JAVA并发(二)：线程基础

JAVA并发(二)：线程基础

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整理自https://www.pdai.tech/md/java/thread/java-thread-x-thread-basic.html

1 本文将介绍以下问题

  • 线程有哪几种状态? 分别说明从一种状态到另一种状态转变有哪些方式?
  • 通常线程有哪几种使用方式?
  • 基础线程机制有哪些?
  • 线程的中断方式有哪些?
  • 线程的互斥同步方式有哪些? 如何比较和选择?
  • 线程之间有哪些协作方式?

2 线程状态转换

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2.1 新建New

创建后尚未启动

2.2 可运行(Runnable)

可能正在运行，也可能正在等待 CPU 时间片。

包含了操作系统线程状态中的 Running 和 Ready。

2.3 阻塞(Blocking)

等待获取一个排它锁，如果其线程释放了锁就会结束此状态。

2.4 无限期等待(Waiting)

等待其它线程显式地唤醒，否则不会被分配 CPU 时间片。

进入方法 退出方法
没有设置 Timeout 参数的 Object.wait() 方法 Object.notify() / Object.notifyAll()
没有设置 Timeout 参数的 Thread.join() 方法 被调用的线程执行完毕
LockSupport.park() 方法 -

2.5 限期等待(Timed Waiting)

无需等待其它线程显式地唤醒，在一定时间之后会被系统自动唤醒。

调用 Thread.sleep() 方法使线程进入限期等待状态时，常常用“使一个线程睡眠”进行描述。

调用 Object.wait() 方法使线程进入限期等待或者无限期等待时，常常用“挂起一个线程”进行描述。

睡眠和挂起是用来描述行为，而阻塞和等待用来描述状态。

阻塞和等待的区别在于，阻塞是被动的，它是在等待获取一个排它锁。而等待是主动的，通过调用 Thread.sleep() 和 Object.wait() 等方法进入。

进入方法 退出方法
Thread.sleep() 方法 时间结束
设置了 Timeout 参数的 Object.wait() 方法 时间结束 / Object.notify() / Object.notifyAll()
设置了 Timeout 参数的 Thread.join() 方法 时间结束 / 被调用的线程执行完毕
LockSupport.parkNanos()方法 -
LockSupport.parkUntil() 方法 -

2.6 死亡(Terminated)

可以是线程结束任务之后自己结束，或者产生了异常而结束

3 线程使用方式

有三种使用线程的方法:

  • 实现 Runnable 接口
  • 实现 Callable 接口
  • 继承 Thread 类

实现 Runnable 和 Callable 接口的类只能当做一个可以在线程中运行的任务，不是真正意义上的线程，因此最后还需要通过 Thread 来调用。可以说任务是通过线程驱动从而执行的。

3.1 实现Runnable接口

实现run()方法，通过Thread类调用start()启动线程

public class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable instance = new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(instance);
        thread.start();
    }
}

3.2 实现Callable接口

与 Runnable 相比，Callable 可以有返回值，返回值通过 FutureTask 进行封装

public class MyCallable implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        return 100;
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyCallable myCallable = new MyCallable();
        FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(myCallable);
        Thread thread = new Thread(ft);
        thread.start();
        try {
            System.out.println(ft.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3.3 继承Thread类

同样也是需要实现 run() 方法，因为 Thread 类也实现了 Runable 接口。

当调用 start() 方法启动一个线程时，虚拟机会将该线程放入就绪队列中等待被调度，当一个线程被调度时会执行该线程的 run() 方法

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

    public static void main(String[] args) {
        Thread myThread = new MyThread();
        myThread.start();
    }
}

实现接口 VS 继承 Thread

实现接口会更好一些，因为:

  • Java 不支持多重继承，因此继承了 Thread 类就无法继承其它类，但是可以实现多个接口；
  • 类可能只要求可执行就行，继承整个 Thread 类开销过大

4 基础线程机制

4.1 Executor

Executor 管理多个异步任务的执行，而无需程序员显式地管理线程的生命周期。这里的异步是指多个任务的执行互不干扰，不需要进行同步操作。

主要有三种 Executor:

  • CachedThreadPool: 一个任务创建一个线程；
  • FixedThreadPool: 所有任务只能使用固定大小的线程；
  • SingleThreadExecutor: 相当于大小为 1 的 FixedThreadPool。
public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        executorService.execute(new MyRunnable());
    }
    executorService.shutdown();
}

4.2 Daemon

守护线程是程序运行时在后台提供服务的线程，不属于程序中不可或缺的部分。

当所有非守护线程结束时，程序也就终止，同时会杀死所有守护线程。

main() 属于非守护线程。

使用 setDaemon() 方法将一个线程设置为守护线程。

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
    thread.setDaemon(true);
}

4.3 sleep()

