进程与线程

进程与线程

1. 进程与线程

1. 概念

1. 进程

  • 程序由指令和数据组成，但是这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载到cpu，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘，网络等设备，进程就是用来加载指令管理内存管理IO的
  • 当一个指令被运行，从磁盘加载这个程序的代码到内存，这时候就开启了一个进程
  • 进程就可以视为程序的一个实例，大部分程序都可以运行多个实例进程（例如记事本，浏览器等），部分只可以运行一个实例进程（例如360安全卫士）

2. 线程

  • 一个进程之内可以分为一到多个线程。
  • 一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行
  • Java 中，线程作为最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。 在 windows 中进程是不活动的，只是作 为线程的容器（这里感觉要学了计算机组成原理之后会更有感觉吧！）

3. 对比

  • 进程基本上相互独立的，而线程存在于进程内，是进程的一个子集
  • 进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享
  • 进程间通信较为复杂
    • 同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）
    • 不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP
  • 线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量
  • 线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低

2. 并发与并行

1. 并发

单核 cpu 下，线程实际还是 串行执行 的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 cpu 的时间片（windows 下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于 cpu 在线程间（时间片很短）的切换非常快，人类感 觉是同时运行的 。

总结为一句话就是： 微观串行，宏观并行 ， 一般会将这种 线程轮流使用 CPU 的做法称为并发， concurrent

CPU 时间片 1 时间片 2 时间片 3 时间片 4
core 线程 1 线程 2 线程 3 线程 4

2. 并行

多核 cpu下，每个 核（core） 都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的。

CPU 时间片 1 时间片 2 时间片 3 时间片 4
core 1 线程 1 线程 1 线程 3 线程 3
core 2 线程 2 线程 4 线程 2 线程 4

3. 区别

引用 Rob Pike 的一段描述：

  • 并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力
  • 并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力

例子：

  • 家庭主妇做饭、打扫卫生、给孩子喂奶，她一个人轮流交替做这多件事，这时就是并发
  • 雇了3个保姆，一个专做饭、一个专打扫卫生、一个专喂奶，互不干扰，这时是并行
  • 家庭主妇雇了个保姆，她们一起这些事，这时既有并发，也有并行（这时会产生竞争，例如锅只有一口，一 个人用锅时，另一个人就得等待）

3. 应用

1. 应用之异步调用

以调用方的角度讲，如果

  • 需要等待结果返回，才能继续运行就是同步
  • 不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步

注意：同步在多线程中还有另外一层意思，是让多个线程步调一致

1、设计

多线程可以让方法执行变为异步的（即不要巴巴干等着）比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了 5 秒钟，如 果没有线程调度机制，这 5 秒 cpu 什么都做不了，其它代码都得暂停…

代码：

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// FileReader.java
@Slf4j(topic = "c.FileReader")
public class FileReader {
    public static void read(String filename) {
        int idx = filename.lastIndexOf(File.separator);
        String shortName = filename.substring(idx + 1);
        try (FileInputStream in = new FileInputStream(filename)) {
            long start = System.currentTimeMillis();
            log.debug("read [{}] start ...", shortName);
            byte[] buf = new byte[1024];
            int n = -1;
            do {
                n = in.read(buf);
            } while (n != -1);
            long end = System.currentTimeMillis();
            log.debug("read [{}] end ... cost: {} ms", shortName, end - start);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
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// 同步调用
@Slf4j(topic = "c.Sync")
public class Sync {
    public static void main(String[] args) {
        FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH);
        log.debug("do other things ...");
    }
}
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// 异步调用
@Slf4j(topic = "c.Async")
public class Async {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH)).start();
        log.debug("do other things ...");
    }
}

2、结论

  • 比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程
  • tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程
  • ui 程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞 ui 线程

2. 应用之提高效率 🍁

充分利用多核 cpu 的优势，提高运行效率。想象下面的场景，执行 3 个计算，最后将计算结果汇总。

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计算 1 花费 10 ms
计算 2 花费 11 ms
计算 3 花费 9 ms
汇总需要 1 ms
  • 如果是串行执行，那么总共花费的时间是 10 + 11 + 9 + 1 = 31ms
  • 但如果是四核 cpu，各个核心分别使用线程 1 执行计算 1，线程 2 执行计算 2，线程 3 执行计算 3，那么 3 个 线程是并行的，花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间，即 11ms 最后加上汇总时间只会花费 12ms

