JAVA并发一（Java线程）

2022-08-08 16:44:03

1.并发和并行的区别

并发是一个CPU在不同的时间去不同线程中执行指令。

并行是多个CPU同时处理不同的线程。

引用 Rob Pike 的一段描述：
        并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力
        并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力

2.进程与线程

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，就必须将指令加载至 CPU，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的。

        当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程。
        进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本、画图、浏览器、word等），也有的程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐、一些游戏进程等）

线程：

        一个进程之内可以分为一到多个线程。
        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 。
        Java 中，线程作为小调度单位，进程作为资源分配的小单位。 在 windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器。

        比如你可以在音乐软件听歌的同时进行搜索功能，这就需要至少两个线程完成这两个工作。

二者对比

        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。
        进程间通信较为复杂 同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）
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，例如 HTTP
        线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量。

        线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低。

3.Java线程

3.1 创建和运行线程

        方法一，直接使用 Thread；

    public void creat1(){
        Thread t1 = new Thread(){
            @Override
            public void run(){
                System.out.println("线程1启动了");
            }
        };
        t1.start();
    }

 lamda表达式写法：

        Thread t2 = new Thread(() -> 
                System.out.println("线程2启动了")
        );
        t2.start();

        方法二，实现runnable接口，使用 Runnable 配合 Thread：

    public void creat2(){
        Runnable task1 = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程3启动了");
            }
        };
        Thread t3 = new Thread(task1);
        t3.start();
    }

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。

        方法三，FutureTask 配合 Thread；

        FutureTask 能够接收 Callable 类型的参数，用来处理有返回结果的情况；Runnable的run方法没有返回值。

        

    public void creat3() throws ExecutionException, InterruptedException {
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(new Callable<>() {
            @Override
            public Integer call() {
                System.out.println("带返回结果的线程t4开始执行了");
                return 1;
            }
        });
        Thread t4 = new Thread(futureTask);
        t4.start();
        System.out.println("线程t4运行结束，结果为"+futureTask.get());
    }

        Future就是对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过get方法获取执行结果，该方法会阻塞直到任务返回结果。

总结
        使用继承方式的好处是方便传参，你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。

3.2 线程运行原理

        虚拟机栈与栈帧

        栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(stack frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，是属于线程的私有的。当java中使用多线程时，每个线程都会维护它自己的栈帧！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(每个线程轮流执行，看前面并行的概念)

  • 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

当 Context Switch 发生时，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。

3.3 常用方法

JAVA并发一（Java线程）

 3.3.1 start 和run 方法：

        被创建的Thread对象直接调用重写的run方法时， run方法是在主线程中被执行的，而不是在我们所创建的线程中执行。所以如果想要在所创建的线程中执行run方法，需要使用Thread对象的start方法。

3.3.2 sleep（）方法：

        在介绍sleep之前，首先介绍一下线程的状态：

        操作系统层面，线程的五种状态：

JAVA并发一（Java线程）

 

  1. 初始状态，仅仅是在语言层面上创建了线程对象，即Thead thread = new Thead();，还未与操作系统线程关联

  2. 可运行状态，也称就绪状态，指该线程已经被创建，与操作系统相关联，等待cpu给它分配时间片就可运行

  3. 运行状态，指线程获取了CPU时间片，正在运行

    1. 当CPU时间片用完，线程会转换至【可运行状态】，等待 CPU再次分配时间片，会导致我们前面讲到的上下文切换

  4. 阻塞状态

    1. 如果调用了阻塞API，如BIO读写文件，那么线程实际上不会用到CPU，不会分配CPU时间片，会导致上下文切换，进入【阻塞状态】

    2. 等待BIO操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至【可运行状态】

    3. 与【可运行状态】的区别是，只要操作系统一直不唤醒线程，调度器就一直不会考虑调度它们，CPU就一直不会分配时间片

  5. 终止状态，表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状态

        线程状态之六种状态：

这是从 Java API 层面来描述的，我们主要研究的就是这种。

JAVA并发一（Java线程）

 

