JavaEE-多线程基础知识

前言与回顾

基础的一些关于线程/进程的一些基础的概念, 已经在之前的帖子中有过解释
简单复习一下

• 线程是轻量级的进程(进程太重了, 创建销毁代价大)
• 进程包括线程
  进程是操作系统资源分配的基本单位
  线程是操作系统调度执行的基本单位
• 线程的调度是操作系统进行的, 在应用层无法进行干预, 也无法感知
• 线程是操作系统级别的概念, 操作系统内核实现了这种机制并封装提供用户一些API
  Java中的Thread类可以视为是对操作系统的API的进一步封装和抽象

创建一个多线程

线程的创建以及运行机制简述

我们创建线程的最基本的方法其实是两种(后续还有)

• 通过定义一个类继承Thread类重写run方法
• 通过定义一个类实现Runnable接口重写run方法

run方法相当于主线程的main, 作为每一个线程的程序运行的入口, 我们通过start方法启动一个线程, 这时候操作系统的内部会真正的创建一个线程(源码层面是去调用的start0native修饰的本地方法, 自行调用cpp动态链接库), start0会调用run方法, 所以这相当于是一种回调函数的机制
但是我们提供了五种创建线程的方式, 其实本质都是基于上述两种(后续还要其他方法)
关于start的源码

public synchronized void start() {/*** This method is not invoked for the main method thread or "system"* group threads created/set up by the VM. Any new functionality added* to this method in the future may have to also be added to the VM.** A zero status value corresponds to state "NEW".*/if (threadStatus != 0)throw new IllegalThreadStateException();/* Notify the group that this thread is about to be started* so that it can be added to the group's list of threads* and the group's unstarted count can be decremented. */group.add(this);boolean started = false;try {start0();started = true;} finally {try {if (!started) {group.threadStartFailed(this);}} catch (Throwable ignore) {/* do nothing. If start0 threw a Throwable thenit will be passed up the call stack */}}}// 本地方法private native void start0();

也就是真正起作用的是start0, 如果好奇native修饰的方法的具体实现, 可以去JDK官网上自行查看JVM源码

step1: 继承Thread类

实现代码如下, 我们让每一个线程都睡眠1000ms便于观察

/*** 第一种创建线程的方式* 继承Thread类重写run方法*/class MyThread extends Thread{@Overridepublic void run() {while(true){System.out.println("hello thread!");// 睡眠一秒钟try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}public class ThreadTest {public static void main(String[] args) {Thread t = new MyThread();// 开启一个线程t.start();// 主线程也执行while(true){System.out.println("hello main!");// 睡眠一秒钟try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}

开始运行, 可以明显的看到线程t和线程main在交替的执行, 这也说明了是我们的底层的抢占式调度模型在起作用, 多个线程不断地抢夺cpu时间片

step2: 实现Runable接口

每一个逻辑加上一个sleep方法休眠便于观察

/*** 第二种创建线程的方式* 定义一个类实现Runnable接口*/
class MyRunnable implements Runnable{@Overridepublic void run() {while(true){System.out.println("hello thread!");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}
public class ThreadTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 创建一个线程tThread t = new Thread(new MyRunnable());// 开启一个线程tt.start();// 主线程的逻辑while(true){System.out.println("hello main");Thread.sleep(1000);}}
}

step3: 基于step1使用匿名内部类

/*** 基于第一种方法使用匿名内部类*/
public class ThreadTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 创建t线程Thread t = new Thread() {@Overridepublic void run() {while (true) {System.out.println("hello thread!");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}};// 开启t线程t.start();// 主线程的逻辑while (true) {System.out.println("hello main!");Thread.sleep(1000);}}
}

step4: 基于step2使用匿名内部类

public class ThreadTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {while(true){System.out.println("hello thread!");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}});// 开启线程 tt.start();// 主线程的逻辑如下while(true){System.out.println("hello main!");Thread.sleep(1000);}}
}

step5: 基于step4使用lambda表达式(推荐)

lambda表达式本质上就是一个匿名的函数, 最主要的用途就是作为回调函数, 很多语言都有, 只不过叫法有差异而已

• 底层编译器会对lambda表达式进行处理, 创建了一个匿名的函数式接口的子类, 并且创建了对应的实例并且重写里面的方法

代码实例

/*** 使用lambda表达式进行问题的描述*/
public class ThreadTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t = new Thread(() -> {while(true){try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("hello t!!!");}}, "t");// 开启t线程t.start();// 主线程中的逻辑while(true){Thread.sleep(1000);System.out.println("hello main!!!");}}
}

