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一文帶你讀懂Java中的線程

一文帶你讀懂Java中的線程?很多新手對(duì)此不是很清楚,為了幫助大家解決這個(gè)難題,下面小編將為大家詳細(xì)講解,有這方面需求的人可以來(lái)學(xué)習(xí)下,希望你能有所收獲。

成都創(chuàng)新互聯(lián)是工信部頒發(fā)資質(zhì)IDC服務(wù)器商,為用戶提供優(yōu)質(zhì)的成都棕樹(shù)電信機(jī)房服務(wù)

在之前的章節(jié)中,我們都是假設(shè)程序中只有一條執(zhí)行流,程序從main方法的第一條語(yǔ)句逐條執(zhí)行直到結(jié)束。從本節(jié)開(kāi)始,我們討論并發(fā),在程序中創(chuàng)建線程來(lái)啟動(dòng)多條執(zhí)行流,并發(fā)和線程是一個(gè)復(fù)雜的話題,本節(jié),我們先來(lái)討論Java中線程的一些基本概念。

創(chuàng)建線程

線程表示一條單獨(dú)的執(zhí)行流,它有自己的程序執(zhí)行計(jì)數(shù)器,有自己的棧。下面,我們通過(guò)創(chuàng)建線程來(lái)對(duì)線程建立一個(gè)直觀感受,在Java中創(chuàng)建線程有兩種方式,一種是繼承Thread,另外一種是實(shí)現(xiàn)Runnable接口,我們先來(lái)看第一種。

繼承Thread

Java中java.lang.Thread這個(gè)類表示線程,一個(gè)類可以繼承Thread并重寫其run方法來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程,如下所示:

public class HelloThread extends Thread { 
 @Override
 public void run() {
 System.out.println("hello");
 }
}

HelloThread這個(gè)類繼承了Thread,并重寫了run方法。run方法的方法簽名是固定的,public,沒(méi)有參數(shù),沒(méi)有返回值,不能拋出受檢異常。run方法類似于單線程程序中的main方法,線程從run方法的第一條語(yǔ)句開(kāi)始執(zhí)行直到結(jié)束。

定義了這個(gè)類不代表代碼就會(huì)開(kāi)始執(zhí)行,線程需要被啟動(dòng),啟動(dòng)需要先創(chuàng)建一個(gè)HelloThread對(duì)象,然后調(diào)用Thread的start方法,如下所示:

public static void main(String[] args) {
 Thread thread = new HelloThread();
 thread.start();
}

我們?cè)趍ain方法中創(chuàng)建了一個(gè)線程對(duì)象,并調(diào)用了其start方法,調(diào)用start方法后,HelloThread的run方法就會(huì)開(kāi)始執(zhí)行,屏幕輸出:

hello

為什么調(diào)用的是start,執(zhí)行的卻是run方法呢?start表示啟動(dòng)該線程,使其成為一條單獨(dú)的執(zhí)行流,背后,操作系統(tǒng)會(huì)分配線程相關(guān)的資源,每個(gè)線程會(huì)有單獨(dú)的程序執(zhí)行計(jì)數(shù)器和棧,操作系統(tǒng)會(huì)把這個(gè)線程作為一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體進(jìn)行調(diào)度,分配時(shí)間片讓它執(zhí)行,執(zhí)行的起點(diǎn)就是run方法。

如果不調(diào)用start,而直接調(diào)用run方法呢?屏幕的輸出并不會(huì)發(fā)生變化,但并不會(huì)啟動(dòng)一條單獨(dú)的執(zhí)行流,run方法的代碼依然是在main線程中執(zhí)行的,run方法只是main方法調(diào)用的一個(gè)普通方法。

怎么確認(rèn)代碼是在哪個(gè)線程中執(zhí)行的呢?Thread有一個(gè)靜態(tài)方法currentThread,返回當(dāng)前執(zhí)行的線程對(duì)象:

public static native Thread currentThread();

