《Java 并发编程》进程与线程

《Java 并发编程》进程与线程

• ✅1. 基本概念
• ✅2. 并行与并发
• ✅3. 应用
• • 3.1 应用之异步调用
  • 3.2 应用之提高效率
• ✅4. 创建线程并运行
• • 4.1 通过继承 Thread 创建线程
  • 4.2 使用 Runnable 配合 Thread (推荐)
  • 4.3 FutureTask 配合 Thread
  • 4.4 小结
• ✅5. 原理之线程运行
• ✅6. 常用方法
• • 6.1 start 与 run
  • 6.2 sleep 与 yield
  • 6.3 join 方法
  • 6.4 interrupt 方法
  • 6.5 不推荐的打断方法
  • 6.6 守护线程
• ✅7. 线程状态
• • 7.1 五种状态模型
  • 7.2 六种状态模型

✅1. 基本概念

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，就必须将指令加载到 CPU，数据加载到内存。在指令运行过程中还需使用磁盘、网络等设备，进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的。
• 当一个程序运行，从磁盘加载这个程序的代码到内存，这时就开启了一个进程。
• 进程可以看作程序的一个实例，大部分程序可以同时运行多个进程实例（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（如网易云音乐、360卫士等）。

️‍线程

• 一个进程之内可以分为多个线程。
• 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。
• 在 Java 中，线程作为 CPU 调度执行的最小单位，进程作为资源拥有的最小单位，在 Windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器。

️‍进程和线程对比：

• 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。
• 进程通信较为复杂
  （1）同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）
  （2）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（如 HTTP）
• 线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，例如多个线程可以访问同一个共享变量。
• 线程更加的轻量级，线程上下文切换成本一般要比进程上下文切换低。

✅2. 并行与并发

️‍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，让人感觉像是在同时运行的。实际就是，微观串行，宏观并行。

️‍一般将线程轮流使用 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

️‍多核 CPU 下，每个核（Core） 都可以调度运行线程，这时候线程是并行的。

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

️‍引用 Rob Pike 的一段描述

并行（Parallel）是同一时间动手做多件事情的能力
并发是同一时间应对多件事情的能力

️‍例如：

• 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。
• 家庭主妇雇了 2 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）。
• 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。

✅3. 应用 3.1 应用之异步调用

从调用角度来讲，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）设计

多线程可以让方法执行变为异步（即不需要干巴巴等着），例如读取磁盘文件时，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，其他代码都需要暂停。

（2）结论

• 例如，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 也是类似的操作目的，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

3.2 应用之提高效率

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

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

• 如果串行执行，那么总共花费的时间时 10+11+9+1=31ms
• 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时间，即 11ms，最后加上汇总时间只会花费 12 ms

值得注意的是，需要在多核 CPU 的前提下才能提高效率，单核 CPU 仍然是轮流执行。

（2）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
  （1）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
  （2）也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率也没什么意义

✅4. 创建线程并运行 4.1 通过继承 Thread 创建线程

public class CreateThread {
	public static void main(String[] args) {
		Thread myThread = new MyThread();
        // 启动线程
		myThread.start();
	}
}

class MyThread extends Thread {
	@Override
	public void run() {
		System.out.println("My Thread running...");
	}
}

️‍使用继承方式的好处就是在 run() 方法内获取当前线程直接使用 this 就可以了，无须使用Thread.currentThread（）方法；不好的地方是 Java 不支持多继承，如果继承了 Thread 类，那么就不能再继承其他类。另外任务与代码没有分离，当多个线程执行一样的任务时需要多份任务代码。

4.2 使用 Runnable 配合 Thread (推荐)

public class Test {
	public static void main(String[] args) {
		//创建线程任务
		Runnable runnable = new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				System.out.println("Runnable running");
			}
		};
		//将 Runnable 对象传给 Thread
		Thread t = new Thread(runnable);
		//启动线程
		t.start();
	}
}

或者

public class CreateThread {
   private static class MyRunnable implements Runnable {
      @Override
      public void run() {
         System.out.println("my runnable running...");
      }
   }
   public static void main(String[] args) {
      MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
      Thread t = new Thread(myRunnable);
      t.start();
   }
}

通过实现 Runnable 接口，并且实现 run() 方法，在创建线程时作为参数传入该类的实例。

使用 lambda 精简代码

当一个接口带有 @FunctionalInterface 注解时，可以使用 lambda 来简化操作。

Runnable 接口源码如下

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    
    public abstract void run();
}

使用 lambda 简化后的代码如下

public class Test2 {
	public static void main(String[] args) {
		//创建线程任务
		Runnable r = () -> {
            //直接写方法体即可
			System.out.println("Runnable running");
			System.out.println("Hello Thread");
		};
		//将Runnable对象传给Thread
		Thread t = new Thread(r);
		//启动线程
		t.start();
	}
}

原理之 Thread 与 Runnable 的关系

分析 Thread 的源码，理清它与 Runnable 的关系。

public
class Thread implements Runnable {
   //...
}

️‍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

4.3 FutureTask 配合 Thread

️‍使用 FutureTask 可以用泛型指定线程的返回值类型（Runnable 的 run 方法没有返回值）

public class Test {
	public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        //需要传入一个Callable对象
		FutureTask task = new FutureTask(new Callable() {
			@Override
			public Integer call() throws Exception {
				System.out.println("线程执行!");
				Thread.sleep(1000);
				return 100;
			}
		});

		Thread r1 = new Thread(task, "t2");
		r1.start();
		//获取线程中方法执行后的返回结果
		System.out.println(task.get());
	}
}