注意：需要在多核 cpu 才能提高效率，单核仍然时是轮流执行

1、设计（使用多线程充分利用 CPU）

  1. 环境搭建

    • 基准测试工具选择，使用了比较靠谱的 JMH，它会执行程序预热，执行多次测试并平均

    • cpu 核数限制，有两种思路

      1. 使用虚拟机，分配合适的核

      2. 使用 msconfig，分配合适的核，需要重启比较麻烦

    • 并行计算方式的选择

      1. 最初想直接使用 parallel stream，后来发现它有自己的问题
      2. 改为了自己手动控制 thread，实现简单的并行计算

    • 测试代码如下

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mvn archetype:generate -DinteractiveMode=false -DarchetypeGroupId=org.openjdk.jmh -
DarchetypeArtifactId=jmh-java-benchmark-archetype -DgroupId=org.sample -DartifactId=test -
Dversion=1.0
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import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import java.util.Arrays;
import java.util.concurrent.FutureTask;

@Fork(1)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@Warmup(iterations=3)
@Measurement(iterations=5)
public class MyBenchmark {
    static int[] ARRAY = new int[1000_000_00];
    static {
        Arrays.fill(ARRAY, 1);
    }
    
    @Benchmark
    public int c() throws Exception {
        int[] array = ARRAY;
        FutureTask<Integer> t1 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 250_000_00;i++) {
                sum += array[0+i];
            }
            return sum;
        });
        FutureTask<Integer> t2 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 250_000_00;i++) {
                sum += array[250_000_00+i];
            }
            return sum;
        });
        FutureTask<Integer> t3 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 250_000_00;i++) {
                sum += array[500_000_00+i];
            }
            return sum;
        });
        FutureTask<Integer> t4 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 250_000_00;i++) {
                sum += array[750_000_00+i];
            }
            return sum;
        });
        new Thread(t1).start();
        new Thread(t2).start();
        new Thread(t3).start();
        new Thread(t4).start();
        return t1.get() + t2.get() + t3.get()+ t4.get();
    }
    
    @Benchmark
    public int d() throws Exception {
        int[] array = ARRAY;
        FutureTask<Integer> t1 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 1000_000_00;i++) {
                sum += array[0+i];
            }
            return sum;
        });
        new Thread(t1).start();
        return t1.get();
    }
}
  1. 双核 CPU（4个逻辑CPU）
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C:\Users\lenovo\eclipse-workspace\test>java -jar target/benchmarks.jar
# VM invoker: C:\Program Files\Java\jdk-11\bin\java.exe
# VM options: <none>
# Warmup: 3 iterations, 1 s each
# Measurement: 5 iterations, 1 s each
# Threads: 1 thread, will synchronize iterations
# Benchmark mode: Average time, time/op
# Benchmark: org.sample.MyBenchmark.c
# Run progress: 0.00% complete, ETA 00:00:16
# Fork: 1 of 1
# Warmup Iteration 1: 0.022 s/op
# Warmup Iteration 2: 0.019 s/op
# Warmup Iteration 3: 0.020 s/op
Iteration 1: 0.020 s/op
Iteration 2: 0.020 s/op
Iteration 3: 0.020 s/op
Iteration 4: 0.020 s/op
Iteration 5: 0.020 s/op
Result: 0.020 ±(99.9%) 0.001 s/op [Average]
 Statistics: (min, avg, max) = (0.020, 0.020, 0.020), stdev = 0.000
 Confidence interval (99.9%): [0.019, 0.021]
# VM invoker: C:\Program Files\Java\jdk-11\bin\java.exe
# VM options: <none>
# Warmup: 3 iterations, 1 s each
# Measurement: 5 iterations, 1 s each
# Threads: 1 thread, will synchronize iterations
# Benchmark mode: Average time, time/op
# Benchmark: org.sample.MyBenchmark.d
# Run progress: 50.00% complete, ETA 00:00:10
# Fork: 1 of 1
# Warmup Iteration 1: 0.042 s/op
# Warmup Iteration 2: 0.042 s/op
# Warmup Iteration 3: 0.041 s/op
Iteration 1: 0.043 s/op
Iteration 2: 0.042 s/op
Iteration 3: 0.042 s/op
Iteration 4: 0.044 s/op
Iteration 5: 0.042 s/op
Result: 0.043 ±(99.9%) 0.003 s/op [Average]
 Statistics: (min, avg, max) = (0.042, 0.043, 0.044), stdev = 0.001
 Confidence interval (99.9%): [0.040, 0.045]
# Run complete. Total time: 00:00:20
Benchmark Mode Samples Score Score error Units
o.s.MyBenchmark.c avgt 5 0.020 0.001 s/op
o.s.MyBenchmark.d avgt 5 0.043 0.003 s/op

