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前言

记录一下Java并发编程的知识点。有部分内容是借鉴《Java并发编程的艺术》这本书的。本次先介绍一下线程。

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01、线程简介

进程和线程的区别

• 进程：当一个程序被运行，即把程序的代码从磁盘加载到内存，就是开启了一个进程。进程可以理解为程序的一个实例（例如打开网易云、浏览器）。

• 线程：一个进程里面可以有多个线程，每个线程执行不同的任务（比如360安全卫士可以一边清理垃圾，一边扫描病毒），线程是现代操作系统调度的最小单位。

线程拥有各自的程序计数器，栈，并且可以共享堆里面的共享内存变量；

线程的状态

这里是从Java API层面上来讲的，先看一下Thread里面的枚举类

public enum State {NEW,RUNNABLE,BLOCKED, WAITING,   TIMED_WAITING,TERMINATED;
}

可以看出这里分成了六种状态：

• NEW：线程刚被创建，还没有调用start方法
• RUNNABLE：运行状态，涵盖了操作系统层面的就绪状态、运行状态、阻塞状态
• BLOCKED：阻塞状态，表示线程阻塞于锁
• WAITING：等待状态，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）
• TIMED_WAITING：超时等待状态，该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间后自行返回
• TERMINATED：终止状态，表示当前线程已经执行完毕

下图来自《Java并发编程的艺术》

线程创建的方式

1、继承Thread类

Thread t=new Thread(){@Overridepublic void run() {System.out.println("创建了一个线程");}
};
//启动线程
t.start();

2、实现Runnable接口

Runnable t2= new Runnable() {@Overridepublic void run(){// 要执行的任务}
};
// 创建线程对象
Thread t = new Thread(t2,"t2");
// 启动线程
t.start(); 

3、实现Callable接口（需要借助FutureTask来接收返回结果）

FutureTask<Integer> t3 = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {@Overridepublic Integer call() throws Exception {return 404;}
});new Thread(t3,"t").start();
//主线程阻塞，同步等待t3执行完毕返回结果
Integer result = t3.get();

4、使用线程池（第二部分详细介绍）

常见方法

方法名	功能说明	注意
start()	启动一个线程，在新的线程运行run方法中的代码	如果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
join()	等待目标线程运行结束
getPriority()	获取线程优先级
setPriority()	设置线程优先级	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 调度的机率
getState()	获取线程状态
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
isInterrupted()	判断是否被打断	不会清除打断标记
interrupted()	判断当前线程是否被打断	会清除打断标记
isAlive()	线程是否存活
sleep(long n)	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()	提示线程调度器让出当前线程对CPU的使用

sleep与yield的区别

sleep

• 调用 sleep 会让当前线程从 RUNNABLE 进入 TIMED_WAITING 状态
• 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，而且会把中断标识位清除

yield

• 调用 yield 会让当前线程让出CPU的使用权，注意当前线程会继续参与下一轮CPU使用权的争抢中，所以调用改方法后有可能还是当前线程继续运行

让线程“优雅”退出（线程中断）

中断可以理解为线程的一个标识位属性，它标识一个运行中的线程是否被其他线程进行了中断操作。其他线程可以通过调用该线程的interrupt方法对其进行中断操作。

线程通过检查自身是否被中断来进行响应，调用isInterrupted方法来进行判断是否被中断。

利用线程中断我们可以实现线程的“优雅”退出。代码如下

class TPTInterrupt {private Thread thread;public void start(){thread = new Thread(() -> {while(true) {Thread current = Thread.currentThread();//当我们调用stop对线程进行中断标记后这里就可以感知中断而结束if(current.isInterrupted()) {log.debug("收拾东西走人");break;}try {Thread.sleep(1000);log.debug("摸鱼ing......");} catch (InterruptedException e) {//如果是在睡眠中被打断，会抛出异常，那么我们需要自己进行中断标记current.interrupt();}}},"小明");thread.start();}public void stop() {thread.interrupt();}
}

在主方法调用

TPTInterrupt t = new TPTInterrupt();
t.start();
Thread.sleep(3500);
System.out.println("你被辞退了");
t.stop();

运行结果

12:56:11.123 [小明] DEBUG xyx.product.web.TPTInterrupt - 摸鱼ing......
12:56:12.142 [小明] DEBUG xyx.product.web.TPTInterrupt - 摸鱼ing......
12:56:13.147 [小明] DEBUG xyx.product.web.TPTInterrupt - 摸鱼ing......
12:56:13.522 [main] DEBUG xyx.product.web.Test - 你被辞退了
12:56:13.522 [小明] DEBUG xyx.product.web.TPTInterrupt - 收拾东西走人

我们用一个图来看看执行流程

02、线程池

核心参数

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler)

主要有7大核心参数：

• corePoolSize 核心线程数目 (最多保留的线程数)
• maximumPoolSize 最大线程数目
• keepAliveTime 生存时间
• unit 时间单位
• workQueue 阻塞队列
• threadFactory 线程工厂
• handler 拒绝策略

