                    synchronized (lock){
        
                        while (flag){
        
                            try {
        
                                System.out.println("wait start .......");
                                lock.wait();
                            } catch (InterruptedException e) {
        
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
    
                        System.out.println("wait end ....... ");
                    }
                }
            }).start();
    
            new Thread(new Runnable() {
        
                @Override
                public void run() {
        
                    if (flag){
        
                        synchronized (lock){
        
                            if (flag){
        
                                lock.notify();
                                System.out.println("notify .......");
                                flag = false;
                            }
    
                        }
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

**注：wait于notify()必须结合synchronized关键字使用，否则会抛出`IllegalMonitorStateException`异常**

等待唤醒机制的另一种实现是LockSupport，LockSupport是JDK中用来实现线程阻塞和唤醒的工具，线程调用park()方法则等待”许可“，调用unpark()方法则为指定线程提供”许可“。使用LockSupport的好处是，可以在任何场景使线程阻塞(不需要像wait()方法需要结合synchronized关键)，并且不用担心阻塞和唤醒的顺序，但是要注意多次唤醒的效果和一次唤醒的效果一样

public class LockSupportTest {
        
    
        public static void main(String[] args) {
        
            Thread parkThread = new Thread(new ParkThread());
            parkThread.start();
    
            System.out.println("唤醒parkThread");
            LockSupport.unpark(parkThread);
        }
    
        static class ParkThread implements Runnable{
        
    
            @Override
            public void run() {
        
                System.out.println("ParkThread开始执行");
                LockSupport.park();
                System.out.println("ParkThread执行完成");
            }
        }
    }

#### 4.3 管道输入输出流 ####

管道输入/输出流和普通文件输入/输出流或者网络输入/输出流的不同指出在于，它主要用于线程之间的数据传输，而传输的媒介为内存。管道输入/输出流主要包括如下四种具体实现：

PipedOutputStream、PipedInputStream、PipedReader和PipedWriter，前面两种面向字节，而后面两种面向字符

public class PipedTest {
        
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            PipedWriter out = new PipedWriter();
            PipedReader in = new PipedReader();
            // 将输出流和输入流进行连接，否则在使用时会抛出IOException
            out.connect(in);
    
            Thread printThread = new Thread(new Print(in), "PrintThread");
    
            printThread.start();
            int receive = 0;
            try {
        
                while ((receive = System.in.read()) != -1) {
        
                    out.write(receive);
                }
            } finally {
        
                out.close();
            }
        }
    
        static class Print implements Runnable {
        
            private PipedReader in;
    
            public Print(PipedReader in) {
        
                this.in = in;
            }
    
            @Override
            public void run() {
        
                int receive = 0;
                try {
        
                    while ((receive = in.read()) != -1) {
        
                        System.out.print((char) receive);
                    }
                } catch (IOException ex) {
        
                }
            }
        }
    }

#### 4.4 Thread.join() ####

join()方法可以理解为线程合并，将并行的线程通过join()方法合并成串行的，因为当前线程会一直阻塞等待调用join()方法的线程执行完毕才能继续执行(如果没有指定时间)，所以join()方法的好处是可以保证线程的执行顺序，但是如果调用线程的join()方法其实已经失去了并行的意义，虽然存在多个线程，但这些线程本质上还是串行的。join()的实现也是基于等待唤醒机制的。

[Link 1]: https://blog.csdn.net/sermonlizhi/article/details/118700984
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[watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBAc2VybW9ubGl6aGk_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/a4b50cdc3f2243de89051fb1a8b768eb.png?x-oss-process=image/watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBAc2VybW9ubGl6aGk=,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16