JAVA技术多线程入门-每日运维

多线程入门

01、理论基础

进程

简单来说，在系统中运行的一个应用程序就是一个进程，比如启动一个java程序，系统就会创建一个对应的进程。每一个进程都拥有自己独立的内存空间和系统资源。

线程

线程(Light Weight Process)也称为轻量级线程，线程是大多数操作系统进行时间片分配调度的基本单元，是调度的最小单位。每一个进程下都至少有1个或多个线程，每个线程拥有独立的程序计数器、堆栈、局部变量等信息，并且能够访问共享变量。处理器在这些线程之间进行高速切换执行，让用户以为是在并发执行。

线程又可以分为用户线程和守护线程：

用户线程(User Thread)
用户线程是系统的工作线程，负责完成程序需要完成的业务操作。一般情况下不做特别说明配置，默认都是用户线程。

比如下面的main方法所在的线程就属于用户线程：

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
    }
}

守护线程(Daemon Thread)
是一种特殊的服务线程，主要为其它线程服务的，一般负责在后台完成一些非业务功能型、系统性的服务。比如我们的垃圾回收线程就是最典型的守护线程。

既然做为一种服务线程，在服务对象终止运行时，守护线程也没有必要继续运行了。因此当我们的用户线程结束时，表明我们的程序业务操作也结束了，此时JVM不会去关心守护线程的运行状态，会直接自动退出。

管程

也叫Monitor(监视器)，也就是我们平时常说的锁(synchronized)。 Monitor是一种同步机制，目的是保证同一时间只能有一个线程可以访问被保护的代码和数据。

JVM中的同步也是基于进入和退出监视器对象(Monitor管程对象)来实现的，每个对象实例都会伴随有一个Monitor对象，Monitor对象会和对象实例一同创建并销毁，Monitor底层是由C++语言实现的。

在HotSpot虚拟机中，monitor采用ObjectMonitor实现:

ObjectMonitor(){
    _header = NULL;
    _count = 0;
    _waiter = 0;
    _recursions = 0;
    object = NULL;
    owner = NULL;
    _WaitSet = NULL;
    _WaitSetLock = 0;
    _Responsible = NULL;
    _succ = NULL;
    _cxq = NULL;
    FreeNext = NULL;
    _EntryList = NULL;
    _SpinFreq = 0;
    _SpinClock = 0;
    OwnerIsThread = 0;
    _previous_owner_tid = 0;
}

ObjectMonitor中有几个关键属性：

_owner	指向持有ObjectMonitor对象的线程
_WaitSet	存放处于wait状态的线程队列
_EntryList	存放处于等待锁block状态的线程队列
_recursions	锁的重入次数
_count	用来记录该线程获取锁的次数

上下文切换

即使是单核处理器也是支持多个线程同时执行的。这里的"同时"其实是假象，实际是CPU通过给每个线程分配时间片来实现这个假象的。时间片就是CPU分配给每个线程的可支配时间，每个时间片特别短，一般几十毫秒。当某个线程获取到时间片就会执行线程相关逻辑，时间片时间结束后就会保存当前线程的状态，然后把时间片按某种算法分配给下一个线程执行。

线程池

创建一个线程是比较耗费系统资源的，受限于硬件配置和CPU核数限制，一个机器上能创建的线程数是有限制的。线程的创建和销毁也会导致操作系统底层进行频繁的上下文切换动作。对于需要支持高并发请求量的系统来说，允许无限制的创建线程是可怕的。

线程池技术能很好解决这些问题，线程池技术是指提前准备了一个池子，预先初始化好了一定数量的线程放入其中，并通过一定策略对池子中的线程进行新增和销毁。用户在使用过程中不能自己对线程进行创建和销毁，只能重复使用池子里的线程。通过这种方式，能很好的解决频繁创建线程导致操作系统上下文频繁切换的开销问题，而且面对过量任务请求的提交能够进行平滑的控制，增强系统的可用性。

02、线程基础

一个最简单的Java Hello程序其实也包含了多个线程。从 main()方法开始执行，然后按照既定的代码逻辑执行，看似没有其他线程参与，但实际上 Java 程序天生就是多线程程序，因为执行 main()方法的是一个名称为 main 的主线程。下面使用 JMX 来查看一个普通的 Java 程序包含有多少个线程：

package com.gyd;

import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.lang.management.ThreadInfo;
import java.lang.management.ThreadMXBean;

public class ThreadBasicDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
        // 获取 Java 线程管理 MXBean
        ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();
        // 不需要获取同步的 monitor 和 synchronizer 信息，仅获取线程和线程堆栈信息
        ThreadInfo[] threadInfos = threadMXBean.dumpAllThreads(false, false);
        // 遍历线程信息，仅打印线程 ID 和线程名称信息
        for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) {
            System.out.println("[" + threadInfo.getThreadId() + "] " + threadInfo.
                    getThreadName());
        }
    }
}

