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
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，线程作为最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。 在 windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器
进程与线程的区别
- 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
并行与并发
单核 cpu 下，线程实际还是 串行执行 的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 cpu 的时间片（windows下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于 cpu 在线程间（时间片很短）的切换非常快，人类感觉是 同时运行的 。总结为一句话就是： 微观串行，宏观并行 。一般会将这种 线程轮流使用 CPU 的做法称为并发 （concurrent）
多核 cpu下，每个 核（core） 都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的。
Java 线程
创建和运行线程
-
直接使用 Thread
package create; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; @Slf4j(topic = "c.ThreadCre") public class ThreadCre { public static void main(String[] args) { Thread t = new Thread(){ @Override public void run() { log.debug("running"); } }; t.start(); log.debug("running"); } } -
使用 Runnable 配合 Thread
package create; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; @Slf4j(topic = "c.RunnableCre") public class RunnableCre { public static void main(String[] args) { Runnable r = new Runnable() { @Override public void run() { log.debug("running"); } }; Thread t = new Thread(r,"t2"); t.start(); } }使用 lambda 方式简化
package create; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; @Slf4j(topic = "c.RunnableCre") public class RunnableCre { public static void main(String[] args) { Runnable r = () -> { log.debug("running"); }; Thread t = new Thread(r,"t2"); t.start(); } } -
FutureTask 配合 Thread
package create; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; import java.util.concurrent.Callable; import java.util.concurrent.ExecutionException; import java.util.concurrent.FutureTask; @Slf4j(topic = "c.FutureTaskCre") public class FutureTaskCre { public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() { @Override public Integer call() throws Exception { log.debug("running..."); Thread.sleep(1000); return 100; } }); Thread t = new Thread(task,"t1"); t.start(); log.debug("{}",task.get()); } }
Thread 与 Runnable 的关系
- 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
线程运行的原理
栈与栈帧
每个线程启动后，虚拟机就会为其分配一块栈内存。
- 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
- 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
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
- 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
- 状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等
- Context Switch 频繁发生会影响性能
常见方法
| 方法名 | static | 功能说明 | 注意 |
|---|---|---|---|
| start() | 启动一个新线程，在新的线程运行 run 方法中的代码 | start 方法只是让线程进入就绪，里面的代码不一定立刻运行（CPU的时间片还没有分给它）。每个线程对象的 start 方法只能调用一次，否则会出现异常 | |
| run() | 新线程启动后会调用的方法 | 如果在构造 Thread 对象时传递了 Runnable 参数，则线程启动后会调用 Runnable 中的 run 方法。但可以创建 Thread 的子类对象来覆盖默认行为 | |
| join() | 等待线程运行结束 | ||
| join(long n) | 等待线程运行结果，最多等待 n 毫秒 | ||
| getId() | 获取线程长整型的 id | ||
| getName() | 获取线程名 | ||
| setName(String) | 修改线程名 | ||
| getPriority() | 获取线程优先级 | ||
| setPriority(int) | 修改线程优先级 | 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 | Java 中线程状态是用 6 个 enum 表示，分别为：NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED | |
| isInterrupted() | 判断是否被打断 | 不会清除 打断标记 | |
| isAlive() | 线程是否存活（还没有运行完毕） | ||
| 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 | |
| interrupted() | static | 判断当前线程是否被打断 | 会清除 打断标记 |
| currentThread() | static | 获取当前正在执行的线程 | |
| sleep(long n) | static | 让当前执行的线程休眠 n 毫秒，休眠时让出 CPU 的时间片给其他程序 | |
| yield() | static | 提示线程调度器让出当前线程对CPU的使用 | 主要是为了测试和调试 |
start 与 run
调用 run
public static void main(String[] args) { Thread t1 = new Thread("t1") { @Override public void run() { log.debug(Thread.currentThread().getName()); FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH); } }; t1.run(); log.debug("do other things ..."); } 输出
19:39:14 [main] c.TestStart - main 19:39:14 [main] c.FileReader - read [1.mp4] start ... 19:39:18 [main] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4227 ms 19:39:18 [main] c.TestStart - do other things ... 程序仍在 main 线程运行， FileReader.read() 方法调用还是同步的
总结
- 直接调用 run 是在主线程中执行了 run，没有启动新的线程
- 使用 start 是启动新的线程，通过新的线程间接执行 run 中的代码
sleep 与 yield
sleep
- 调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
- 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
- 睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行（抢占时间片）
- 建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性
yield
- 调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态，然后调度执行其它线程
- 具体的实现依赖于操作系统的任务调度器
线程优先级
- 线程优先级会提示（hint）调度器优先调度该线程，但它仅仅是一个提示，调度器可以忽略它
- 如果 cpu 比较忙，那么优先级高的线程会获得更多的时间片，但 cpu 闲时，优先级几乎没作用
join
等待一个线程执行结束
等待多个线程的结果
情况一：