每個(gè)Thread都有一個(gè)id和name:

public long getId()
public final String getName()

這樣,我們就可以判斷代碼是在哪個(gè)線程中執(zhí)行的,我們?cè)贖elloThead的run方法中加一些代碼:

@Override
public void run() {
 System.out.println("thread name: "+ Thread.currentThread().getName());
 System.out.println("hello");
}

如果在main方法中通過(guò)start方法啟動(dòng)線程,程序輸出為:

thread name: Thread-0
hello

如果在main方法中直接調(diào)用run方法,程序輸出為:

thread name: main
hello

調(diào)用start后,就有了兩條執(zhí)行流,新的一條執(zhí)行run方法,舊的一條繼續(xù)執(zhí)行main方法,兩條執(zhí)行流并發(fā)執(zhí)行,操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度,在單CPU的機(jī)器上,同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程在執(zhí)行,在多CPU的機(jī)器上,同一時(shí)刻可以有多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行,但操作系統(tǒng)給我們屏蔽了這種差異,給程序員的感覺(jué)就是多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行,但哪條語(yǔ)句先執(zhí)行哪條后執(zhí)行是不一定的。當(dāng)所有線程都執(zhí)行完畢的時(shí)候,程序退出。

實(shí)現(xiàn)Runnable接口

通過(guò)繼承Thread來(lái)實(shí)現(xiàn)線程雖然比較簡(jiǎn)單,但我們知道,Java中只支持單繼承,每個(gè)類最多只能有一個(gè)父類,如果類已經(jīng)有父類了,就不能再繼承Thread,這時(shí),可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)java.lang.Runnable接口來(lái)實(shí)現(xiàn)線程。

Runnable接口的定義很簡(jiǎn)單,只有一個(gè)run方法,如下所示:

public interface Runnable {
 public abstract void run();
}

一個(gè)類可以實(shí)現(xiàn)該接口,并實(shí)現(xiàn)run方法,如下所示:

public class HelloRunnable implements Runnable {
 @Override
 public void run() {
  System.out.println("hello");
 }
}

僅僅實(shí)現(xiàn)Runnable是不夠的,要啟動(dòng)線程,還是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Thread對(duì)象,但傳遞一個(gè)Runnable對(duì)象,如下所示:

public static void main(String[] args) {
 Thread helloThread = new Thread(new HelloRunnable());
 helloThread.start();
}

無(wú)論是通過(guò)繼承Thead還是實(shí)現(xiàn)Runnable接口來(lái)實(shí)現(xiàn)線程,啟動(dòng)線程都是調(diào)用Thread對(duì)象的start方法。

線程的基本屬性和方法

id和name

前面我們提到,每個(gè)線程都有一個(gè)id和name,id是一個(gè)遞增的整數(shù),每創(chuàng)建一個(gè)線程就加一,name的默認(rèn)值是"Thread-"后跟一個(gè)編號(hào),name可以在Thread的構(gòu)造方法中進(jìn)行指定,也可以通過(guò)setName方法進(jìn)行設(shè)置,給Thread設(shè)置一個(gè)友好的名字,可以方便調(diào)試。

優(yōu)先級(jí)

線程有一個(gè)優(yōu)先級(jí)的概念,在Java中,優(yōu)先級(jí)從1到10,默認(rèn)為5,相關(guān)方法是:

public final void setPriority(int newPriority)
public final int getPriority()

這個(gè)優(yōu)先級(jí)會(huì)被映射到操作系統(tǒng)中線程的優(yōu)先級(jí),不過(guò),因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)各不相同,不一定都是10個(gè)優(yōu)先級(jí),Java中不同的優(yōu)先級(jí)可能會(huì)被映射到操作系統(tǒng)中相同的優(yōu)先級(jí),另外,優(yōu)先級(jí)對(duì)操作系統(tǒng)而言更多的是一種建議和提示,而非強(qiáng)制,簡(jiǎn)單的說(shuō),在編程中,不要過(guò)于依賴優(yōu)先級(jí)。

