多线程学习笔记
多线程基础
进程和线程
在计算机中,我们把一个任务称为一个进程,浏览器就是一个进程,视频播放器是另一个进程,类似的,音乐播放器和Word都是进程。
某些进程内部还需要同时执行多个子任务。例如,我们在使用Word时,Word可以让我们一边打字,一边进行拼写检查,同时还可以在后台进行打印,我们把子任务称为线程。
进程和线程的关系:一个进程可以包含一个或多个线程,但至少会有一个线程。
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│Process │
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┌──────────┐││ Thread ││┌──────────┐
│Process ││└────────┘││Process │
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┌──────────┐││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
│Process ││└────────┘││└────────┘││└────────┘│
│┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐│
││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
│└────────┘││└────────┘││└────────┘││└────────┘│
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│ Operating System │
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操作系统调度的最小任务单位其实不是进程,而是线程.如何调度线程完全由操作系统决定,程序自己不能决定什么时候执行,以及执行多长时间。
因为同一个应用程序,既可以有多个进程,也可以有多个线程,因此,实现多任务的方法,有以下几种:
1. 多进程模式(每个进程只有一个线程)
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│Process │ │Process │ │Process │
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││ Thread ││ ││ Thread ││ ││ Thread ││
│└────────┘│ │└────────┘│ │└────────┘│
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2. 多线程模式(一个进程有多个线程)
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│Process │
│┌────────┐┌────────┐│
││ Thread ││ Thread ││
│└────────┘└────────┘│
│┌────────┐┌────────┐│
││ Thread ││ Thread ││
│└────────┘└────────┘│
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3. 多进程+多线程模式(复杂度最高)
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│Process ││Process ││Process │
│┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐│
││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
│└────────┘││└────────┘││└────────┘│
│┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐│
││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
│└────────┘││└────────┘││└────────┘│
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进程 vs 线程
和多线程相比,多进程的缺点在于:
- 创建进程比创建线程开销大,尤其是在Windows系统上;
- 进程间通信比线程间通信要慢,因为线程间通信就是读写同一个变量,速度很快。
而多进程的优点在于:
- 多进程稳定性比多线程高,因为在多进程的情况下,一个进程崩溃不会影响其他进程,而在多线程的情况下,任何一个线程崩溃会直接导致整个进程崩溃。
创建新线程
Java语言内置了多线程支持。当Java程序启动的时候,实际上是启动了一个JVM进程,然后,JVM启动主线程来执行main()
方法。在main()
方法中,我们又可以启动其他线程。
要创建一个新线程很容易,只需实例化一个Thread
实例,然后调用它的start()
方法。
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Thread t = new Thread();
t.start(); // 启动新线程
}
}
但是这个线程启动后实际上什么也不做就立刻结束了。我们希望新线程能执行指定的代码,有以下几种方法:
1. 派生Thread
类
从Thread
派生一个自定义类,然后覆写run()
方法:
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Thread t = new MyThread();
t.start(); // 启动新线程
}
}
class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("start new thread!");
}
}
执行上述代码,注意到start()方法会在内部自动调用实例的run()方法。
2. Thread
类传入Runnable
接口的实现类
创建Thread
实例时,传入一个Runnable
实例:
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Thread t = new Thread(new MyRunnable());
t.start(); // 启动新线程
}
}
class MyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("start new thread!");
}
}
或者用Java8引入的lambda语法进一步简写为:
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Thread t = new Thread(() -> {
System.out.println("start new thread!");
});
t.start(); // 启动新线程
}
}
特别注意:直接调用Thread实例的run()方法是无效的
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Thread t = new MyThread();
t.run();
}
}
class MyThread extends Thread {
public void run() {
System.out.println("hello");
}
}
直接调用run()
方法,相当于调用了一个普通的Java
方法,当前线程并没有任何改变,也不会启动新线程。上述代码实际上是在main()
方法内部又调用了run()
方法,打印hello语句是在main
线程中执行的,没有任何新线程被创建。
必须调用Thread
实例的start()
方法才能启动新线程,如果我们查看Thread
类的源代码,会看到start()
方法内部调用了一个private native void start0()
方法,native
修饰符表示这个方法是由JVM
虚拟机内部的C代码实现的,不是由Java
代码实现的。
使用线程执行打印语句和直接在main方法中执行的区别?