这里可以看到, 我们的两个线程正在交替的执行逻辑
我们推荐这种方式进行平时的线程的测试, 因为比较的轻量级

Thread的常见方法

关于jconsole监视线程的工具

构造方法解析

是我们的JDK中自带的一个检测当前线程的工具, 在我们的JDK安装路径中的bin目录下, 可以在这个目录下找到这个检测的工具

我们开启一个多线程的逻辑, 我们这里的测试代码是上面的step5创建线程的方法, 可以先去看一下…
打开之后是下面的窗口

这里我们查看 t线程和main线程

这里我们可以看到线程的状态
比如现在的两个线程都位于TIMED_WAITING状态(sleep(1000))
还可以查看当前线程的堆栈跟踪状态是什么

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这里其实还说明了一些问题, 我们的后台其实存在多个线程(本质上是后台线程, 比如跟网络通讯相关的线程, 还有跟垃圾回收 GC 相关的一些线程) 这些线程维持我们 Java 程序的正常执行

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这张图是JDK的帮助文档的截图, 我们逐一解释一下里面的一些主要的方法(关于线程组创建线程的方法我们暂时略过, 后期回来继续说, 其实就是把线程进行分组)

方法签名	描述
Thread()	直接创建线程对象
Thread(Runnable target)	使用实现了Runnable接口的对象来创建线程
Thread(String name)	创建线程并传入一个名字(便于使用jconsole进行监视)
Thread(Runnable target, String name)	前两种的结合
Thread(ThreadGroup group, Runnable target)	使用线程组来创建线程(现阶段了解)

获取 ID / 名称

对于每一个线程来说, 都有一个独一无二的 ID (标识码, 类似PID)
对于每个线程来说, 程序开发者可以选择指定一个名字(或者系统自动分配)

• getID: 获取当前线程的标识码
• getName: 获取当前线程的名称

public class ThreadTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException{// 创建一个t线程Thread t = new Thread(() -> {while(true){try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " " + Thread.currentThread().getName());}}, "t线程");// 开启t线程t.start();// 主线程中的逻辑while(true){Thread.sleep(1000);System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " " + Thread.currentThread().getName());}}
}

可以观测到此时的随机调度的线程的 ID 以及 name

查看 / 设置后台线程

后台线程其实就是守护线程, 其实就是进程的"幕后人员"

• setDaemon(boolean) : 传入一个true把当前线程设置为守护线程(start前)
• isDaemon(): 查看当前线程是否是守护线程

守护线程是当所有的用户线程全部结束之后, 自动就结束了, 但是如果守护线程自己选择结束了, 那也算是结束了, 所以我们的守护线程一般用于链接网络, 维护数据库日志等等场景

class ThreadTest01 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 创建一个t线程Thread t = new Thread(() -> {while (true) {try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("守护线程执行ing");}}, "t线程");// 设置t线程为守护线程t.setDaemon(true);// 开启t线程t.start();while (true) {Thread.sleep(1000);System.out.println("main线程执行ing");}}
}

通过jconsole检测也可以发现两个线程的情况, 可以看到两个位置都是TIMED-WAITING状态

查看线程的状态

• getState(): 查看当前线程的状态(有六种状态)

class ThreadTest01 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 创建一个t线程Thread t = new Thread(() -> {while (true) {try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("守护线程执行ing " + Thread.currentThread().getState());}}, "t线程");// 设置t线程为守护线程t.setDaemon(true);// 开启t线程t.start();while (true) {Thread.sleep(1000);System.out.println("main线程执行ing " + Thread.currentThread().getState());}}
}