可以看到多核下，效率提升还是很明显的，快了一倍左右

  1. 单核 CPU
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C:\Users\lenovo\eclipse-workspace\test>java -jar target/benchmarks.jar
# VM invoker: C:\Program Files\Java\jdk-11\bin\java.exe
# VM options: <none>
# Warmup: 3 iterations, 1 s each
# Measurement: 5 iterations, 1 s each
# Threads: 1 thread, will synchronize iterations
# Benchmark mode: Average time, time/op
# Benchmark: org.sample.MyBenchmark.c
# Run progress: 0.00% complete, ETA 00:00:16
# Fork: 1 of 1
# Warmup Iteration 1: 0.064 s/op
# Warmup Iteration 2: 0.052 s/op
# Warmup Iteration 3: 1.127 s/op
Iteration 1: 0.053 s/op
Iteration 2: 0.052 s/op
Iteration 3: 0.053 s/op
Iteration 4: 0.057 s/op
Iteration 5: 0.088 s/op
Result: 0.061 ±(99.9%) 0.060 s/op [Average]
 Statistics: (min, avg, max) = (0.052, 0.061, 0.088), stdev = 0.016
 Confidence interval (99.9%): [0.001, 0.121]
# VM invoker: C:\Program Files\Java\jdk-11\bin\java.exe
# VM options: <none>
# Warmup: 3 iterations, 1 s each
# Measurement: 5 iterations, 1 s each
# Threads: 1 thread, will synchronize iterations
# Benchmark mode: Average time, time/op
# Benchmark: org.sample.MyBenchmark.d
# Run progress: 50.00% complete, ETA 00:00:11
# Fork: 1 of 1
# Warmup Iteration 1: 0.054 s/op
# Warmup Iteration 2: 0.053 s/op
# Warmup Iteration 3: 0.051 s/op
Iteration 1: 0.096 s/op
Iteration 2: 0.054 s/op
Iteration 3: 0.065 s/op
Iteration 4: 0.050 s/op
Iteration 5: 0.055 s/op
Result: 0.064 ±(99.9%) 0.071 s/op [Average]
 Statistics: (min, avg, max) = (0.050, 0.064, 0.096), stdev = 0.018
 Confidence interval (99.9%): [-0.007, 0.135]
# Run complete. Total time: 00:00:22
Benchmark Mode Samples Score Score error Units
o.s.MyBenchmark.c avgt 5 0.061 0.060 s/op
o.s.MyBenchmark.d avgt 5 0.064 0.071 s/op

性能几乎是一样的

2、结论

  1. 单核 cpu 下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用 cpu ，不至于一个线程总占用 cpu，别的线程没法干活
  2. 多核 cpu 可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的 有些任务，经过精心设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率。但不是所有计算任 务都能拆分（参考后文的【阿姆达尔定律】） 也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义
  3. IO 操作不占用 cpu，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO】，这时相当于线程虽然不用 cpu，但需要一 直等待 IO 结束，没能充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞 IO】和【异步 IO】优化

2. java 线程

1. 创建和运行线程

1. 方法一

直接使用 Thread

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// 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：

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public static void test1() {
    Thread t = new Thread(){
        @Override
        public void run() {
            log.debug("running");
        }
    };
    t.setName("t1");
    t.start();
}
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#结果
14:43:18.389 c.Test1 [t1] - running

2. 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）
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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：

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public static void test2() {
    // 创建任务对象
    Runnable task = 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 t = new Thread(task, "t2");
    t.start();
}
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#结果
19:19:00 [t2] c.ThreadStarter - hello

Java 8 以后可以使用 lambda 精简代码

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public static void test2() {
    // 创建任务对象
    Runnable task2 = () -> 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();
}

