高并发Java(2):多线程基础

1. 什么是线程

线程是进程内的执行单元

某个进程当中都有若干个线程。

线程是进程内的执行单元。

使用线程的原因是,进程的切换是非常重量级的操作,非常消耗资源。如果使用多进程,那么并发数相对来说不会很高。而线程是更细小的调度单元,更加轻量级,所以线程会较为广泛的用于并发设计。

在Java当中线程的概念和操作系统级别线程的概念是类似的。事实上,Jvm将会把Java中的线程映射到操作系统的线程区。

2. 线程的基本操作

2.1 线程状态图

上图是Java中线程的基本操作。

当new出一个线程时,其实线程并没有工作。它只是生成了一个实体,当你调用这个实例的start方法时,线程才真正地被启动。启动后到Runnable状态,Runnable表示该线程的资源等等已经被准备好,已经可以执行了,但是并不表示一定在执行状态,由于时间片轮转,该线程也可能此时并没有在执行。对于我们来说,该线程可以认为已经被执行了,但是是否真实执行,还得看物理cpu的调度。当线程任务执行结束后,线程就到了Terminated状态。

有时候在线程的执行当中,不可避免的会申请某些锁或某个对象的监视器,当无法获取时,这个线程会被阻塞住,会被挂起,到了Blocked状态。如果这个线程调用了wait方法,它就处于一个Waiting状态。进入Waiting状态的线程会等待其他线程给它notify,通知到之后由Waiting状态又切换到Runnable状态继续执行。当然等待状态有两种,一种是无限期等待,直到被notify。一直则是有限期等待,比如等待10秒还是没有被notify,则自动切换到Runnable状态。

2.2 新建线程

Thread thread = new Thread();
thread.start();

这样就开启了一个线程。

有一点需要注意的是

Thread thread = new Thread();
thread.run();

直接调用run方法是无法开启一个新线程的。

start方法其实是在一个新的操作系统线程上面去调用run方法。换句话说,直接调用run方法而不是调用start方法的话,它并不会开启新的线程,而是在调用run的当前的线程当中执行你的操作。

Thread thread = new Thread("t1")
{
	@Override
	public void run()
	{
		// TODO Auto-generated method stub
		System.out.println(Thread.currentThread().getName());
	}
};
thread.start();

如果调用start,则输出是t1

Thread thread = new Thread("t1")
{
	@Override
	public void run()
	{
		// TODO Auto-generated method stub
		System.out.println(Thread.currentThread().getName());
	}
};
thread.run();

如果是run,则输出main。(直接调用run其实就是一个普通的函数调用而已,并没有达到多线程的作用)

run方法的实现有两种方式

第一种方式,直接覆盖run方法,就如刚刚代码中所示,最方便的用一个匿名类就可以实现。

Thread thread = new Thread("t1")
{
	@Override
	public void run()
	{
		// TODO Auto-generated method stub
		System.out.println(Thread.currentThread().getName());
	}
};

第二种方式

Thread t1=new Thread(new CreateThread3());

CreateThread3()实现了Runnable接口。

在张孝祥的视频中,推荐第二种方式,称其更加面向对象。

2.3 终止线程

  • Thread.stop() 不推荐使用。它会释放所有monitor

在源码中已经明确说明stop方法被Deprecated,在Javadoc中也说明了原因。

原因在于stop方法太过”暴力”了,无论线程执行到哪里,它将会立即停止掉线程。

当写线程得到锁以后开始写入数据,写完id = 1,在准备将name = 1时被stop,释放锁。读线程获得锁进行读操作,读到的id为1,而name还是0,导致了数据不一致。

最重要的是这种错误不会抛出异常,将很难被发现。

2.4 线程中断

线程中断有3种方法

public void Thread.interrupt() // 中断线程 
public boolean Thread.isInterrupted() // 判断是否被中断 
public static boolean Thread.interrupted() // 判断是否被中断,并清除当前中断状态

什么是线程中断呢?