实质上有多种状态描述, 我们此时的状态是可运行状态

获取 / 设置线程的优先级

class ThreadTest01 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 创建一个t线程Thread t = new Thread(() -> {try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}// 查看当前线程的优先级System.out.println("默认的优先级: " + Thread.currentThread().getPriority());}, "t线程");t.start();System.out.println("最低优先级: " + Thread.MIN_PRIORITY + " 最高优先级: " + Thread.MAX_PRIORITY);}
}

• setPriority(): 设置线程的优先级(0 - 10)

这其实是一个概率问题, 定义一个线程抢占cpu时间片的概率, 但不是绝对的

查看线程存活

• isAlive(): 判断当前线程是否存活

请注意, 线程的存活和线程对象的生命周期一般是不一样的
比如下面的代码

class ThreadTest02{public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 创建一个t线程Thread t = new Thread(() -> {System.out.println("...");}, "t线程");t.start();while(true){Thread.sleep(1000);System.out.println(t.isAlive());}}
}

此时线程以及结束了(run方法执行结束), 但是线程对象并没有销毁

中断线程以及阻塞唤醒机制

使用自定义标志位终止线程

定义一个static变量作为标志位然后打标记

public class ThreadTest {// 自定义一个标志位打标记private static boolean isFinished = false;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 使用lambda机制创建一个线程Thread t = new Thread(() -> {while(!isFinished){try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName());}}, "t线程");// 开启t线程t.start();// 三秒之后终止t线程Thread.sleep(3000);isFinished = true;}
}

可以看到 3s 之后终止 t 线程

lambda中的变量捕获

如果上面的代码的标志位是局部变量, 那么我们就触发了lambda表达式中的变量捕获语法

这个代码我们发现报错了

• 原因: 这其实就是lambda语法中的变量捕获机制, 对于lambda表达式来说, 本质是一种回调函数, 执行时机很可能是很久之后了, 此时main函数存在与否都不好说, 假设main执行结束了, 此时isFinished变量其实也就销毁了, 那lambda中访问的isFinished变量又是什么呢 ?

• 解决方案: 为了解决上述的问题, Java中采取的做法是, 在定义lambda的时候, 直接就把变量拷贝一份给lambda中的变量, 所以其实上述代码中, lambda中的isFinished变量跟外部的isFinished的变量, 本质上是两个变量, 这样处理的好处就是, 此时外部的情况不管怎么变, 即使变量销毁了, 对lambda表达式内部也不会造成影响

• 不允许修改: 根据上面的解释, 如果一边改变, 另一边不变, 这样处理就会对程序员造成更对的困扰, 所以Java这边的做法是, 压根不允许我们对变量的值进行修改, 对于引用变量来说, 不允许指向修改, 但是内部的值是可以修改的…(C++对于这里的操作相对更复杂, 需要你自己定义变量的生命周期以及是否进行拷贝)

• 和定义外部变量的区别: 那为什么上面的定义一个外部变量就可以修改呢, 因为所属的语法机制不一样, 上面所属的语法体系是内部类访问外部类变量, 当然可以修改

引用变量的场景

此时可以修改内部的值, 但是不可以修改引用

使用interrupt

关于终止线程, 我们上面给出了一种修改终止标志位的方案, 但其实Java中的Thread类天然的提供了一个标志位用来进行变量的修改

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我们分析一下下面的代码

public class ThreadTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 关于使用内部自带的标志位修改Thread t = new Thread(() -> {while(!Thread.currentThread().isInterrupted()){System.out.println("hello main!!!");;//Thread.sleep(1000);}});// 开启线程tt.start();// 三秒后终止线程tThread.sleep(3000);t.interrupt();}
}