==原理之 Thread 与 Runnable 的关系==

分析 Thread 的源码，理清它与 Runnable 的关系

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

3. 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

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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,"t").start();
    log.debug("主线程");
    log.debug("{}",futureTask.get());
}
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#结果
19:22:27 [t] c.ThreadStarter - hello
19:22:27 [main] c.ThreadStarter - 结果是:100

2. 查看线程

1. 理解

  • 交替执行
  • 谁先谁后，不由我们控制

2. 查看进程线程的方法

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 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 查看某个进程（PID）的所有线程

Java

  • jps 命令查看所有 Java 进程
  • jstack 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
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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）

3. 线程运行原理

1. 栈与栈帧

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

2. 线程上下文切换

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

  • 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

4. Thread 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 id 唯一
getName() 获取线程名
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
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）
interrupt() 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
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

1. start 与 run

1、调用 run

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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 ...");
}
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#结果
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

2、调用 start

将上述代码的 t1.run() 改为 t1.start()

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#结果
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

3、结论：

  • 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 中的代码

2. sleep 与 yield

1、sleep

  1. 调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
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public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread("t1") {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    };

    t1.start();
    log.debug("t1 state: {}", t1.getState());

    try {
        Thread.sleep(500);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    log.debug("t1 state: {}", t1.getState());
}
  1. 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】
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public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread("t1") {
        @Override
        public void run() {
            log.debug("enter sleep...");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                log.debug("wake up...");
                e.printStackTrace();
            }
        }
    };
    t1.start();

    Thread.sleep(1000);
    log.debug("interrupt...");
    t1.interrupt();
}

  1. 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)

  2. 建议用 TimeUnit 的 sleep() 代替 Thread 的 sleep()来获得更好的可读性

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public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    log.debug("enter");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    log.debug("end");
//        Thread.sleep(1000);
}

2、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)

3、限制对 CPU 的使用

在没有利用 cpu 来计算时，不要让 while(true) 空转浪费 cpu，这时可以使用 yield 或 sleep 来让出 cpu 的使用权 给其他程序

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while(true) {
    try {
        Thread.sleep(50);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

  • 可以用 wait 或 条件变量达到类似的效果
  • 不同的是，后两种都需要加锁，并且需要相应的唤醒操作，一般适用于要进行同步的场景
  • sleep 适用于无需锁同步的场景

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
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public static void main(String[] args) {
    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();
}

4. join 方法详解

1. 为什么需要 join
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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");
}

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 r=10
  • 而主线程一开始就要打印 r 的结果，所以只能打印出 r=0

解决方法

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

以调用方角度来讲，如果

  • 需要等待结果返回，才能继续运行就是同步
  • 不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步

  1. 等待多个结果
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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);
}

分析如下

  • 第一个 join：等待 t1 时, t2 并没有停止, 而在运行
  • 第二个 join：1s 后, 执行到此, t2 也运行了 1s, 因此也只需再等待 1s

如果颠倒两个 join 呢？ 最终都是输出

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20:45:43.239 [main] c.TestJoin - r1: 10 r2: 20 cost: 2005

  1. 有时效的 join
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public static void test3() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        sleep(2);
        r1 = 10;
    });

    long start = System.currentTimeMillis();
    t1.start();

    // 线程执行结束会导致 join 结束
    log.debug("join begin");
    t1.join(3000);
    long end = System.currentTimeMillis();
    log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}
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#结果
16:27:34.636 c.TestJoin [main] - r1: 10 r2: 0 cost: 2026

时间足够和不够有区别

5. interrupt 方法详解

1. 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

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public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("sleep...");
        try {
            Thread.sleep(5000); // wait, join
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    },"t1");

    t1.start();
    Thread.sleep(1000);
    log.debug("interrupt");
    t1.interrupt();
    log.debug("打断标记:{}", t1.isInterrupted());
}
2. 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

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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();
}
3. 两阶段终止模式 🍁

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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@Slf4j(topic = "c.TestTwoPhaseTermination")
public class TestTwoPhaseTermination {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TPTVolatile t = new TPTVolatile();
        t.start();