或者

public class UseFutureTask {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        FutureTask futureTask = new FutureTask<>(new MyCall());
        Thread t = new Thread(futureTask);
        t.start();
        // 获得线程运行后的返回值
        System.out.println(futureTask.get());
    }
}

class MyCall implements Callable {
    @Override
    public String call() throws Exception {
        return "hello world";
    }
}

4.4 小结

使用继承方式的好处就是方便传参，可以在子类里面添加成员变量，通过 set 方法设置参数或者通过构造函数进行传递，而如果使用 Runnable 方式，则只能使用主线程里面被声明为 final 的变量。不好的地方是 Java 不支持多继承，如果继承了 Thread 类，那么子类不能再继承其他类，而 Runable 则没有这个限制。前两种方式都没办法拿到任务的返回结果，但是 Futuretask 方式可以返回结果。

✅5. 原理之线程运行

️‍栈与栈帧

JVM 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存就是给线程分配的空间，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

️‍发生上下文切换时，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
• 上下文切换频繁发生会影响性能

✅6. 常用方法

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，里面的代码不一定立刻执行(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	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 调度的几率
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，如果打断的是正在运行的线程，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

6.1 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

[main] c.TestStart - main
[main] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
[main] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4227 ms
[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

[main] c.TestStart - do other things ...
[t1] c.TestStart - t1
[t1] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
[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。

小结：

• 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

6.2 sleep 与 yield

️‍sleep（使线程阻塞）

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 InterruptedException
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，如

//休眠一秒
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
//休眠一分钟
TimeUnit.MINUTES.sleep(1);

️‍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

️‍线程优先级

• 线程优先级会提示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，但是 CPU 空闲时，优先级几乎没有作用

设置优先级的方法

t.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); //设置为优先级最高

6.3 join 方法

️‍为什么需要 join？执行下面的代码，打印的 r 是什么？

static int r = 0;
public static void main(String[] args) {
    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 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 join 方法，加在 t1.start() 之后即可

从调用的角度来讲，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

️‍等待多个结果，下面代码大概需要花费多少秒？

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;

public static void main(String[] args) {
    test2();
}

private static void test2() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        sleep(1);
        r = 10;
    });

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        sleep(2);
        r2 = 20;
    });
    long start = System.currentTimeMillis();
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    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：1 秒后执行到此，t2 也运行了 1 秒，因此只需要再等待 1 秒

️‍如果颠倒两个 join，最后的输出结果都是一样的。

️‍其实，join 方法就是用于等待某个线程结束，哪个线程内调用 join 方法，就等待哪个线程结束，然后再去执行其他线程。

如在主线程中调用 thread.join()，则是主线程等待 t1 线程结束。

Thread thread = new Thread();
//等待thread线程执行结束
thread.join();
//最多等待1000ms,如果1000ms内线程执行完毕，则会直接执行下面的语句，不会等够1000ms
thread.join(1000);

6.4 interrupt 方法

️‍interrupt 方法用于打断阻塞 (sleep wait join…) 的线程，处于阻塞状态的线程，CPU 不会给其分配时间片。

• 如果一个线程在运行中被打断，打断标记会被置为 true
• 如果是打断因 sleep wait join 方法而被阻塞的线程，会将打断标记置为 false

//用于查看打断标记，返回值被 boolean 类型
t1.isInterrupted();

️‍正常运行的线程在被打断后，不会停止，会继续执行。如果要让线程在被打断后停下来，需要使用打断标记来判断。

while(true) {
    if(Thread.currentThread().isInterrupted()) {
        break;
    }
}

interrupt 方法的应用——两阶段终止模式

当我们在执行线程一时，想要终止线程二，这是就需要使用 interrupt 方法来优雅的停止线程二。

代码如下

public class Test {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		Monitor monitor = new Monitor();
		monitor.start();
		Thread.sleep(3500);
		monitor.stop();
	}
}

class Monitor {

	Thread monitor;

	
	public void start() {
		//设置监控器线程，用于监控线程状态
		monitor = new Thread() {
			@Override
			public void run() {
				//开始不停的监控
				while (true) {
                    //判断当前线程是否被打断了
					if(Thread.currentThread().isInterrupted()) {
						System.out.println("处理后续任务");
                        //终止线程执行
						break;
					}
					System.out.println("监控器运行中...");
					try {
						//线程休眠
						Thread.sleep(1000);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
						//如果是在休眠的时候被打断，不会将打断标记设置为true，这时要重新设置打断标记
						Thread.currentThread().interrupt();
					}
				}
			}
		};
		monitor.start();
	}

	
	public void stop() {
		//打断线程
		monitor.interrupt();
	}
}

6.5 不推荐的打断方法

还有一些不推荐使用的方法，这些方法已过时，容易破坏同步代码块，造成线程死锁。

方法名字	static	功能说明
stop()		停止线程运行（可能造成共享资源无法被释放，其他线程无法使用这些共享资源）
suspend()		挂起（暂停）线程运行
resume()		恢复线程运行

6.6 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，只要其他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。

//将线程设置为守护线程, 默认为false
monitor.setDaemon(true);

️‍守护线程的应用场景

• 垃圾回收器就是一种守护线程
• 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（Acceptor 和 Poller）处理完当前请求

✅7. 线程状态 7.1 五种状态模型

️‍从操作系统层面来描述

（1）【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

（2）【就绪状态（可运行状态）】，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

（3）【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】转换到【可运行状态】，会导致线程的上下文切换

（4）【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【就绪状态】
• 与【就绪状态】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

（5）【终止状态】表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其他状态

7.2 六种状态模型

️‍从 Java API 层面描述，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（Java API 层面的 RUNNABLE 状态涵盖了操作系统层面的【就绪状态】、【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，仍然认为是可运行的
• 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