19.从0开始深入理解并发、线程与等待通知机制（中

小虾米吃橘子
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深入学习 Java 的线程

线程的状态/生命周期

使用 jstack 可以查看线程的状态

Java中线程的状态分为6种

  • 初始(NEW)：新创建了一个线程对象，但还没有调用start()方法。
  • 运行(RUNNABLE)：Java线程中将就绪（ready）和运行中（running）两种状态笼统的称为“运行”。 线程对象创建后，其他线程(比如main线程）调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，等待被线程调度选中，获取CPU的使用权，此时处于就绪状态（ready）。就绪状态的线程在获得CPU时间片后变为运行中状态（running）。
  • 阻塞(BLOCKED)：表示线程阻塞于锁。
  • 等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
  • 超时等待(TIMED_WAITING)：该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间后自行返回。
  • 终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。

状态之间的变迁图示：

image15.jpeg

其他的线程相关方法

yield()方法：使当前线程让出CPU占有权，但让出的时间是不可设定的。也不会释放锁资源。

wait()/notify()/notifyAll()

线程的优先级

在Java线程中，setPriority(int 1~10)方法来修改优先级，默认优先级是5。

在不同的JVM以及操作系统上，线程规划会存在差异，有些操作系统甚至会忽略对线程优先级的设定。

线程的调度

线程调度是指系统为线程分配CPU使用权的过程，主要调度方式有两种：

协同式线程调度(Cooperative Threads-Scheduling)

抢占式线程调度(Preemptive Threads-Scheduling)

Java线程调度就是抢占式调度

线程和协程

任何语言实现线程主要有三种方式：

  • 使用内核线程实现（1:1实现)
    • 这种线程由内核来完成线程切换， 内核通过操纵调度器（Scheduler） 对线程进行调度， 并负责将线程的任务映射到各个处理器上。
    • 局限性：首先，由于是基于内核线程实现的，所以各种线程操作，如创建、 析构及同步，都需要进行系统调用。而系统调用的代价相对较高， 需要在用户态（User Mode）和内核态（Kernel Mode）中来回切换。其次，每个语言层面的线程都需要有一个内核线程的支持，因此要消耗一定的内核资源（如内核线程的栈空间），因此一个系统支持的线程数量是有限的。
  • 使用用户线程实现(1:N实现）
    • 严格意义上的用户线程指的是完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知到用户线程的存在及如何实现的。用户线程的建立、同步、销毁和调度完全在用户态中完成，不需要内核的帮助。
    • 用户线程的优势在于不需要系统内核支援，劣势也在于没有系统内核的支援， 所有的线程操作都需要由用户程序自己去处理。
  • 使用用户线程加轻量级进程混合实现(N:M实现）
    • 用户线程还是完全建立在用户空间中， 因此用户线程的创建、 切换、 析构等操作依然廉价， 并且可以支持大规模的用户线程并发。
    • 同样又可以使用内核提供的线程调度功能及处理器映射，并且用户线程的系统调用要通过内核线程来完成。

系统调用，触发系统上下文切换

Java线程的实现

以HotSpot为例，它的每一个Java线程都是直接映射到一个操作系统原生线程来实现的，而且中间没有额外的间接结构， 所以HotSpot自己是不会去干涉线程调度的，全权交给底下的操作系统去处理。

所以，这就是我们说Java线程调度是抢占式调度的原因。

协程

  • 出现的原因
    • 微服务的兴起
  • 协程简介
    • 内核线程的切换开销是来自于保护和恢复现场的成本
    • 由于最初多数的用户线程是被设计成协同式调度（Cooperative Scheduling） 的，所以它有了一个别名——“协程”（Coroutine） 完整地做调用栈的保护、恢复工作，所以今天也被称为“有栈协程”（Stackfull Coroutine）。
    • 协程的主要优势是轻量， 无论是有栈协程还是无栈协程， 都要比传统内核线程要轻量得多。
    • 协程机制适用于被阻塞的，且需要大量并发的场景（网络io），不适合大量计算的场景。
  • 纤程-Java中的协程
    • 目前Java中比较出名的协程库是Quasar[ˈkweɪzɑː(r)]， Quasar的实现原理是字节码注入，在字节码层面对当前被调用函数中的所有局部变量进行保存和恢复。
  • JDK19的虚拟线程
    • 2022年9月22日，JDK19（非LTS版本）正式发布，引入了协程，并称为轻量级虚拟线程。
    • 使用javac --release 19 --enable-preview XXX.java编译程序，并使用 java --enable-preview XXX 运行该程序

守护线程

Daemon（守护）线程是一种支持型线程，因为它主要被用作程序中后台调度以及支持性工作。

当一个Java虚拟机中不存在非Daemon线程的时候，Java虚拟机将会退出。

调用Thread.setDaemon(true)将线程设置为Daemon线程。

线程间的通信和协调、协作

管道输入输出流

Java的线程里也有类似的管道机制，用于线程之间的数据传输，而传输的媒介为内存。

PipedWriter out = new PipedWriter();
PipedReader in = new PipedReader();
try {
    out.connect(in);
    Thread printThread = new Thread(new Print(in), "PrintThread");
    printThread.start();

    int receive = 0;
    try {
        /*将键盘的输入，用输出流接受，在实际的业务中，可以将文件流导给输出流*/
        while ((receive = System.in.read()) != -1){
            out.write(receive);
        }
    } finally {
        out.close();
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
    throw new RuntimeException(e);
}

join方法

把指定的线程加入到当前线程，可以将两个交替执行的线程合并为顺序执行。

Thread productService = new Thread(new GetProduct());
Thread userService = new Thread(new GetUser());
Thread formatService = new Thread(new FormatService());
//依次执行
productService.start();
productService.join();
userService.start();
userService.join();
formatService.start();
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