Thread.sleep(millisec) 方法会休眠当前正在执行的线程，millisec 单位为毫秒。

sleep() 可能会抛出 InterruptedException，因为异常不能跨线程传播回 main() 中，因此必须在本地进行处理。线程中抛出的其它异常也同样需要在本地进行处理。

public void run() {
    try {
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

4.4 yield()

对静态方法 Thread.yield() 的调用声明了当前线程已经完成了生命周期中最重要的部分，可以切换给其它线程来执行。该方法只是对线程调度器的一个建议，而且也只是建议具有相同优先级的其它线程可以运行。

public void run() {
    Thread.yield();
}

5 线程中断

一个线程执行完毕之后会自动结束，如果在运行过程中发生异常也会提前结束

5.1 InterruptedException

通过调用一个线程的 interrupt() 来中断该线程，如果该线程处于阻塞、限期等待或者无限期等待状态，那么就会抛出 InterruptedException，从而提前结束该线程。但是不能中断 I/O 阻塞和 synchronized 锁阻塞。

对于以下代码，在 main() 中启动一个线程之后再中断它，由于线程中调用了 Thread.sleep() 方法，因此会抛出一个 InterruptedException，从而提前结束线程，不执行之后的语句

public class InterruptExample {
    private static class MyThread1 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("Thread run");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new MyThread1();
        thread1.start();
        thread1.interrupt();
        System.out.println("Main run");
    }
}

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5.2 interrupted()

如果一个线程的 run() 方法执行一个无限循环，并且没有执行 sleep() 等会抛出 InterruptedException 的操作，那么调用线程的 interrupt() 方法就无法使线程提前结束。

但是调用 interrupt() 方法会设置线程的中断标记，此时调用 interrupted() 方法会返回 true。因此可以在循环体中使用 interrupted() 方法来判断线程是否处于中断状态，从而提前结束线程

public class InterruptExample {
    private static class MyThread2 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while (!interrupted()) {
                // ..
            }
            System.out.println("Thread end");
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new MyThread2();
        thread1.start();
        thread1.interrupt();
        System.out.println("Main run");
    }
}

每一个线程都有一个boolean类型的标志，此标志意思是当前的请求是否请求中断，默认为false。当一个线程A调用了线程B的interrupt方法时，那么线程B的是否请求的中断标志变为true。而线程B可以调用方法检测到此标志的变化。

  1. 阻塞方法：如果线程B调用了阻塞方法，如果是否请求中断标志变为了true，那么它会抛出InterruptedException异常。抛出异常的同时它会将线程B的是否请求中断标志置为false
  2. 非阻塞方法：可以通过线程B的isInterrupted方法进行检测是否请求中断标志为true还是false，另外还有一个静态的方法interrupted方法也可以检测标志。但是静态方法它检测完以后会自动的将是否请求中断标志位置为false。例如线程A调用了线程B的interrupt的方法，那么如果此时线程B中用静态interrupted方法进行检测标志位的变化的话，那么第一次为true，第二次就为false

参考:https://blog.csdn.net/qq_39682377/article/details/81449451

Executor中断操作

在 Executor 中

  • 调用 shutdown() 方法会等待线程都执行完毕之后再关闭
  • 调用 shutdownNow() 方法，则相当于调用每个线程的 interrupt() 方法
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        executorService.execute(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("Thread run");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        executorService.shutdownNow();
        System.out.println("Main run");
    }

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6 线程互斥同步

Java 提供了两种锁机制来控制多个线程对共享资源的互斥访问

  • JVM 实现的 synchronized
  • JDK 实现的 ReentrantLock

6.1 synchronized

  1. 同步一个代码块

    public void func() {
    synchronized (this) {
        // ...
    }
}

    它只作用于同一个对象，如果调用两个对象上的同步代码块，就不会进行同步。

    对于以下代码，使用 ExecutorService 执行了两个线程，由于调用的是同一个对象的同步代码块，因此这两个线程会进行同步，当一个线程进入同步语句块时，另一个线程就必须等待

    public class SynchronizedExample {
    public void func1() {
        synchronized (this) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        executorService.execute(() -> e1.func1());
        executorService.execute(() -> e1.func1());
        executorService.shutdown();
    }
}

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    如果没有synchronized，或者作用于不同对象，结果是随机的，比如：

    image-20210120153307787

  2. 同步一个方法

    public synchronized void func () {
    // ...
}

    它和同步代码块一样，作用于同一个对象，以下的代码等效于上面的代码

    public class SynchronizedExample {
    
    public synchronized void func2(){
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.print(i + " ");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        executorService.execute(() -> e1.func2());
        executorService.execute(() -> e1.func2());
        executorService.shutdown();
    }
}

  3. 同步一个类

    public void func() {
    synchronized (SynchronizedExample.class) {
        // ...
    }
}