public class Main {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("main start...");
Thread t = new Thread() {
public void run() {
System.out.println("thread run...");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {}
System.out.println("thread end.");
}
};
t.start();
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {}
System.out.println("main end...");
}
}
main
线程肯定是先打印main start
,再打印main end
;t
线程肯定是先打印thread run
,再打印thread end
。
但是,除了可以肯定,main start
会先打印外,main end
打印在thread run
之前、thread end
之后或者之间,都无法确定。因为从t线程开始运行以后,两个线程就开始同时运行了,并且由操作系统调度,程序本身无法确定线程的调度顺序。
线程状态
在Java程序中,一个线程对象只能调用一次start()
方法启动新线程,并在新线程中执行run()
方法。一旦run()
方法执行完毕,线程就结束了。因此,Java线程的状态有以下几种:
- New:新创建的线程,尚未执行;
- Runnable:运行中的线程,正在执行
run()
方法的Java代码; - Blocked:运行中的线程,因为某些操作被阻塞而挂起;
- Waiting:运行中的线程,因为某些操作在等待中;
- Timed Waiting:运行中的线程,因为执行
sleep()
方法正在计时等待; - Terminated:线程已终止,因为
run()
方法执行完毕。
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│ New │
└─────────────┘
│
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││ Runnable │ │ Blocked ││
└─────────────┘ └─────────────┘
│┌─────────────┐ ┌─────────────┐│
│ Waiting │ │Timed Waiting│
│└─────────────┘ └─────────────┘│
─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─
│
▼
┌─────────────┐
│ Terminated │
└─────────────┘
当线程启动后,它可以在Runnable
、Blocked
、Waiting
和Timed Waiting
这几个状态之间切换,直到最后变成Terminated
状态,线程终止。
线程终止的原因:
- 线程正常终止:run()方法执行到return语句返回;
- 线程意外终止:run()方法因为未捕获的异常导致线程终止;
- 对某个线程的Thread实例调用stop()方法强制终止(强烈不推荐使用)。
一个线程还可以等待另一个线程直到其运行结束。例如,main线程在启动t线程后,可以通过t.join()等待t线程结束后再继续运行:
public class Main {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread(() -> {
System.out.println("hello");
});
System.out.println("start");
t.start();
t.join();
System.out.println("end");
}
}
当main
线程对线程对象t
调用join()
方法时,主线程将等待变量t
表示的线程运行结束,即join
就是指等待该线程结束,然后才继续往下执行自身线程。所以,上述代码打印顺序可以肯定是main
线程先打印start
,t
线程再打印hello
,main
线程最后再打印end
。
如果t
线程已经结束,对实例t
调用join()
会立刻返回。此外,join(long)
的重载方法也可以指定一个等待时间,超过等待时间后就不再继续等待。
中断线程
中断线程:就是其他线程给该线程发一个信号,该线程收到信号后结束执行
run()
方法,使得自身线程能立刻结束运行。
通过interrupt()
方法,中断线程
中断一个线程,只需要在其他线程中对目标线程调用interrupt()
方法,目标线程需要反复检测自身状态是否是interrupted
状态,如果是,就立刻结束运行。
public class Main {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new MyThread();
t.start();
Thread.sleep(5); // 暂停1毫秒
t.interrupt(); // 中断t线程
t.join(); // 等待t线程结束
System.out.println("end");
}
}
class MyThread extends Thread {
public void run() {
int n = 0;
while (! isInterrupted()) {
n ++;
System.out.println(n + " hello!");
}
}
}
仔细看上述代码,main
线程通过调用t.interrupt()
方法中断t
线程,但是要注意,interrupt()
方法仅仅向t
线程发出了“中断请求”,至于t
线程是否能立刻响应,要看具体代码。而t
线程的while