package testJoin; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; @Slf4j(topic = "c.demo1") public class demo1 { static int r = 0 , r1 = 0 , r2 = 0; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { test2(); } private static void test2() throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(() -> { try { Thread.sleep(1000); r1 = 10; } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); Thread t2 = new Thread(() -> { try { Thread.sleep(2000); r1 = 20; } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); long start = System.currentTimeMillis(); t1.start(); t2.start(); log.debug("join begin"); t1.join(); log.debug("t1 join end"); t2.join(); log.debug("t2 join end"); long end = System.currentTimeMillis(); log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}",r1,r2,end-start); } } 输出：
14:18:02 [main] c.demo1 - join begin 14:18:03 [main] c.demo1 - t1 join end 14:18:04 [main] c.demo1 - t2 join end 14:18:04 [main] c.demo1 - r1: 20 r2: 0 cost: 2008 情况二：
package testJoin; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; @Slf4j(topic = "c.demo1") public class demo1 { static int r = 0 , r1 = 0 , r2 = 0; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { test2(); } private static void test2() throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(() -> { try { Thread.sleep(1000); r1 = 10; } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); Thread t2 = new Thread(() -> { try { Thread.sleep(2000); r1 = 20; } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); long start = System.currentTimeMillis(); t1.start(); t2.start(); log.debug("join begin"); t2.join(); log.debug("t2 join end"); t1.join(); log.debug("t1 join end"); long end = System.currentTimeMillis(); log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}",r1,r2,end-start); } } 输出：
14:19:19 [main] c.demo1 - join begin 14:19:21 [main] c.demo1 - t2 join end 14:19:21 [main] c.demo1 - t1 join end 14:19:21 [main] c.demo1 - r1: 20 r2: 0 cost: 2006 另外 join 也可以带参数，是有时效的等待。当到设定时间线程还未给出结果，直接向下运行，不再等待。如果设定时间还没到但是线程已经执行完毕，则直接向下执行，不再等待。
interrupt
打断 sleep，wait，join 的线程
这几个方法都会让线程进入阻塞状态
打断 sleep 的线程, 会清空打断状态，以 sleep 为例
package testInterrupt; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; @Slf4j(topic = "c.demo1") public class demo1 { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(() -> { log.debug("sleep..."); try { Thread.sleep(5000); //注意：sleep，wait，join等被打断并以异常形式表现出来后 // 会把打断标记重新置为 false（未打断状态） } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } },"t1"); t1.start(); Thread.sleep(1000); log.debug("interrupt"); t1.interrupt(); log.debug("打断标记：{}",t1.isInterrupted()); } } 输出：
15:08:12 [t1] c.demo1 - sleep... 15:08:13 [main] c.demo1 - interrupt 15:08:13 [main] c.demo1 - 打断标记：false java.lang.InterruptedException: sleep interrupted at java.lang.Thread.sleep(Native Method) at testInterrupt.demo1.lambda$main$0(demo1.java:11) at java.lang.Thread.run(Thread.java:748) Process finished with exit code 0 打断正常运行的线程打断标记置为：true
package testInterrupt; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; @Slf4j(topic = "c.demo2") public class demo2 { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(() -> { while (true){ boolean interrupted = Thread.currentThread().isInterrupted(); if(interrupted){ log.debug("被打断了，退出循环"); break; } } },"t1"); t1.start(); Thread.sleep(1000); log.debug("interrupt"); t1.interrupt(); } } 输出：
15:17:40 [main] c.demo2 - interrupt 15:17:40 [t1] c.demo2 - 被打断了，退出循环 打断 park 线程
package testInterrupt; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; import java.util.concurrent.locks.LockSupport; @Slf4j(topic = "c.demo4") public class demo4 { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(() -> { log.debug("park..."); LockSupport.park(); log.debug("unpark..."); log.debug("打断状态：{}",Thread.currentThread().isInterrupted()); },"t1"); t1.start(); Thread.sleep(1000); t1.interrupt(); } } 输出：
14:16:21 [t1] c.demo4 - park... 14:16:22 [t1] c.demo4 - unpark... 14:16:22 [t1] c.demo4 - 打断状态：true 两阶段终止模式
package testInterrupt; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; @Slf4j(topic = "c.demo3") public class demo3 { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { TwoPhaseTermination tpt = new TwoPhaseTermination(); tpt.start(); Thread.sleep(3500); tpt.stop(); } } @Slf4j(topic = "c.TwoPhaseTermination") class TwoPhaseTermination{ private Thread monitor; //启动监控线程 public void start(){ monitor = new Thread(() -> { while (true){ Thread current = Thread.currentThread(); if(current.isInterrupted()){ log.debug("料理后事"); break; } try { Thread.sleep(1000);//情况1 log.debug("执行监控记录");//情况2 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); //重新设置打断标记 current.interrupt(); } } }); monitor.start(); } //终止监控线程 public void stop(){ monitor.interrupt(); } } 输出：
15:33:02 [Thread-0] c.TwoPhaseTermination - 执行监控记录 15:33:03 [Thread-0] c.TwoPhaseTermination - 执行监控记录 15:33:04 [Thread-0] c.TwoPhaseTermination - 执行监控记录 java.lang.InterruptedException: sleep interrupted at java.lang.Thread.sleep(Native Method) at testInterrupt.TwoPhaseTermination.lambda$start$0(demo3.java:29) at java.lang.Thread.run(Thread.java:748) 15:33:04 [Thread-0] c.TwoPhaseTermination - 料理后事 Process finished with exit code 0 不推荐的方法
还有一些不推荐使用的方法，这些方法已过时，容易破坏同步代码块，造成线程死锁
| 方法名 | static | 功能说明 |
|---|---|---|
| stop() | 停止线程运行 | |
| suspend() | 挂起（暂停）线程运行 | |
| resume() | 恢复线程运行 |