执行结果如下：

Hello World!
[6] Monitor Ctrl-Break
[5] Attach Listener
[4] Signal Dispatcher  // 分发处理发送给 JVM 信号的线程
[3] Finalizer   // 调用对象 finalize 方法的线程
[2] Reference Handler  // 清除 Reference 的线
[1] main   //主线程 用户程序入口

可以看出，我们写的java程序启动后，jvm还启动了多个负责不同任务的子线程在后台同时执行。

线程的生命周期

开篇先放张图：

从Thread.State内部类源码也可以得出线程主要有以下几种状态：

public enum State {
        //新建状态 
        NEW,
        //就绪状态
        RUNNABLE,
        //阻塞状态
        BLOCKED,
        //等待状态
        WAITING,
        //超时等待状态
        TIMED_WAITING,
        //终止状态
        TERMINATED;
    }

新建（NEW）
当我们创建一个新的线程实例时，线程就处于新建状态。这时候线程的start()方法还未被调用，线程对象还未开始执行。在这个状态下，Java虚拟机（JVM）已经为此线程分配了必要的内存。

Thread t = new Thread();//线程此时处于新建状态

就绪状态（RUNNABLE）
当线程对象调用了start()方法后，该线程就处于就绪状态。就绪状态的线程在获得CPU时间片后就可以开始运行。这个状态的线程位于可运行线程池中，等待被线程调度选中，获得CPU的使用权。

t.start(); // 线程此时处于Runnable状态

运行状态（Running）
线程获取到CPU时间片后，就进入运行状态，开始执行run()方法中的代码。值得注意的是，代码执行的实际速度和效率与处理器的速度以及多核处理器的核数有关。

public void run() {
    System.out.println("Thread is running.");
}
// 如果此时这个方法正在执行，那么线程就处于Running状态

注意：Java 将操作系统中的运行和就绪两个状态合并称为运行状态，因此在前面的Thread.State内部类源码中没有Running这个类型。

阻塞状态（Blocked）
当一个线程试图获取一个内部的对象锁（也就是进入一个synchronized块），而该锁被其他线程持有，则该线程进入阻塞状态。阻塞状态的线程在锁被释放时，将会进入就绪状态。

synchronized(object) {
    // 如果此时object的锁被其他线程持有，那么线程就处于Blocked状态
}

等待状态（Waiting）
线程通过调用其自身的wait()方法、join()方法或LockSupport.park()方法，或者通过调用其他线程的join()方法，可以进入等待状态。在等待状态的线程不会被分配CPU时间片，它们只能通过被其他线程显式唤醒进入就绪状态。

t.wait();  // 线程此时处于Waiting状态
t.join();  // 线程此时处于Waiting状态

超时等待状态（Timed Waiting）
当线程调用了sleep(long ms)，wait(long ms)，join(long ms)，或者LockSupport.parkNanos(), LockSupport.parkUntil()等具有指定等待时间的方法，线程就会进入超时等待状态。当超时时间到达后，线程会自动返回到就绪状态。

Thread.sleep(1000); // 线程此时处于Timed Waiting状态

终止状态（Terminated）
当线程的run()方法执行完毕，或者线程中断，线程就会进入终止状态。在这个状态下，线程已经完成了它的全部工作。

// 当run()方法执行完毕，线程处于Terminated状态
public void run() {
    System.out.println("Thread is running.");
}

线程的中断机制

如何停止中断运行中的线程？

volatile

package com.gyd;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class InterruptDemo1 {
    static volatile boolean isStop = false;
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()->{
            while(true) {
                if (isStop) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 被中断");
                    break;
                }
                System.out.println("t1 --- hello volatile");
            }
        },"t1").start();


        try {
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(20);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

        new Thread(()->{
            isStop = true;
        },"t2").start();

    }
}

AtomicBoolean

package com.gyd;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
public class InterruptDemo2 {
    static AtomicBoolean isStop = new AtomicBoolean(false);

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()->{
            while(true) {
                if (isStop.get()) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 被中断");
                    break;
                }
                System.out.println("t1 --- hello volatile");
            }
        },"t1").start();


        try {
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(20);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

        new Thread(()->{
            isStop.set(true);
        },"t2").start();
  
