Java并发3：线程

本文是根据《Java并发编程的艺术》以及之前的文章 https://juejin.cn/post/6844903733273313293 和 https://juejin.cn/post/6844903734556753933 共同整理而来。

进程和线程

进程

进程是操作系统结构的基础；是一次程序的执行；是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动；是程序在一个数据集合上运行的过程，它是从系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

线程

线程是一个比进程更小的执行单位，可以理解成是在进程中独立运行的子任务。一个进程在执行过程中可以产生多个线程，同类的多个线程共享同一块内存空间和一组系统资源，所以系统在产生一个线程，或是在各个线程之间做切换时，负担比进程小得多。

多线程

多线程就是指多个线程同时运行或交替运行。单核CPU是顺序执行，也即交替运行。多核CPU，因为每个CPU有自己的运算器，所以在多个CPU可以同时运行。

为什么要使用多线程

更多的处理器核心，使得多线程能分配到多个处理器核心，减少了程序的处理时间，提升了效率
更快的响应时间：将数据一致性不强的操作派发给不同的线程，从而缩短了响应时间
更好的编程模型

相关概念

线程优先级

Java线程中，通过整形变量priority来控制优先级，范围从1-10，创建线程时可以设置，默认为5。在不同的JVM和操作系统上，线程规划存在差异，有些操作系统甚至会忽略对线程优先级的设定。

同步和异步

同步方法调用开始后，调用者必须等待，直到方法调用返回后，才能继续后序的行为。可以理解为，排队执行。

异步方法调用像是一个消息传递，当一个异步过程调用发出后，调用者可以继续后序的操作，但是调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。多线程是异步的，其调用时机是随机的。

并发和并行

并发是指一个处理器同时处理多个任务。并行是指多个处理器或者是多核的处理器同时处理多个不同的任务。

如上图所示，并发是逻辑上是同时发生。并行是物理上的同时发生。

多线程在单核CPU的话是顺序执行，也就是交替运行（并发）。多核CPU的话，因为每个CPU有自己的运算器，所以在多个CPU中可以同时运行（并行）。

阻塞与非阻塞

阻塞是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，只有在得到结果后才返回。非阻塞指不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。

守护线程

Java中有两种线程，一种是用户线程，另外一种是守护线程。当进程中不存在非守护线程了，守护线程自动销毁，java虚拟机会退出。典型的守护线程就是垃圾回收线程。只要当前JVM实例中存在任何一个非守护线程没有结束，守护线程就在工作，只有当最后一个非守护线程结束，守护线程才随着JVM一同结束工作。当JVM退出时，守护线程中的finally块不一定会执行，不能依靠finally块中的内容确保执行关闭或者清理资源的逻辑。

线程状态转换

新建（New）：创建后尚未启动。
可运行（Runnable）：线程对象创建后，在调用它的start()方法，系统为此线程分配CPU资源，使其处于可运行状态，这是一个准备运行的状态。
- 调用sleep()方法后经过的时间超过了指定的休眠时间。
- 线程调用的阻塞IO返回，阻塞方法执行完毕。
- 线程获得了试图同步的监视器
- 线程正在等待通知，且其他线程发出了通知
- 处于挂起状态的线程调用了resume恢复方法。
运行（Running）：在Runnable状态下的线程获得了CPU时间片，执行程序代码。
阻塞（Blocking）：线程因为某种原因放弃了CPU使用权，让出了CPU时间片，暂时停止运行。包括如下五种情况：
- 线程调用sleep()方法
- 线程调用了阻塞IO方法，在该方法返回前，被阻塞
- 线程试图获得同步锁，该锁被其他线程持有（同步阻塞）
- 线程等待通知（等待阻塞）
- 程序调用了suspend方法挂起（避免该方法，易死锁）
死亡（Dead）:线程run()、main()方法执行结束，或者因异常退出了run()方法，则该线程结束生命周期。死亡的线程不可再次复生。

线程创建及启动

在Java中，实现多线程编程的方式主要有两种，一种是继承Thread类，一种是实现Runnable接口。

在Java源码中，Thread类实现了Runnable接口，它们之间具有多态关系。使用这两种方式创建的线程在工作时性质是一样的，没有本质区别。

线程对象在初始化完成后，调用 start() 方法启动这个线程。其含义是当前线程（启动子线程的线程）告知JVM，只要线程规划器空闲，立即启动调用 start() 方法的线程。

示例代码参考：https://juejin.cn/post/6844903733273313293

线程中断

中断可以理解为线程的一个标志位属性，表示一个运行中的线程是否被其他线程进行了中断操作。线程中断是一种用于停止线程的协作机制，线程可以通过这种机制来通知另一个线程，告诉它在合适的或者可能的情况下停止当前工作。

使用interrupt()方法将中断状态设置为ture；使用isInterrupted()判断线程的中断状态；使用Thread.interrupted()判断当前线程的中断状态，并将当前线程的中断状态设置为false。

参考：https://juejin.cn/post/6844903745109622797

线程通信

等待/通知机制

参考：https://juejin.cn/post/6844903734556753933

等待通知的经典范式：

等待方：1.获取对象锁；2.如果条件不满足，调用对象的 wait() 方法；3.被通知后检查条件，条件满足执行对应的逻辑。

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

通知方：1.获取对象锁；2.改变条件；3.通知等待该对象的进程

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

管道流

管道流用于线程之间的数据传输，其媒介为内存。一个线程发送数据到输出管道，另一个线程从输入管道中读取数据。通过使用管道，实现不同线程间的通信，而无须借助类似临时文件之类的东西。 JDK中提供了四个类：PipedInputStream,PipedOutputStream;PipedReader,PipedWriter。

示例代码： https://juejin.cn/post/6844903734581919752

join()方法

在线程A的代码中执行了线程B threadB.join()，含义是线程A等待线程B终止之后才继续进行线程该代码之后的工作。join() 方法还可以传入参数如join(long mills)以及join(long mills,int nanos)的超时方法，表示线程在给定时间内没有终止，将从中返回。

实例代码： https://juejin.cn/post/6844903734695165959

ThreadLocal

ThreadLocal 是存放线程变量的变量，是一个以ThreadLocal对象为key，任意对象为value的存储结构。

public class Profiler {
    private static final ThreadLocal<Long> TIME_TL=new ThreadLocal<Long>(){
        @Override
        protected Long initialValue() {
            return System.currentTimeMillis();
        }
    };
    private static final ThreadLocal<String> STR_TL=new ThreadLocal<String>(){
        @Override
        protected String initialValue() {
            return "hello";
        }
    };

    public static final void begin(){
        TIME_TL.set(System.currentTimeMillis());
    }

    public static final long end(){
        return System.currentTimeMillis()-TIME_TL.get();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Profiler.begin();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        System.out.println("Cost "+Profiler.end()+" mills");
        System.out.println(STR_TL.get());
    }
}

运行结果：

Cost 1001 mills
hello