  1. NEW 跟五种状态里的初始状态是一个意思

  2. RUNNABLE 是当调用了 start() 方法之后的状态，注意，Java API 层面的 RUNNABLE 状态涵盖了操作系统层面的【可运行状态】、【运行状态】和【io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）

  3. BLOCKED ， WAITING ， TIMED_WAITING 都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分。

基本状态介绍完了，然后可以重新介绍sleep状态了 ：

sleep

  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，那么被打断的线程这时就会抛出 InterruptedException异常【注意：这里打断的是正在休眠的线程，而不是其它状态的线程】

  3. 睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行(需要分配到cpu时间片)

  4. 建议用 TimeUnit 的 sleep() 代替 Thread 的 sleep()来获得更好的可读性：

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

 3.3.3 yield（）方法：

        让出当前线程。

        1. 调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态（仍然有可能继续被执行），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。

        yield使cpu调用其它线程，但是cpu可能会再分配时间片给该线程；而sleep需要等过了休眠时间之后才有可能被分配cpu时间片

3.3.4 join()方法：

        用于等待某个线程结束。哪个线程调用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ti.join()，则是主线程等待t1线程结束；

    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");
        t1.start();
        t1.join();
        log.debug("结果为:{}", r);
        log.debug("结束");
    }

JAVA并发一（Java线程） 

 流程图：

main函数开始，运行到t1.start，然后阻塞到t1.join等待t1运行结束，

3.3.5 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。

sleep，wait，join 的线程，这几个方法都会让线程进入阻塞状态：

        如果一个线程在在运行中被打断，线程并不会暂停，只是调用方法，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();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while(true) {
                boolean interrupted = Thread.currentThread().isInterrupted();
                if(interrupted) {
                    System.out.println("被打断了, 退出循环");
                    break;
                }
            }
        }, "t1");
        t1.start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("interrupt");
        t1.interrupt();
    }

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。、

        如下所示：因为线程的isInterrupted()方法可以取得线程的打断标记，

        如果线程在睡眠sleep期间被打断，打断标记是不会变的，为false，但是sleep期间被打断会抛出异常，我们据此手动设置打断标记为true；

        如果是在程序正常运行期间被打断的，那么打断标记就被自动设置为true。处理好这两种情况那我们就可以放心地来料理后事啦！

JAVA并发一（Java线程）

 实现代码：


public class TwoStepInterupter {
    Thread t1;
    public void start(){
        t1 = new Thread(() -> {
            while(true){
                if(Thread.currentThread().isInterrupted()){
                    System.out.println("处理后事");
                    System.out.println("处理后事完毕，线程正常结束");
                    break;
                }
                System.out.println("监控器运行中，监控是否被打断");
                try{
                    Thread.sleep(1000);
                }catch (InterruptedException e){
                    e.printStackTrace();
                    //sleep 被打断后会抛出错误 ，但是打断标记不会被设置为True 所以需要再次执行打断方法。
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
        });
        t1.start();
    }

    public void stop(){
        t1.interrupt();
    }

    @Test
    public void test() throws InterruptedException {
        start();
        Thread.sleep(2000);
        stop();
    }
}

3.3.6 sleep，yiled，wait，join 对比

补充：

  1. sleep，join，yield，interrupted是Thread类中的方法

  2. wait/notify是object中的方法

sleep 不释放锁、释放cpu

join 释放锁、抢占cpu

yiled 不释放锁、释放cpu

wait 释放锁、释放cpu

 

3.4 守护线程

        默认情况下，java进程需要等待所有的线程结束后才会停止，但是有一种特殊的线程，叫做守护线程，在其他线程全部结束的时候即使守护线程还未结束代码未执行完java进程也会停止。普通线程t1可以调用t1.setDeamon(true); 方法变成守护线程；

        垃圾回收器线程就是一种守护线程

        Tomcat 中的 Acceptor 和 Poller 线程都是守护线程，所以 Tomcat 接收到 shutdown 命令后，不会等待它们处理完当前请求

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