        Thread.sleep(3500);
        log.debug("stop");
        t.stop();
    }
}

// interrupt 可以打断正在执行的线程，无论这个线程是在 sleep，wait，还是正常运行
@Slf4j(topic = "c.TPTInterrupt")
class TPTInterrupt {
    private Thread thread;

    public void start(){
        thread = new Thread(() -> {
            while(true) {
                Thread current = Thread.currentThread();
                if(current.isInterrupted()) {
                    log.debug("料理后事");
                    break;
                }
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    log.debug("将结果保存");
                } catch (InterruptedException e) {
                    current.interrupt();
                }

            }
        },"监控线程");
        thread.start();
    }

    public void stop() {
        thread.interrupt();
    }
}

// 停止标记用 volatile 是为了保证该变量在多个线程之间的可见性
// 我们的例子中，即主线程把它修改为 true 对 t1 线程可见
@Slf4j(topic = "c.TPTVolatile")
class TPTVolatile {
    private Thread thread;
    private volatile boolean stop = false;

    public void start(){
        thread = new Thread(() -> {
            while(true) {
                Thread current = Thread.currentThread();
                if(stop) {
                    log.debug("料理后事");
                    break;
                }
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    log.debug("将结果保存");
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
        },"监控线程");
        thread.start();
    }

    public void stop() {
        stop = true;
        thread.interrupt();
    }
}
4. 打断 park 线程

打断 park 线程, 不会清空打断状态

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private static void test3() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("park...");
        LockSupport.park(); // 阻塞等待该线程被打断
        log.debug("unpark...");
        log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
    }, "t1");
    t1.start();

    sleep(1);
    t1.interrupt();
}

如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效

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private static void test4() {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            log.debug("park...");
            LockSupport.park(); // 阻塞等待该线程被打断
            log.debug("打断状态：{}", Thread.interrupted());
        }
    });
    t1.start();

    sleep(1);
    t1.interrupt();
}

提示 : 可以使用 Thread.interrupted() 清除打断状态

5. 主线程和守护线程

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。

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public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (true) {
            if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                break;
            }
        }
        log.debug("结束");
    }, "t1");
    t1.setDaemon(true);
    t1.start();

    Thread.sleep(1000);
    log.debug("结束");
}

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

6. 线程五种状态

这是从 操作系统 层面来描述的

  • 【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

7. 线程六种状态 🍁

1. Thread.State 枚举

这是从 Java API 层面来描述的

  • 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，后面会在状态转换一节详述
  • TERMINATED 当线程代码运行结束
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public static void main(String[] args) throws IOException {
    Thread t1 = new Thread("t1") {
        @Override
        public void run() {
            log.debug("running...");
        }
    };

    Thread t2 = new Thread("t2") {
        @Override
        public void run() {
            while(true) { // runnable

            }
        }
    };
    t2.start();

    Thread t3 = new Thread("t3") {
        @Override
        public void run() {
            log.debug("running...");
        }
    };
    t3.start();

    Thread t4 = new Thread("t4") {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (TestState.class) {
                try {
                    Thread.sleep(1000000); // timed_waiting
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    };
    t4.start();

    Thread t5 = new Thread("t5") {
        @Override
        public void run() {
            try {
                t2.join(); // waiting
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    };
    t5.start();

    Thread t6 = new Thread("t6") {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (TestState.class) { // blocked
                try {
                    Thread.sleep(1000000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    };
    t6.start();

    try {
        Thread.sleep(500);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    log.debug("t1 state {}", t1.getState());
    log.debug("t2 state {}", t2.getState());
    log.debug("t3 state {}", t3.getState());
    log.debug("t4 state {}", t4.getState());
    log.debug("t5 state {}", t5.getState());
    log.debug("t6 state {}", t6.getState());
    System.in.read();
}
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#结果
14:16:01.785 c.TestState [t3] - running...
14:16:02.297 c.TestState [main] - t1 state NEW
14:16:02.301 c.TestState [main] - t2 state RUNNABLE
14:16:02.301 c.TestState [main] - t3 state TERMINATED
14:16:02.301 c.TestState [main] - t4 state TIMED_WAITING
14:16:02.301 c.TestState [main] - t5 state WAITING
14:16:02.301 c.TestState [main] - t6 state BLOCKED