    作用于整个类，也就是说两个线程调用同一个类的不同对象上的这种同步语句，也会进行同步

    public class SynchronizedExample {
    
    public void func3(){
        synchronized (SynchronizedExample.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
        SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        executorService.execute(() -> e1.func3());
        executorService.execute(() -> e2.func3());
        executorService.shutdown();
    }
}
// 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

  4. 同步一个静态方法

    作用于整个类

    public synchronized static void fun() {
    // ...
}

6.2 ReentrantLock

ReentrantLock 是 java.util.concurrent(J.U.C)包中的锁

作用范围取决于Lock

public class LockExample {
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void func(){
        lock.lock();
        try {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        } finally {
            lock.unlock(); // 确保释放锁，从而避免发生死锁。
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockExample lockExample = new LockExample();
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        executorService.execute(() -> lockExample.func());
        executorService.execute(() -> lockExample.func());
        executorService.shutdown();
    } // 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
    
    public static void main(String[] args) {
        LockExample lockExample = new LockExample();
        LockExample lockExample2 = new LockExample();
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        executorService.execute(() -> lockExample.func());
        executorService.execute(() -> lockExample2.func());
        executorService.shutdown();
    } // 无法保证同步
}

6.3 比较

1. 锁的实现

synchronized 是 JVM 实现的，而 ReentrantLock 是 JDK 实现的。

2. 性能

新版本 Java 对 synchronized 进行了很多优化，例如自旋锁等，synchronized 与 ReentrantLock 大致相同。

3. 等待可中断

当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情。

ReentrantLock 可中断，而 synchronized 不行。

4. 公平锁

公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁。

synchronized 中的锁是非公平的，ReentrantLock 默认情况下也是非公平的，但是也可以是公平的。

5. 锁绑定多个条件

一个 ReentrantLock 可以同时绑定多个 Condition 对象

6.4 使用选择

除非需要使用 ReentrantLock 的高级功能，否则优先使用 synchronized。

这是因为 synchronized 是 JVM 实现的一种锁机制，JVM 原生地支持它，而 ReentrantLock 不是所有的 JDK 版本都支持。并且使用 synchronized 不用担心没有释放锁而导致死锁问题，因为 JVM 会确保锁的释放。

7 线程之间的协作

当多个线程可以一起工作去解决某个问题时，如果某些部分必须在其它部分之前完成，那么就需要对线程进行协调

7.1 join()

在线程中调用另一个线程的 join() 方法，会将当前线程挂起，而不是忙等待，直到目标线程结束。

对于以下代码，虽然 b 线程先启动，但是因为在 b 线程中调用了 a 线程的 join() 方法，b 线程会等待 a 线程结束才继续执行，因此最后能够保证 a 线程的输出先于 b 线程的输出

public class JoinExample {

    private class A extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("A");
        }
    }

    private class B extends Thread {

        private A a;

        B(A a) {
            this.a = a;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                a.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("B");
        }
    }

    public void test(){
        A a = new A();
        B b = new B(a);
        b.start();
        a.start();
    }

    public static void main(String[] args) {
        new JoinExample().test();
    }
}
// A
// B

7.2 wait() notify() notifyAll()

调用 wait() 使得线程等待某个条件满足，线程在等待时会被挂起，当其他线程的运行使得这个条件满足时，其它线程会调用 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程。

它们都属于 Object 的一部分，而不属于 Thread。

只能用在同步方法或者同步控制块中使用，否则会在运行时抛出 IllegalMonitorStateExeception。

使用 wait() 挂起期间，线程会释放锁。这是因为，如果没有释放锁，那么其它线程就无法进入对象的同步方法或者同步控制块中，那么就无法执行 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程，造成死锁。

public class WaitExample {
    public synchronized void before() {
        System.out.println("before");
        notifyAll();
    }

    public synchronized void after() {
        try {
            wait();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("after");
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        WaitExample example = new WaitExample();
        executorService.execute(() -> example.after());
        executorService.execute(() -> example.before());
        executorService.shutdown();
    }
}
// before
// after

wait() 和 sleep() 的区别

  • wait() 是 Object 的方法，而 sleep() 是 Thread 的静态方法；
  • wait() 会释放锁，sleep() 不会

7.3 await() signal() signalAll()

java.util.concurrent 类库中提供了 Condition 类来实现线程之间的协调，可以在 Condition 上调用 await() 方法使线程等待，其它线程调用 signal() 或 signalAll() 方法唤醒等待的线程。相比于 wait() 这种等待方式，await() 可以指定等待的条件，因此更加灵活。

使用 Lock 来获取一个 Condition 对象

有点类似于管程

public class AwaitSignalExample {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();

    public void before() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("before");
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void after() {
        lock.lock();
        try {
            condition.await();
            System.out.println("after");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        AwaitSignalExample example = new AwaitSignalExample();
        executorService.execute(() -> example.after());
        executorService.execute(() -> example.before());
        executorService.shutdown();
    }
}
// before
// after
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