    }
}

interrupt

package com.gyd;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;

public class InterruptDemo3 {

    public static void main(String[] args) {
       Thread t1= new Thread(()->{
            while(true) {
                if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 被中断");
                    break;
                }
                System.out.println("t1 --- hello volatile");
            }
        },"t1");
       t1.start();


        try {
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(20);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

        new Thread(()->{
            t1.interrupt();
        },"t2").start();
  
    }
}

线程中断的三大API方法：

public void interrupt()
是一个实例方法，它通知目标线程商量中断，也仅仅是设置目标线程的中断标志位为true，至于是否中断是由目标线程自己控制。

public boolean isInterrupted()
是一个实例方法，它判断当前线程是否被中断(通过检查中断标志位)，并返回中断标志。

public static boolean interrupted()
是Thread类的静态方法，返回当前线程的中断状态真实值并将当前线程的中断状态设置为false。此方法调用之后会清除当前线程的中断标志位(当中断标志置为false)，返回当前值并清零置为false

线程的等待和唤醒机制

是指一个线程 A 调用了对象 O 的等待方法(wait、await、park)进入等待状态，而另一个线程 B 调用了对象 O 的唤醒方法(notify、nofityAll、signal、unpark)，线程 A 收到通知后从对象 O 的等待方法返回，进而执行后续操作。上述两个线程通过对象 O 来完成交互，而对象上的等待方法和唤醒方法的关系就如同开关信号一样，用来完成等待方和通知方之间的交互工作。
等待方法和唤醒方法有三组，下面介绍下每一组的概念和用法

方式1-wait和notify

wait和notify方法必须在同步块或者同步方法中使用，且必须成对出现，先执行wait才可以执行notify方法

package com.gyd;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class LockSupportDemo1 {

    private static Object lockObject = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            synchronized (lockObject) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" enter");
                try {
                    lockObject.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 被唤醒");
            }
        },"AAA").start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        new Thread(()->{
            synchronized (lockObject) {
                lockObject.notify();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 发出唤醒通知");
            }
        },"BBB").start();
    }
}

方式2-Condition中的await和signal

Condition 接口也提供了类似 Object 的监视器方法await和signal，await和signal方法必须在同步块或者同步方法中使用，必须先执行await，再执行signal ，与 Lock 配合可以实现等待/通知模式

package com.gyd;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockSupportDemo2 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Lock lock = new ReentrantLock();
        //Condition 对象是由 Lock 对象（调用 Lock 对象的newCondition()方法）创建出来的，换句话说，Condition 是依赖 Lock 对象的。
        
        Condition condition = lock.newCondition();
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" enter");
                condition.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 被唤醒");
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        },"AAA").start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        new Thread(()->{
            lock.lock();
            try {
                condition.signal();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 发起唤醒");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        },"BBB").start();
    }
}

方式3-LockSupport
前面的等待和唤醒方式都有两个限制条件：

a. 线程必须要先获得并持有锁，必须在锁块中(synchronized或Lock)。
b. 必须先等待后唤醒，线程才能够被正确唤醒。

而LockSupport就突破了这两个限制条件，使用时不需要额外关注锁的持有和释放动作，且可以突破wait/notify 、await/signal的原有调用顺序。

LockSupport 定义了一组的公共静态方法，这些方法提供了最基本的线程阻塞和唤醒功能L，LockSupport 也成为构建同步组件的基础工具。

使用示例：

package com.gyd;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
public class LockSupportDemo3 {


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" enter");
            LockSupport.park();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 被唤醒");
        },"AAA");
        thread.start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        new Thread(()->{
            LockSupport.unpark(thread);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 发起唤醒");

        },"BBB").start();
    }
}

LockSupport是一个线程阻塞工具类，所有的方法都是静态方法，可以让线程在任意位置进行阻塞(LockSupport.park())，阻塞之后也有对应的唤醒方法(LockSupport.unpark())。LockSupport底层调用的是Unsafe中的native代码。

LockSupport和每个使用它的线程都有一个许可证(permit)关联。每个线程最多只能有一个permit许可证，重复调用unpark也不会积累凭证。

当调用park方法时
a. 如果有凭证，则使用完这个凭证并退出(凭证可以提前发放，这里就是为什么可以突破wait/notify、await/signal调用顺序的原因)。
b. 如果没有凭证，则线程会阻塞直到unpark发放一个凭证才能退出。

