Java并发编程

Java并发编程

1. 进程和线程

1.1 进程1.2 线程1.3 并行1.4 异步调用1.5 结论 2. Java线程

2.1 创建和运行线程2.2 多个线程同时运行2.3 查看进程线程的方法2.4 线程运行的原理

1. 栈与栈帧2. 线程上下文切换（Thread Context Switch）3. 常见方法4. start 与 run5. sleep 与 yield6. 线程优先级7. 限制对 CPU 的使用8. join 方法详解9. 有时效的 join10. interrupt 方法详解

打断 sleep，wait，join 的线程打断正常运行的线程打断 park 线程 11 .不推荐的方法12 主线程与守护线程13 五种线程状态14 六种状态 3. 共享模型之管程

1. 进程和线程 1.1 进程

程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至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的当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程。进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本、画图、浏览器等），也有的程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐、360安全卫士等) 1.2 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 1.3 并行

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

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。

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

1.4 异步调用

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 1.5 结论

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。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 2. Java线程 2.1 创建和运行线程

方法一：直接使用 Thread把线程和任务合并在了一起
重写run方法

    public static void test1() {
        Thread t = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running");
            }
        };
        t.setName("t1");
        t.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）

 // 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();

Java 8 以后可以使用 lambda 精简代码

Runnable r = () -> {log.debug("running");};

Thread t = new Thread(r, "t2");

t.start();

或者

Thread t = new Thread(() -> {log.debug("running");}, "t2");

t.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

FutureTask task = new FutureTask(new Callable() {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        log.debug("running");
        Thread.sleep(1000);
        return 100;
    }
});
Thread t1 = new Thread(task, "t1");
t1.start();
log.debug("{}",task.get()); //main线程等待task执行完成

简写

  @Test
  public void test() throws ExecutionException, InterruptedException {
      // 创建任务对象
      FutureTask 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);
  }

2.2 多个线程同时运行

交替执行谁先谁后，不由我们控制 2.3 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

tasklist | findstr java #筛选
taskkill /F /PID 28060

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

ps -fe
ps -fe | grep java
jps
top -H -p 4261

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）

jstack 4253

2.4 线程运行的原理 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（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 3. 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	id 唯一
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	ava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

4. start 与 run

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 5. sleep 与 yield

sleep

调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）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 InterruptedException睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性

yield

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具体的实现依赖于操作系统的任务调度器

6. 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();

7. 限制对 CPU 的使用

sleep 实现

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
实验环境是虚拟机模拟单核cpu

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

不加sleep之前cpu占用90%以上，加了后只占用3%

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 8. 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();
    //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

使用join让线程1同步执行。 9. 有时效的 join

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   test3();
}
public static void test3() throws InterruptedException {
   Thread t1 = new Thread(() -> {
       sleep(1);
       r1 = 10;
   });
   long start = System.currentTimeMillis();
   t1.start();
   // 线程执行结束会导致 join 结束
   t1.join(1500);
   long end = System.currentTimeMillis();
   log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

输出
等够时间

20:48:01.320 [main] c.TestJoin - r1: 10 r2: 0 cost: 1010

没等够时间

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test3();
}
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
t1.join(1500);
long end = System.currentTimeMillis();
log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

输出

20:52:15.623 [main] c.TestJoin - r1: 0 r2: 0 cost: 1502

10. 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（将状态置为false），以 sleep 为例

private static void test1() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(()->{
sleep(1);
}, "t1");
t1.start();
sleep(0.5); //主线程睡眠，保证t1线程在睡眠状态下被打断
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, 不会打断运行状态，我们可以自定义我们的操作根据打断状态。

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

private static void test4() {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
log.debug("park...");
LockSupport.park();
log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
}
});
t1.start();
sleep(1);
t1.interrupt();
}

输出：

21:20:38 [Thread-0] c.Test5 - park…
21:20:38 [Thread-0] c.Test5 - 打断状态：true
21:20:38 [Thread-0] c.Test5 - park…
21:20:38 [Thread-0] c.Test5 - 打断状态：true
21:20:38 [Thread-0] c.Test5 - park…
21:20:38 [Thread-0] c.Test5 - 打断状态：true
21:20:38 [Thread-0] c.Test5 - park…
21:20:38 [Thread-0] c.Test5 - 打断状态：true
21:20:38 [Thread-0] c.Test5 - park…
21:20:38 [Thread-0] c.Test5 - 打断状态：true

可以使用 Thread.interrupted() 清除打断状态

11 .不推荐的方法

这些方法已过时，容易破坏同步代码块，造成线程死锁

方法名	static	功能说明
stop()		停止线程运行
suspend()		挂起（暂停）线程运行
resume()		恢复线程运行

12 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。例：

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...

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 13 五种线程状态

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 14 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
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
代码演示

@Slf4j(topic = "c.TestState")
public class TestState {
    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();
    }
}

输出

22:35:04 [t3] c.TestState - running...
22:35:05 [main] c.TestState - t1 state NEW
22:35:05 [main] c.TestState - t2 state RUNNABLE
22:35:05 [main] c.TestState - t3 state TERMINATED
22:35:05 [main] c.TestState - t4 state TIMED_WAITING //有时间的等待
22:35:05 [main] c.TestState - t5 state WAITING //没有时间的等待
22:35:05 [main] c.TestState - t6 state BLOCKED //t4先加了锁

3. 共享模型之管程