如果不了解Java的中断机制,这样的一种解释极容易造成误解,认为调用了线程的interrupt方法就一定会中断线程。
其实,Java的中断是一种协作机制。也就是说调用线程对象的interrupt方法并不一定就中断了正在运行的线程,它只是要求线程自己在合适的时机中断自己。每个线程都有一个boolean的中断状态(不一定就是对象的属性,事实上,该状态也确实不是Thread的字段),interrupt方法仅仅只是将该状态置为true。对于非阻塞中的线程, 只是改变了中断状态, 即Thread.isInterrupted()将返回true,并不会使程序停止;

public void run(){//线程t1
   while(true){
      Thread.yield();
   }
}
t1.interrupt();

这样使线程t1中断,是不会有效果的,只是更改了中断状态位。

如果希望非常优雅地终止这个线程,就该这样做

public void run(){ 
    while(true)
    { 
        if(Thread.currentThread().isInterrupted())
        { 
           System.out.println("Interruted!"); 
           break; 
        } 
        Thread.yield(); 
    } 
}

使用中断,就对数据一致性有了一定的保证。

对于可取消的阻塞状态中的线程, 比如等待在这些函数上的线程, Thread.sleep(), Object.wait(), Thread.join(), 这个线程收到中断信号后, 会抛出InterruptedException, 同时会把中断状态置回为false.

对于取消阻塞状态中的线程,可以这样抒写代码:

public void run(){
    while(true){
        if(Thread.currentThread().isInterrupted()){
            System.out.println("Interruted!");
            break;
        }
        try {
           Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
           System.out.println("Interruted When Sleep");
           //设置中断状态,抛出异常后会清除中断标记位
           Thread.currentThread().interrupt();
        }
        Thread.yield();
    }
}

2.5 线程挂起

挂起(suspend)和继续执行(resume)线程

  • suspend()不会释放锁
  • 如果加锁发生在resume()之前 ,则死锁发生

这两个方法都是Deprecated方法,不推荐使用。

原因在于,suspend不释放锁,因此没有线程可以访问被它锁住的临界区资源,直到被其他线程resume。因为无法控制线程运行的先后顺序,如果其他线程的resume方法先被运行,那则后运行的suspend,将一直占有这把锁,造成死锁发生。

用以下代码来模拟这个场景

package test;

public class Test
{
	static Object u = new Object();
	static TestSuspendThread t1 = new TestSuspendThread("t1");
	static TestSuspendThread t2 = new TestSuspendThread("t2");

	public static class TestSuspendThread extends Thread
	{
		public TestSuspendThread(String name)
		{
			setName(name);
		}

		@Override
		public void run()
		{
			synchronized (u)
			{
				System.out.println("in " + getName());
				Thread.currentThread().suspend();
			}
		}
	}

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException
	{
		t1.start();
		Thread.sleep(100);
		t2.start();
		t1.resume();
		t2.resume();
		t1.join();
		t2.join();
	}
}

让t1,t2同时争夺一把锁,争夺到的线程suspend,然后再resume,按理来说,应该某个线程争夺后被resume释放了锁,然后另一个线程争夺掉锁,再被resume。

结果输出是:

in t1
in t2

说明两个线程都争夺到了锁,但是控制台的红灯还是亮着的,说明t1,t2一定有线程没有执行完。我们dump出堆来看看

发现t2一直被suspend。这样就造成了死锁。

2.6 join和yeild

yeild是个native静态方法,这个方法是想把自己占有的cpu时间释放掉,然后和其他线程一起竞争(注意yeild的线程还是有可能争夺到cpu,注意与sleep区别)。在javadoc中也说明了,yeild是个基本不会用到的方法,一般在debug和test中使用。

join方法的意思是等待其他线程结束,就如suspend那节的代码,想让主线程等待t1,t2结束以后再结束。没有结束的话,主线程就一直阻塞在那里。

package test;

public class Test
{
	public volatile static int i = 0;

	public static class AddThread extends Thread
	{
		@Override
		public void run()
		{
			for (i = 0; i < 10000000; i++)
				;
		}
	}

