Java并发基础（四）-线程

JasonExplorer
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前言

前面几篇介绍了一些操作系统有关的基础知识，了解计算机模型（冯诺依曼模型），计算机硬件架构，CPU内部架构，上下文切换，JMM以及Java并发编程遇到的问题和挑战。下面重点介绍一些线程相关的概念，也是我们面试或者编程过程中经常遇到的。

1. 线程

前面介绍过线程是程序调度的基本单位。JVM 允许一个应用并发执行多个线程。

线程调度的基本过程
 Hotspot JVM 中的 Java 线程与原生操作系统线程有直接的映射关系。当线程本地存储、缓冲区分配、同步对象、栈、程序计数器等准备好以后，就会创建一个操作系统原生线程。Java 线程结束，原生线程随之被回收。操作系统负责调度所有线程，并把它们分配到任何可用的 CPU 上。当原生线程初始化完毕，就会调用 Java 线程的 run() 方法。当线程结束时，会释放原生线程和 Java 线程的所有资源。

image.png

1.1 线程的创建

四种方式创建线程

  1. 继承Thread类 Thread 类本质上是实现了 Runnable 接口的一个实例，代表一个线程的实例。启动线程的唯一方法就是通过 Thread 类的 start()实例方法。start()方法是一个 native 方法，它将启动一个新线程，并执行 run()方法。

image.png

image.png

  1. 实现Runable接口 推荐此方式。两个特点：
  • 1.覆写Runnable接口实现多线程可以避免单继承局限
  • 2.实现Runnable()可以更好的体现共享的概念
  • 3.当执行目标类实现Runnable接口，此时执行目标（target）类和Thread是代理模式子类负责真是业务的操作，thread负责资源调度与线程创建辅助真实业务。
public class MyThread2 extends AbstractClassA implements Runnable{
    @Override
    protected void doSomething() {
        System.out.println("do something");
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("mythread2 run");
        doSomething();
    }
    public static void main(String[] args) {
        MyThread2 thread2 = new MyThread2();
        thread2.run();
    }
}

public abstract class AbstractClassA {

    protected abstract void doSomething();
}
  1. 实现callable接口 有返回值的任务必须实现Callable 接口，无返回值的任务必须 Runnable 接口。

image.png

  1. 线程池的方式创建 线程和数据库连接这些资源都是非常宝贵的资源。那么每次需要的时候创建，不需要的时候销 毁，是非常浪费资源的。那么我们就可以使用缓存的策略，也就是使用线程池。

1.2 线程的生命周期

线程生命周期.png

Thread类里面的，状态枚举类线程的6大状态 image.png

1.2.1 新建状态（NEW）

image.png 当程序使用 new 关键字创建了一个线程之后，该线程就处于新建状态，此时仅由 JVM 为其分配内存，并初始化其成员变量的值

1.2.2 运行状态（RUNNABLE）

image.png Runable包括了操作系统线程状态中的Running和Ready，也就是处于此状态的线程可能正在执行也可能正等待这CPU为它分配执行时间(时间片轮转的调度算法)。

1.2.3 阻塞状态（BLOCKED）

image.png 阻塞状态是指线程因为某种原因放弃了 cpu 使用权，也即让出了 cpu timeslice，暂时停止运行。直到线程进入可运行(runnable)状态，才有机会再次获得 cpu timeslice 转到运行(running)状态。

阻塞分为三种情况：

  1. 等待阻塞（o.wait->等待对列） 运行(running)的线程执行 o.wait()方法，JVM 会把该线程放入等待队列(waitting queue)中。
  2. 同步阻塞(lock->锁池) 运行(running)的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则 JVM 会把该线程放入锁池(lock pool)中。
  3. 其他阻塞(sleep/join) 运行(running)的线程执行 Thread.sleep(long ms)或 t.join()方法，或者发出了 I/O 请求时，JVM 会把该线程置为阻塞状态。当 sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者 I/O处理完毕时，线程重新转入可运行(runnable)状态。

1.2.4 等待状态 WAITING

image.png 处于这种状态的线程不会被分配CPU执行时间，它们要等待被显式地唤醒，否则会处于无限期等待的状态。

1.2.5 超时等待TIMED_WAITING

image.png 该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间后自行返回

1.2.6 终止TERMINATED

image.png 终止分为两种情况，正常终止和异常终止。

  1. 当线程的run()方法完成时，或者主线程的main()方法完成时，我们就认为它终止了。这个线程对象也许是活的，但是它已经不是一个单独执行的线程。线程一旦终止了，就不能复生。
  2. 在一个终止的线程上调用start()方法会抛出java.lang.IllegalThreadStateException异常。

1.3 线程状态切换

1.3.1 Thread.sleep(long millis)，

一定是当前线程调用此方法，当前线程进入TIMED_WAITING状态，但不释放对象锁，millis后线程自动苏醒进入就绪状态。

1.3.2 Thread.yield()

一定是当前线程调用此方法，当前线程放弃获取的CPU时间片，但不释放锁资源，由运行状态变为就绪状态，让OS再次选择线程。

作用：让相同优先级的线程轮流执行，但并不保证一定会轮流执行。实际中无法保证yield()达到让步目的，因为让步的线程还有可能被线程调度程序再次选中。Thread.yield()不会导致阻塞。该方法与sleep()类似，只是不能由用户指定暂停多长时间。

1.3.3 thread.join()/thread.join(long millis)

当前线程里调用其它线程t的join方法，当前线程进入WAITING/TIMED_WAITING状态，当前线程不会释放已经持有的对象锁。线程t执行完毕或者millis时间到，当前线程一般情况下进入RUNNABLE状态，也有可能进入BLOCKED状态（因为join是基于wait实现的）。

1.3.4 obj.wait()

当前线程调用对象的wait()方法，当前线程释放对象锁，进入等待队列。依靠notify()/notifyAll()唤醒或者wait(long timeout) timeout时间到自动唤醒。

1.3.5 obj.notify()

唤醒在此对象监视器上等待的单个线程，选择是任意性的。notifyAll()唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。

1.3.6 LockSupport.park()/LockSupport.parkNanos(long nanos),LockSupport.parkUntil(long deadlines)

当前线程进入WAITING/TIMED_WAITING状态。对比wait方法,不需要获得锁就可以让线程进入WAITING/TIMED_WAITING状态，需要通过LockSupport.unpark(Thread thread)唤醒。

参考

《Java并发编程艺术》

《深入理解Java虚拟机》

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