上述代码是可以正常结束线程的, 因为3s之后, 我们把t线程的标志位设置为true, 然后跳出循环…


观察一下源码就可以发现, 其实跟我们自行定义标志位的做法是一致的

interrupt方法对于阻塞的打断

我们尝试分析一下下面的代码

public class ThreadTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 关于使用内部自带的标志位修改Thread t = new Thread(() -> {while(!Thread.currentThread().isInterrupted()){System.out.println("hello main!!!");;try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}});// 开启线程tt.start();// 三秒后终止线程tThread.sleep(3000);t.interrupt();}
}

我们运行的结果如下

我们尝试打断线程, 但是失败了, 只是在控制台打印了堆栈信息, 但是线程并没有被打断…
这里我们没办法查看sleep方法的源码(native修饰的本地方法)

• 原因: 其实就是我们在调用interrupt方法的同时, 会唤醒sleep等等类似阻塞效果的方法, 并抛出异常InterruptedException后被唤醒(其实就是唤醒的机制), 并且把标志位interrupted重新设置为false, 所以下次循环还可以进入…
• 处理逻辑: 那为什么要这样处理呢, 是不是毫无用处多此一举呢… 我认为, 这样处理的逻辑还是相对比较合理的, 因为留给了程序员更多的操作空间, 在被唤醒之后, 程序员可以选择下面三种处理方式
  1 . 直接跳出执行逻辑(比如通过break)
  2 . 执行操作逻辑后再跳出(先执行一段逻辑代码处理, 然后break)
  3 . 忽视这个信号, 继续执行

上面是我们对于这个终止信号的三种处理态度

等待一个线程(join方法)

join方法的基本说明

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由于多个线程之间都是随机调度执行的, 并发执行, 随机调度
所以站在程序员的角度, 我们不喜欢随机性, join方法可以要求多个线程之间的结束的先后顺序…
虽然可以通过sleep来设置等待的时间, 但是这种机制往往是不科学的, 比如我们现在有一个需求, 想要t线程执行结束后, main线程立即开始执行, 这时候使用sleep的合理性就很差了.

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我们这里有三个常见的方法

• join(): 无时间期限的等待
• join(long millis): 设置最长的等待时间为millis, 单位为毫秒
• join(long millis, int nanos): 设置最长的等待期限是毫秒+纳秒(不常用)
  对于第三个方法的说明, 其实做不到那么精确, 除非使用实时操作系统…

第一个进入WAITING状态, 第二三个进入TIMED_WAITING状态

join方法的使用及线程状态观察

public class ThreadTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t = new Thread(() -> {for(int i = 0; i < 5; i++){System.out.println("hello t ! ! !");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}, "t");// 启动t线程t.start();// t执行完毕再执行main线程t.join();System.out.println("hello main ! ! !");}
}

在t线程执行5s之后, main线程继续执行, 我们使用jconsole工具查看一下情况(修改上面t线程循环次数为50)

此时t线程处于TIMED_WAITING状态, 因为这个线程的大部分时间都处于sleep(1000)这里…

观察到main线程处于WAITING状态, 此时正在因为join()产生阻塞(无时间期限)

线程休眠机制

如何获取线程的引用

• Thread.currentThread(): 静态方法, 返回一个当前线程对象的引用(相当于this关键字)

sleep方法

这个方法没什么可说的, 但是也有需要注意的一点
比如

Thread.sleep(1000);

这个真的是让当前线程休眠 1000ms 吗 ?
其实并没有那么精确, 实际上一般是要略大于 1000ms , 因为sleep(1000), 指的是1000ms之后
该线程再次拥有了抢夺 cpu 时间片的能力, 但是具体需要多长时间能够抢到, 这个其实是一个未知数, 所以一般是要比 1000ms 稍微大一些的…

sleep(0) 和 yield()

• yield: 是一个静态方法, 使得当前调用该线程的方法立刻放弃抢夺到的cpu时间片进入就绪状态
• sleep(0): 和上面yield类似, 都是立刻放弃抢夺到的cpu时间片, 进入抢夺cpu时间片的就绪状态