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException
	{
		AddThread at = new AddThread();
		at.start();
		at.join();
		System.out.println(i);
	}
}

如果把上述代码的at.join去掉,则主线程会直接运行结束,i的值会很小。如果有join,打印出的i的值一定是10000000。

那么join是怎么实现的呢?

join的本质

while(isAlive()) 
{ 
   wait(0); 
}

join()方法也可以传递一个时间,意为有限期地等待,超过了这个时间就自动唤醒。

这样就有一个问题,谁来notify这个线程呢,在thread类中没有地方调用了notify?

在javadoc中,找到了相关解释。当一个线程运行完成终止后,将会调用notifyAll方法去唤醒等待在当前线程实例上的所有线程,这个操作是jvm自己完成的。

所以javadoc中还给了我们一个建议,不要使用wait和notify/notifyall在线程实例上。因为jvm会自己调用,有可能与你调用期望的结果不同。

3. 守护线程

  • 在后台默默地完成一些系统性的服务,比如垃圾回收线程、JIT线程就可以理解为守护线程。
  • 当一个Java应用内,所有非守护进程都结束时,Java虚拟机就会自然退出。

此前有写过一篇python中如何实现,查看这里

而Java中变成守护进程就相对简单了。

Thread t=new DaemonT(); 
t.setDaemon(true); 
t.start();

这样就开启了一个守护线程。

package test;

public class Test
{
	public static class DaemonThread extends Thread
	{
		@Override
		public void run()
		{
			for (int i = 0; i < 10000000; i++)
			{
				System.out.println("hi");
			}
		}
	}

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException
	{
		DaemonThread dt = new DaemonThread();
		dt.start();
	}
}

当线程dt不是一个守护线程时,在运行后,我们能看到控制台输出hi

当在start之前加入

dt.setDaemon(true);

控制台就直接退出了,并没有输出。

4. 线程优先级

Thread类中有3个变量定义了线程优先级。

public final static int MIN_PRIORITY = 1;
public final static int NORM_PRIORITY = 5;
public final static int MAX_PRIORITY = 10;
package test;

public class Test
{
	public static class High extends Thread
	{
		static int count = 0;
		@Override
		public void run()
		{
			while (true)
			{
				synchronized (Test.class)
				{
					count++;
					if (count > 10000000)
					{
						System.out.println("High");
						break;
					}
				}
			}
		}
	}
	public static class Low extends Thread
	{
		static int count = 0;
		@Override
		public void run()
		{
			while (true)
			{
				synchronized (Test.class)
				{
					count++;
					if (count > 10000000)
					{
						System.out.println("Low");
						break;
					}
				}
			}
		}
	}

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException
	{
		High high = new High();
		Low low = new Low();
		high.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
		low.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
		low.start();
		high.start();
	}
}

让一个高优先级的线程和低优先级的线程同时争夺一个锁,看看哪个最先完成。

当然并不一定是高优先级一定先完成。再多次运行后发现,高优先级完成的概率比较大,但是低优先级还是有可能先完成的。

5. 基本的线程同步操作

synchronized 和 Object.wait() Obejct.notify()

这一节内容详情请看以前写的一篇Blog

主要要注意的是

synchronized有三种加锁方式:

  • 指定加锁对象:对给定对象加锁,进入同步代码前要获得给定对象的锁。
  • 直接作用于实例方法:相当于对当前实例加锁,进入同步代码前要获得当前实例的锁。
  • 直接作用于静态方法:相当于对当前类加锁,进入同步代码前要获得当前类的锁。

作用于实例方法,则不要new两个不同的实例

作用于静态方法,只要类一样就可以了,因为加的锁是类.class,可以new两个不同实例。

wait和notify的用法:

用什么锁住,就用什么调用wait和notify

本文就不细说了。

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2 条评论

  1. haorengoodman 说道:

    线程状态图中应该还有一个RUNNING 状态吧

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