Java 线程的基本概念

news2024/10/6 12:23:38

创建和运行线程

方法一，直接使用 Thread

// 创建线程对象
Thread t = new Thread() {
 public void run() {
 // 要执行的任务
    }
 };
 // 启动线程
t.start();

例如：

// 构造方法的参数是给线程指定名字，推荐
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）
Runnable runnable = new Runnable() {
 public void run(){
 // 要执行的任务
    }
 };
 // 创建线程对象
Thread t = new Thread( runnable );
 // 启动线程
t.start();

例如：

// 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
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
 t2.start();

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

// 创建任务对象
FutureTask<Integer> task3 = new FutureTask<>(() -> {
 log.debug("hello");
 return 100;
 });
 // 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
new Thread(task3, "t3").start();
 // 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
Integer result = task3.get();
 log.debug("结果是:{}", result);

观察多个线程同时运行

windows
任务管理器可以查看进程和线程数，也可以用来杀死进程

  • tasklist 查看进程
  • taskkill 杀死进程

linux

  • ps -fe 查看所有进程
  • ps -fT -p (PID) 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 (PID) 查看某个进程（PID）的所有线程

Java

  • jps 命令查看所有 Java 进程
  • jstack (PID) 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你的 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 
Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=是否认证 java类
  • 修改 /etc/hosts 文件将 127.0.0.1 映射至主机名

如果要认证访问，还需要做如下步骤

  • 复制 jmxremote.password 文件
  • 修改 jmxremote.password 和 jmxremote.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

原理之线程运行

Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈）
我们都知道 JVM 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存是给谁用的呢？其实就是线程，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（Frame）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
    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
  • 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

  • 状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等
  • Context Switch 频繁发生会影响性能

常见方法

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
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
interrupted()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
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）
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

start 与 run

调用 run

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();
 log.debug("do other things ...")

输出

19:39:14 [main] c.TestStart - main
 19:39:14 [main] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
 19:39:18 [main] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4227 ms
 19:39:18 [main] c.TestStart - do other things ...

程序仍在 main 线程运行，FileReader.read() 方法调用还是同步的

调用 start
将上述代码的
t1.run() 改为
t1.start();
输出

19:41:30 [main] c.TestStart - do other things ...
 19:41:30 [t1] c.TestStart - t1
 19:41:30 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
 19:41:35 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4542 ms

程序在 t1 线程运行，FileReader.read() 方法调用是异步的

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，这时 sleep 方法会抛出
  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

yield
InterruptedException

  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

  • 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
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();

join 方法详解

为什么需要 join
下面的代码执行，打印 r 是什么？

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");
 }

分析

  • 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
  • 而主线程一开始就要打印 r 的结果，所以只能打印出

解决方法

  • 用 sleep 行不行？为什么？
  • 用 join，加在 t1.start() 之后即可

interrupt 方法详解

打断 sleep，wait，join 的线程
这几个方法都会让线程进入阻塞状态
打断 sleep 的线程, 会清空打断状态，以 sleep 为例

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())

输出

java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
 at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
 at java.lang.Thread.sleep(Thread.java:340)
 at java.util.concurrent.TimeUnit.sleep(TimeUnit.java:386)
 at cn.itcast.n2.util.Sleeper.sleep(Sleeper.java:8)
 at cn.itcast.n4.TestInterrupt.lambda$test1$3(TestInterrupt.java:59)
 at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
 21:18:10.374 [main] c.TestInterrupt -  打断状态: false

打断正常运行的线程
打断正常运行的线程, 不会清空打断状态

private static void test2() throws InterruptedException {
 Thread t2 = new Thread(()->{
 while(true) {
 Thread current = Thread.currentThread();
 boolean interrupted = current.isInterrupted();
 if(interrupted) {
 log.debug(" 打断状态: {}", interrupted);
 break;
            }
        }
    }, 
"t2");
 t2.start();
 sleep(0.5);
 t2.interrupt();
 }

输出

20:57:37.964 [t2] c.TestInterrupt -  打断状态: true

打断 park 线程
打断 park 线程, 不会清空打断状态

private static void test3() throws InterruptedException {
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 log.debug("park...");
 LockSupport.park();
 log.debug("unpark...");
 log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
    }, 
"t1");
 t1.start();
 sleep(0.5);
 t1.interrupt();
 }

输出

21:11:52.795 [t1] c.TestInterrupt - park... 
21:11:53.295 [t1] c.TestInterrupt - unpark... 
21:11:53.295 [t1] c.TestInterrupt - 打断状态：true

如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效

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，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...");

输出

08:26:38.123 [main] c.TestDaemon - 开始运行... 
08:26:38.213 [daemon] c.TestDaemon - 开始运行... 
08:26:39.215 [main] c.TestDaemon - 运行结束...

五种状态

是从 操作系统 层面来描述的
在这里插入图片描述

  • 【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

六种状态

这是从 Java API 层面来描述的,根据 Thread.State 枚举，分为六种状态
在这里插入图片描述

  • 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

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