狀態(tài)

線程有一個(gè)狀態(tài)的概念,Thread有一個(gè)方法用于獲取線程的狀態(tài):

public State getState()

返回值類型為Thread.State,它是一個(gè)枚舉類型,有如下值:

public enum State {
 NEW,
 RUNNABLE,
 BLOCKED,
 WAITING,
 TIMED_WAITING,
 TERMINATED;
}

關(guān)于這些狀態(tài),我們簡(jiǎn)單解釋下:

  • NEW: 沒(méi)有調(diào)用start的線程狀態(tài)為NEW
  • TERMINATED: 線程運(yùn)行結(jié)束后狀態(tài)為TERMINATED
  • RUNNABLE: 調(diào)用start后線程在執(zhí)行run方法且沒(méi)有阻塞時(shí)狀態(tài)為RUNNABLE,不過(guò),RUNNABLE不代表CPU一定在執(zhí)行該線程的代碼,可能正在執(zhí)行也可能在等待操作系統(tǒng)分配時(shí)間片,只是它沒(méi)有在等待其他條件
  • BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING:都表示線程被阻塞了,在等待一些條件,其中的區(qū)別我們?cè)诤罄m(xù)章節(jié)再介紹

Thread還有一個(gè)方法,返回線程是否活著:

public final native boolean isAlive()

線程被啟動(dòng)后,run方法運(yùn)行結(jié)束前,返回值都是true。

是否daemo線程

Thread有一個(gè)是否daemo線程的屬性,相關(guān)方法是:

public final void setDaemon(boolean on)
public final boolean isDaemon()

前面我們提到,啟動(dòng)線程會(huì)啟動(dòng)一條單獨(dú)的執(zhí)行流,整個(gè)程序只有在所有線程都結(jié)束的時(shí)候才退出,但daemo線程是例外,當(dāng)整個(gè)程序中剩下的都是daemo線程的時(shí)候,程序就會(huì)退出。

daemo線程有什么用呢?它一般是其他線程的輔助線程,在它輔助的主線程退出的時(shí)候,它就沒(méi)有存在的意義了。在我們運(yùn)行一個(gè)即使最簡(jiǎn)單的"hello world"類型的程序時(shí),實(shí)際上,Java也會(huì)創(chuàng)建多個(gè)線程,除了main線程外,至少還有一個(gè)負(fù)責(zé)垃圾回收的線程,這個(gè)線程就是daemo線程,在main線程結(jié)束的時(shí)候,垃圾回收線程也會(huì)退出。

sleep方法

Thread有一個(gè)靜態(tài)的sleep方法,調(diào)用該方法會(huì)讓當(dāng)前線程睡眠指定的時(shí)間,單位是毫秒:

public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;

睡眠期間,該線程會(huì)讓出CPU,但睡眠的時(shí)間不一定是確切的給定毫秒數(shù),可能有一定的偏差,偏差與系統(tǒng)定時(shí)器和操作系統(tǒng)調(diào)度器的準(zhǔn)確度和精度有關(guān)。

睡眠期間,線程可以被中斷,如果被中斷,sleep會(huì)拋出InterruptedException,關(guān)于中斷以及中斷處理,我們后續(xù)章節(jié)再介紹。

yield方法

Thread還有一個(gè)讓出CPU的方法:

public static native void yield();