2. 烧水泡茶 🚀

阅读华罗庚《统筹方法》，给出烧水泡茶的多线程解决方案，提示

  • 参考图二，用两个线程（两个人协作）模拟烧水泡茶过程

    • 文中办法乙、丙都相当于任务串行
    • 而图一相当于启动了 4 个线程，有点浪费

  • 用 sleep(n) 模拟洗茶壶、洗水壶等耗费的时间

附：华罗庚《统筹方法》

统筹方法，是一种安排工作进程的数学方法。它的实用范围极广泛，在企业管理和基本建设中，以及关系复 杂的科研项目的组织与管理中，都可以应用。

怎样应用呢？主要是把工序安排好。

比如，想泡壶茶喝。当时的情况是：开水没有；水壶要洗，茶壶、茶杯要洗；火已生了，茶叶也有了。怎么 办？

  • 办法甲：洗好水壶，灌上凉水，放在火上；在等待水开的时间里，洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶；等水开 了，泡茶喝。
  • 办法乙：先做好一些准备工作，洗水壶，洗茶壶茶杯，拿茶叶；一切就绪，灌水烧水；坐待水开了，泡 茶喝。
  • 办法丙：洗净水壶，灌上凉水，放在火上，坐待水开；水开了之后，急急忙忙找茶叶，洗茶壶茶杯，泡 茶喝。

哪一种办法省时间？我们能一眼看出，第一种办法好，后两种办法都窝了工。

这是小事，但这是引子，可以引出生产管理等方面有用的方法来。

水壶不洗，不能烧开水，因而洗水壶是烧开水的前提。没开水、没茶叶、不洗茶壶茶杯，就不能泡茶，因而 这些又是泡茶的前提。它们的相互关系，可以用下边的箭头图来表示：

从这个图上可以一眼看出，办法甲总共要16分钟（而办法乙、丙需要20分钟）。如果要缩短工时、提高工作 效率，应当主要抓烧开水这个环节，而不是抓拿茶叶等环节。同时，洗茶壶茶杯、拿茶叶总共不过4分钟，大 可利用“等水开”的时间来做。

是的，这好像是废话，卑之无甚高论。有如走路要用两条腿走，吃饭要一口一口吃，这些道理谁都懂得。但 稍有变化，临事而迷的情况，常常是存在的。在近代工业的错综复杂的工艺过程中，往往就不是像泡茶喝这 么简单了。任务多了，几百几千，甚至有好几万个任务。关系多了，错综复杂，千头万绪，往往出现“万事俱 备，只欠东风”的情况。由于一两个零件没完成，耽误了一台复杂机器的出厂时间。或往往因为抓的不是关 键，连夜三班，急急忙忙，完成这一环节之后，还得等待旁的环节才能装配。

洗茶壶，洗茶杯，拿茶叶，或先或后，关系不大，而且同是一个人的活儿，因而可以合并成为：

看来这是“小题大做”，但在工作环节太多的时候，这样做就非常必要了。

这里讲的主要是时间方面的事，但在具体生产实践中，还有其他方面的许多事。这种方法虽然不一定能直接 解决所有问题，但是，我们利用这种方法来考虑问题，也是不无裨益的。

1. 解法：join
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public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("洗水壶");
        sleep(1);
        log.debug("烧开水");
        sleep(5);
    },"老王");

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        log.debug("洗茶壶");
        sleep(1);
        log.debug("洗茶杯");
        sleep(2);
        log.debug("拿茶叶");
        sleep(1);
        try {
            t1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("泡茶");
    },"小王");

    t1.start();
    t2.start();
}

解法1 的缺陷：

  • 上面模拟的是小王等老王的水烧开了，小王泡茶，如果反过来要实现老王等小王的茶叶拿来了，老王泡茶 呢？代码最好能适应两种情况
  • 上面的两个线程其实是各执行各的，如果要模拟老王把水壶交给小王泡茶，或模拟小王把茶叶交给老王泡茶 呢？
2. 解法2：wait/notify

8. 小结

本章的重点在于掌握

  • 线程创建

  • 线程重要 api，如 start，run，sleep，join，interrupt 等

  • 线程状态

  • 应用方面

    • 异步调用：主线程执行期间，其它线程异步执行耗时操作
    • 提高效率：并行计算，缩短运算时间
    • 同步等待：join
    • 统筹规划：合理使用线程，得到最优效果

  • 原理方面

    • 线程运行流程：栈、栈帧、上下文切换、程序计数器
    • Thread 两种创建方式 的源码

  • 模式方面

    • 终止模式之两阶段终止