循环会检测isInterrupted()
,所以上述代码能正确响应interrupt()
请求,使得自身立刻结束运行run()
方法。
如果线程处于等待状态,例如,t.join()
会让main
线程进入等待状态,此时,如果对main
线程调用interrupt()
,join()
方法会立刻抛出InterruptedException
,因此,目标线程只要捕获到join()
方法抛出的InterruptedException
,就说明有其他线程对其调用了interrupt()
方法,通常情况下该线程应该立刻结束运行。
设置标志位
我们通常会用一个running
标志位来标识线程是否应该继续运行,在外部线程中,通过把HelloThread.running
置为false
,就可以让线程结束:
public class Main {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
HelloThread t = new HelloThread();
t.start();
Thread.sleep(1);
t.running = false; // 标志位置为false
}
}
class HelloThread extends Thread {
public volatile boolean running = true;
public void run() {
int n = 0;
while (running) {
n ++;
System.out.println(n + " hello!");
}
System.out.println("end!");
}
}
注意到HelloThread
的标志位boolean running
是一个线程间共享的变量。线程间共享变量需要使用volatile
关键字标记,确保每个线程都能读取到更新后的变量值。
为什么要对线程间共享的变量用关键字volatile
声明?这涉及到Java的内存模型。在Java虚拟机中,变量的值保存在主内存中,但是,当线程访问变量时,它会先获取一个副本,并保存在自己的工作内存中。如果线程修改了变量的值,虚拟机会在某个时刻把修改后的值回写到主内存,但是,这个时间是不确定的!
┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐
Main Memory
│ │
┌───────┐┌───────┐┌───────┐
│ │ var A ││ var B ││ var C │ │
└───────┘└───────┘└───────┘
│ │ ▲ │ ▲ │
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│ │ │ │
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▼ │ ▼ │
│ ┌───────┐ │ │ ┌───────┐ │
│ var A │ │ var C │
│ └───────┘ │ │ └───────┘ │
Thread 1 Thread 2
└ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┘ └ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┘
这会导致如果一个线程更新了某个变量,另一个线程读取的值可能还是更新前的。例如,主内存的变量a = true
,线程1执行a = false
时,它在此刻仅仅是把变量a
的副本变成了false
,主内存的变量a
还是true
,在JVM把修改后的a
回写到主内存之前,其他线程读取到的a
的值仍然是true
,这就造成了多线程之间共享的变量不一致。
因此,volatile
关键字的目的是告诉虚拟机:
- 每次访问变量时,总是获取主内存的最新值;
- 每次修改变量后,立刻回写到主内存。
volatile
关键字解决的是可见性问题:当一个线程修改了某个共享变量的值,其他线程能够立刻看到修改后的值。
如果我们去掉volatile
关键字,运行上述程序,发现效果和带volatile
差不多,这是因为在x86的架构下,JVM回写主内存的速度非常快,但是,换成ARM的架构,就会有显著的延迟。
守护线程
Java程序入口就是由JVM启动main
线程,main
线程又可以启动其他线程。当所有线程都运行结束时,JVM退出,进程结束。
如果有一个线程没有退出,JVM进程就不会退出。所以,必须保证所有线程都能及时结束。
但是有一种线程的目的就是无限循环,例如,一个定时触发任务的线程:
class TimerThread extends Thread {
@Override
public void run() {
while (true) {
System.out.println(LocalTime.now());
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
break;
}
}
}
}
如果这个线程不结束,JVM进程就无法结束。问题是,由谁负责结束这个线程?
然而这类线程经常没有负责人来负责结束它们。但是,当其他线程结束时,JVM进程又必须要结束,怎么办?
答案是使用守护线程(Daemon Thread)。
守护线程是指为其他线程服务的线程。在JVM中,所有非守护线程都执行完毕后,无论有没有守护线程,虚拟机都会自动退出。
因此,JVM退出时,不必关心守护线程是否已结束。
如何创建守护线程呢?方法和普通线程一样,只是在调用start()
方法前,调用setDaemon(true)
把该线程标记为守护线程:
Thread t = new MyThread();
t.setDaemon(true);
t.start();
在守护线程中,编写代码要注意:守护线程不能持有任何需要关闭的资源,例如打开文件等,因为虚拟机退出时,守护线程没有任何机会来关闭文件,这会导致数据丢失。