這也是一個(gè)靜態(tài)方法,調(diào)用該方法,是告訴操作系統(tǒng)的調(diào)度器,我現(xiàn)在不著急占用CPU,你可以先讓其他線程運(yùn)行。不過(guò),這對(duì)調(diào)度器也僅僅是建議,調(diào)度器如何處理是不一定的,它可能完全忽略該調(diào)用。

join方法

在前面HelloThread的例子中,HelloThread沒(méi)執(zhí)行完,main線程可能就執(zhí)行完了,Thread有一個(gè)join方法,可以讓調(diào)用join的線程等待該線程結(jié)束,join方法的聲明為:

public final void join() throws InterruptedException

在等待線程結(jié)束的過(guò)程中,這個(gè)等待可能被中斷,如果被中斷,會(huì)拋出InterruptedException。

join方法還有一個(gè)變體,可以限定等待的最長(zhǎng)時(shí)間,單位為毫秒,如果為0,表示無(wú)期限等待:

public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException

在前面的HelloThread示例中,如果希望main線程在子線程結(jié)束后再退出,main方法可以改為:

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Thread thread = new HelloThread();
 thread.start();
 thread.join();
}

過(guò)時(shí)方法

Thread類中還有一些看上去可以控制線程生命周期的方法,如:

public final void stop()
public final void suspend()
public final void resume()

這些方法因?yàn)楦鞣N原因已被標(biāo)記為了過(guò)時(shí),我們不應(yīng)該在程序中使用它們。

共享內(nèi)存及問(wèn)題

共享內(nèi)存

前面我們提到,每個(gè)線程表示一條單獨(dú)的執(zhí)行流,有自己的程序計(jì)數(shù)器,有自己的棧,但線程之間可以共享內(nèi)存,它們可以訪問(wèn)和操作相同的對(duì)象。我們看個(gè)例子,代碼如下:

public class ShareMemoryDemo {
 private static int shared = 0;
 private static void incrShared(){
  shared ++;
 }
 static class ChildThread extends Thread {
  List list;
  
  public ChildThread(List list) {
   this.list = list;
  }
  @Override
  public void run() {
   incrShared();
   list.add(Thread.currentThread().getName());
  }
 }
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  List list = new ArrayList();
  Thread t1 = new ChildThread(list);
  Thread t2 = new ChildThread(list);
  t1.start();
  t2.start();
  t1.join();
  t2.join();
  System.out.println(shared);
  System.out.println(list);
 }
}

在代碼中,定義了一個(gè)靜態(tài)變量shared和靜態(tài)內(nèi)部類ChildThread,在main方法中,創(chuàng)建并啟動(dòng)了兩個(gè)ChildThread對(duì)象,傳遞了相同的list對(duì)象,ChildThread的run方法訪問(wèn)了共享的變量shared和list,main方法最后輸出了共享的shared和list的值,大部分情況下,會(huì)輸出期望的值:

[Thread-0, Thread-1]

通過(guò)這個(gè)例子,我們想強(qiáng)調(diào)說(shuō)明執(zhí)行流、內(nèi)存和程序代碼之間的關(guān)系。

該例中有三條執(zhí)行流,一條執(zhí)行main方法,另外兩條執(zhí)行ChildThread的run方法。

  • 不同執(zhí)行流可以訪問(wèn)和操作相同的變量,如本例中的shared和list變量。
  • 不同執(zhí)行流可以執(zhí)行相同的程序代碼,如本例中incrShared方法,ChildThread的run方法,被兩條ChildThread執(zhí)行流執(zhí)行,incrShared方法是在外部定義的,但被ChildThread的執(zhí)行流執(zhí)行,在分析代碼執(zhí)行過(guò)程時(shí),理解代碼在被哪個(gè)線程執(zhí)行是很重要的。
  • 當(dāng)多條執(zhí)行流執(zhí)行相同的程序代碼時(shí),每條執(zhí)行流都有單獨(dú)的棧,方法中的參數(shù)和局部變量都有自己的一份。

當(dāng)多條執(zhí)行流可以操作相同的變量時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)一些意料之外的結(jié)果,我們來(lái)看下。