执行流程

核心线程数大小设置

• CPU 密集型任务(N+1)：这种任务消耗的主要是 CPU 资源，可以将线程数设置为 N（CPU 核心数）+1，比 CPU 核心数多出来的一个线程是为了防止某些原因导致的任务暂停（线程阻塞，如io操作，等待锁，线程sleep）而带来的影响。一旦某个线程被阻塞，释放了cpu资源，而在这种情况下多出来的一个线程就可以充分利用 CPU 的空闲时间。
• I/O 密集型任务(2N)：系统会用大部分的时间来处理 I/O 操作，而线程等待 I/O 操作会被阻塞，释放 cpu资源，这时就可以将 CPU 交出给其它线程使用。因此在 I/O 密集型任务的应用中，我们可以多配置一些线程，具体的计算方法：最佳线程数 = CPU核心数 * (1/CPU利用率) = CPU核心数 * (1 + (I/O耗时/CPU耗时))，一般可设置为2N。

线程池的创建

使用ThreadPoolExecutor的构造方法创建线程池

ThreadPoolExecutor threadsPool = new ThreadPoolExecutor(9,20, 60,TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>(100),Executors.defaultThreadFactory(),new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

创建完线程池后有两种方式提交任务，分别是execute和submit方法

execute方法用于提交不需要返回值的任务

public void execute(Runnable command)

submit方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象，通过future可以获取返回值，下面是它的三个接口

Future<?> submit(Runnable task);
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);

03、线程间通信

线程开始运行，拥有自己的栈空间，如果它们仅仅是孤立地运行，那么价值很少，如果多个线程之间可以相互配合完成工作，那么会带来更大的价值。

volatile和synchronized关键字

Java多线程访问共享变量时，每个线程都会有这个变量的拷贝副本，但是在执行过程中它可能看到的变量值不是最新的。

关键字volatile可以用来修饰共享变量，保证它对所有线程的“可见性”，即每个线程都可以读到最新值，详细原理我们下篇文章再介绍。

而关键字synchronized可以修饰方法或者同步代码块来确保同一个时刻，只能有一个线程处于方法或者同步块中，从而实现线程对共享变量访问的可见性和排他性。

等待/通知机制

这个可以有3种实现方式，我们分别介绍一下：

1、Object类的wait和notify方法

我们先看一下下面表格了解一下方法

再加上下面这个例子理解一下

final static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {new Thread(() -> {synchronized (obj) {log.debug("执行....");try {obj.wait(); // 让线程在obj上一直等待下去} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}log.debug("其它代码....");}}).start();new Thread(() -> {synchronized (obj) {log.debug("执行....");try {obj.wait(); // 让线程在obj上一直等待下去} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}log.debug("其它代码....");}}).start();// 主线程两秒后执行sleep(2);log.debug("唤醒 obj 上其它线程");synchronized (obj) {obj.notify(); // 唤醒obj上一个线程sleep(1000);// obj.notifyAll(); // 唤醒obj上所有等待线程}
}

执行结果

09:36:09.796 [Thread-0] DEBUG xyx.product.web.Test - 执行....
09:36:09.799 [Thread-1] DEBUG xyx.product.web.Test - 执行....
09:36:10.797 [main] DEBUG xyx.product.web.Test - 唤醒 obj 上其它线程
09:36:11.801 [Thread-0] DEBUG xyx.product.web.Test - 其它代码....

注意事项

• 使用上面的方法时需要获取到对象的锁
• 使用wait方法后，线程状态由RUNNING变为WAITING，同时会释放对象锁
• 调用notify或notifyAll方法后，需要等待notify或notifyAll的线程释放锁以后，等待线程才有机会从wait返回。
• 从wait返回的前提是获取到了锁
• 还有就是wait和notify的顺序不可以颠倒

2、Condition接口的await和signal方法

当我们调用Condition定义的方法时，需要获取到Condition对象关联的锁。而Condition对象是由Lock对象创建的，换句话说，Condition是依赖Lock对象的。

我们看一个例子（使用上和上面的第一种方法其实差不多）

class ConditionUseCase {ReentrantLock lock = new ReentrantLock();Condition condition = lock.newCondition();public void conditionWait() throws InterruptedException {lock.lock();try {condition.wait();} finally {lock.unlock();}}public void conditionSignal() {lock.lock();try {condition.signal();} finally {lock.unlock();}}
}

我们再来看看第二种方法对于第一种方法的提升，也可以理解为synchronized和ReentrantLock的一点区别：

• 第一种方式在等待状态中不响应中断，第二种方式支持
• 第一种方式不可以指定等待时间，第二种方式可以
• 第一种方式只能随机唤醒或唤醒全部，第二种方式可以利用多个Condition实现指定目标唤醒

3、LockSupport工具类的park和unpark方法

LockSupport里面的方法提供了最基本的线程阻塞和唤醒功能。它的最大优势就是不需要先获取锁就可以直接使用，而且park和unpark方法无需顺序执行。

我们直接看代码

Thread a = new Thread(() -> {log.debug("执行....");LockSupport.park();log.debug("其它代码....");});a.start();Thread b = new Thread(() -> {log.debug("执行....");//给指定线程放行LockSupport.unpark(a);log.debug("其它代码....");});b.start();

Thread.join() 方法

如果一个线程A执行了thread.join()语句，其含义是：当前线程A等待thread线程终止后才继续执行。我们还可以调用join(long millis)和join(long millis,int nacos)两个超时特性的方法。

我们可以看看下面的例子

Thread t1 = new Thread(() -> {try {sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}r1 = 10;
});
Thread t2 = new Thread(() -> {try {sleep(2);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}r2 = 10;
});
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);

运行结果

10:47:53.667 [main] DEBUG xyx.product.web.Test - r1: 10 r2: 10 cost: 3

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总结

以上就是本篇文章的所有内容了，主要是对Java并发编程知识中的线程做一个介绍，后面再详细说一说底层的一些实现原理。