当调用unpark方法时，会给对应的线程增加一个凭证(最多增加一个)，多次调用unpark也不会重复发放凭证。

从上面三组等待通知方法可以提炼出其中的经典范式，该范式分为两部分，分别针对等待方（消费者）和通知方（生产者）。

等待方遵循如下原则:

获取对象的锁。

如果条件不满足，那么调用对象的 wait()方法，被通知后仍要检查条件。

条件满足则执行对应的逻辑。

对应的伪代码如下。

synchronized(对象) {
 while(条件不满足) { 
 对象.wait();
 }
 对应的处理逻辑
}

通知方遵循如下原则:

获得对象的锁。

改变条件。

通知所有等待在对象上的线程。

对应的伪代码如下。

synchronized(对象){
 改变条件
 对象.notifyAll();
}

线程还有一个join方法，也是等待唤醒机制的一种。如果一个线程 A 执行了 thread.join()语句，其含义是：当前线程 A 等待 thread 线程终止之后才从 thread.join()返回。线程 Thread 除了提供 join()方法之外，还提供了 join(long millis)和 join(longmillis,int nanos)两个具备超时特性的方法。这两个超时方法表示，如果线程 thread 在给定的超时时间里没有终止，那么将会从该超时方法中返回。

jdk中Thread类中join方法的源码：

    public final synchronized void join(long millis)
    throws InterruptedException {
        long base = System.currentTimeMillis();
        long now = 0;

        if (millis < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
        }

        if (millis == 0) {
            while (isAlive()) {
                wait(0);
            }
        } else {
            //条件不满足继续等待
            while (isAlive()) {
                long delay = millis - now;
                if (delay  MAX_PRIORITY || newPriority  g.getMaxPriority()) {
                newPriority = g.getMaxPriority();
            }
            setPriority0(priority = newPriority);
        }
    }

    ....
}

设置线程优先级时，通常的方式是针对频繁阻塞（休眠或者 I/O 操作）的线程需要设置较高优先级，而偏重计算（需要较多 CPU时间或者偏运算）的线程则设置较低的优先级，确保处理器不会被独占。在不同的 JVM以及操作系统上，线程规划会存在差异，有些操作系统甚至会忽略对线程优先级的设定，因此线程优先级不能作为程序正确性的依赖。

线程属性-Daemon

Daemon 线程是一种支持型线程(常被叫做守护线程)，因为它主要被用作程序中后台调度以及支持性工作。这意味着，当一个 Java 虚拟机中不存在非 Daemon 线程的时候，Java 虚拟机将会退出。可以通过调用 Thread.setDaemon(true)将线程设置为 Daemon 线程。

Daemon 属性需要在启动线程之前设置，不能在启动线程之后设置。Daemon 线程被用作完成支持性工作，但是在 Java 虚拟机退出时 Daemon 线程中的逻辑不一定保证会执行。

package com.gyd;

public class ThreadBasicDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(new DaemonRunner(),"DaemonRunner");
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();
    }

    static class DaemonRunner implements Runnable{

        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println("daemon...");
            } finally {
                System.out.println("exit daemon...");
            }
        }
    }
}

上面的程序中，当main程序执行完成时，DaemonRunner中的run方法逻辑不一定会被执行完成。

03、常用接口和类介绍

FutureTask

优点：Future+线程池异步多线程任务配合，能够显著提高程序的执行效率。
缺点：获取结果的get操作容易导致阻塞，一般建议放在程序后面，如果不希望阻塞太长时间，可以设置阻塞最大时间，超过指定时间后自动返回。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);

        long start = System.currentTimeMillis();
        FutureTask a1 = new FutureTask(() -> {
            Thread.sleep(500);
            return "aaa";
        });
        executorService.submit(a1);
        FutureTask a2 = new FutureTask(() -> {
            Thread.sleep(500);
            return "bbb";
        });
        Thread.sleep(500);
        executorService.submit(a2);

        System.out.println(a1.get());
        System.out.println(a2.get());

        System.out.println("call3");

        long end = System.currentTimeMillis() - start;
        System.out.println("cost : "+end);
        executorService.shutdown();
    }
}

CompletableFuture

04、参考资料

《Java并发编程的艺术》

JAVA技术多线程入门

01、理论基础

进程

线程

管程

上下文切换

线程池

02、线程基础

线程的生命周期

线程的中断机制

线程的等待和唤醒机制

线程属性-Daemon

03、常用接口和类介绍

FutureTask

CompletableFuture

04、参考资料

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FutureTask

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