競(jìng)態(tài)條件

所謂競(jìng)態(tài)條件(race condition)是指,當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)和操作同一個(gè)對(duì)象時(shí),最終執(zhí)行結(jié)果與執(zhí)行時(shí)序有關(guān),可能正確也可能不正確,我們看一個(gè)例子:

public class CounterThread extends Thread {
 private static int counter = 0;
 @Override
 public void run() {
  try {
   Thread.sleep((int)(Math.random()*100));
  } catch (InterruptedException e) {
  }
  counter ++;
 }
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  int num = 1000;
  Thread[] threads = new Thread[num];
  for(int i=0; i

這段代碼容易理解,有一個(gè)共享靜態(tài)變量counter,初始值為0,在main方法中創(chuàng)建了1000個(gè)線程,每個(gè)線程就是隨機(jī)睡一會(huì),然后對(duì)counter加1,main線程等待所有線程結(jié)束后輸出counter的值。

期望的結(jié)果是1000,但實(shí)際執(zhí)行,發(fā)現(xiàn)每次輸出的結(jié)果都不一樣,一般都不是1000,經(jīng)常是900多。為什么會(huì)這樣呢?因?yàn)?strong>counter++這個(gè)操作不是原子操作,它分為三個(gè)步驟:

  • 取counter的當(dāng)前值
  • 在當(dāng)前值基礎(chǔ)上加1
  • 將新值重新賦值給counter

兩個(gè)線程可能同時(shí)執(zhí)行第一步,取到了相同的counter值,比如都取到了100,第一個(gè)線程執(zhí)行完后counter變?yōu)?01,而第二個(gè)線程執(zhí)行完后還是101,最終的結(jié)果就與期望不符。

怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢?有多種方法:

  • 使用synchronized關(guān)鍵字
  • 使用顯式鎖
  • 使用原子變量

關(guān)于這些方法,我們?cè)诤罄m(xù)章節(jié)再介紹。

內(nèi)存可見(jiàn)性

多個(gè)線程可以共享訪問(wèn)和操作相同的變量,但一個(gè)線程對(duì)一個(gè)共享變量的修改,另一個(gè)線程不一定馬上就能看到,甚至永遠(yuǎn)也看不到,這可能有悖直覺(jué),我們來(lái)看一個(gè)例子。

public class VisibilityDemo {
 private static boolean shutdown = false;
 static class HelloThread extends Thread {
  @Override
  public void run() {
   while(!shutdown){
    // do nothing
   }
   System.out.println("exit hello");
  }
 }
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  new HelloThread().start();
  Thread.sleep(1000);
  shutdown = true;
  System.out.println("exit main");
 }
}

在這個(gè)程序中,有一個(gè)共享的boolean變量shutdown,初始為false,HelloThread在shutdown不為true的情況下一直死循環(huán),當(dāng)shutdown為true時(shí)退出并輸出"exit hello",main線程啟動(dòng)HelloThread后睡了一會(huì),然后設(shè)置shutdown為true,最后輸出"exit main"。

期望的結(jié)果是兩個(gè)線程都退出,但實(shí)際執(zhí)行,很可能會(huì)發(fā)現(xiàn)HelloThread永遠(yuǎn)都不會(huì)退出,也就是說(shuō),在HelloThread執(zhí)行流看來(lái),shutdown永遠(yuǎn)為false,即使main線程已經(jīng)更改為了true。

這是怎么回事呢?這就是內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,除了內(nèi)存,數(shù)據(jù)還會(huì)被緩存在CPU的寄存器以及各級(jí)緩存中,當(dāng)訪問(wèn)一個(gè)變量時(shí),可能直接從寄存器或CPU緩存中獲取,而不一定到內(nèi)存中去取,當(dāng)修改一個(gè)變量時(shí),也可能是先寫到緩存中,而稍后才會(huì)同步更新到內(nèi)存中。在單線程的程序中,這一般不是個(gè)問(wèn)題,但在多線程的程序中,尤其是在有多CPU的情況下,這就是個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。一個(gè)線程對(duì)內(nèi)存的修改,另一個(gè)線程看不到,一是修改沒(méi)有及時(shí)同步到內(nèi)存,二是另一個(gè)線程根本就沒(méi)從內(nèi)存讀。

怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢?有多種方法:

  • 使用volatile關(guān)鍵字
  • 使用synchronized關(guān)鍵字或顯式鎖同步

關(guān)于這些方法,我們?cè)诤罄m(xù)章節(jié)再介紹。

線程的優(yōu)點(diǎn)及成本

優(yōu)點(diǎn)

為什么要?jiǎng)?chuàng)建單獨(dú)的執(zhí)行流?或者說(shuō)線程有什么優(yōu)點(diǎn)呢?至少有以下幾點(diǎn):

  • 充分利用多CPU的計(jì)算能力,單線程只能利用一個(gè)CPU,使用多線程可以利用多CPU的計(jì)算能力。
  • 充分利用硬件資源,CPU和硬盤、網(wǎng)絡(luò)是可以同時(shí)工作的,一個(gè)線程在等待網(wǎng)絡(luò)IO的同時(shí),另一個(gè)線程完全可以利用CPU,對(duì)于多個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求,完全可以使用多個(gè)線程同時(shí)請(qǐng)求。
  • 在用戶界面(GUI)應(yīng)用程序中,保持程序的響應(yīng)性,界面和后臺(tái)任務(wù)通常是不同的線程,否則,如果所有事情都是一個(gè)線程來(lái)執(zhí)行,當(dāng)執(zhí)行一個(gè)很慢的任務(wù)時(shí),整個(gè)界面將停止響應(yīng),也無(wú)法取消該任務(wù)。
  • 簡(jiǎn)化建模及IO處理,比如,在服務(wù)器應(yīng)用程序中,對(duì)每個(gè)用戶請(qǐng)求使用一個(gè)單獨(dú)的線程進(jìn)行處理,相比使用一個(gè)線程,處理來(lái)自各種用戶的各種請(qǐng)求,以及各種網(wǎng)絡(luò)和文件IO事件,建模和編寫程序要容易的多。

成本

關(guān)于線程,我們需要知道,它是有成本的。創(chuàng)建線程需要消耗操作系統(tǒng)的資源,操作系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)線程創(chuàng)建必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、棧、程序計(jì)數(shù)器等,創(chuàng)建也需要一定的時(shí)間。

此外,線程調(diào)度和切換也是有成本的,當(dāng)有當(dāng)量可運(yùn)行線程的時(shí)候,操作系統(tǒng)會(huì)忙于調(diào)度,為一個(gè)線程分配一段時(shí)間,執(zhí)行完后,再讓另一個(gè)線程執(zhí)行,一個(gè)線程被切換出去后,操作系統(tǒng)需要保存它的當(dāng)前上下文狀態(tài)到內(nèi)存,上下文狀態(tài)包括當(dāng)前CPU寄存器的值、程序計(jì)數(shù)器的值等,而一個(gè)線程被切換回來(lái)后,操作系統(tǒng)需要恢復(fù)它原來(lái)的上下文狀態(tài),整個(gè)過(guò)程被稱為上下文切換,這個(gè)切換不僅耗時(shí),而且使CPU中的很多緩存失效,是有成本的。

當(dāng)然,這些成本是相對(duì)而言的,如果線程中實(shí)際執(zhí)行的事情比較多,這些成本是可以接受的,但如果只是執(zhí)行本節(jié)示例中的counter++,那相對(duì)成本就太高了。

另外,如果執(zhí)行的任務(wù)都是CPU密集型的,即主要消耗的都是CPU,那創(chuàng)建超過(guò)CPU數(shù)量的線程就是沒(méi)有必要的,并不會(huì)加快程序的執(zhí)行。

看完上述內(nèi)容是否對(duì)您有幫助呢?如果還想對(duì)相關(guān)知識(shí)有進(jìn)一步的了解或閱讀更多相關(guān)文章,請(qǐng)關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道,感謝您對(duì)創(chuàng)新互聯(lián)的支持。


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