Java 并发 - 线程基础
Java 并发 - 线程基础
0. 面试题
- 线程有哪几种状态? 分别说明从一种状态到另一种状态转变有哪些方式?
- 通常线程有哪几种使用方式?
- 基础线程机制有哪些?
- 线程的中断方式有哪些?
- 线程的互斥同步方式有哪些? 如何比较和选择?
- 线程之间有哪些协作方式?
1. 线程状态转换
1.1 新建（New）
创建后尚未启动。
1.2 可运行(Runnable)
可能正在运行，也可能正在等待 CPU 时间片。
包含了操作系统线程状态中的 Running 和 Ready
1.3 阻塞(Blocking)
等待获取一个排它锁，如果其线程释放了锁就会结束此状态。
1.4 无限期等待(Waiting)
等待其它线程显式地唤醒，否则不会被分配 CPU 时间片。
| 进入方法 | 退出方法 |
|---|---|
| 没有设置 Timeout 参数的 Object.wait() 方法 | Object.notify() / Object.notifyAll() |
| 没有设置 Timeout 参数的 Thread.join() 方法 | 被调用的线程执行完毕 |
| LockSupport.park() 方法 | - |
1.5 限期等待(Timed Waiting)
无需等待其它线程显式地唤醒，在一定时间之后会被系统自动唤醒。
调用 Thread.sleep() 方法使线程进入限期等待状态时，常常用“使一个线程睡眠”进行描述。
调用 Object.wait() 方法使线程进入限期等待或者无限期等待时，常常用“挂起一个线程”进行描述。
睡眠和挂起是用来描述行为，而阻塞和等待用来描述状态。
阻塞和等待的区别在于，阻塞是被动的，它是在等待获取一个排它锁。而等待是主动的，通过调用 Thread.sleep() 和 Object.wait() 等方法进入。
| 进入方法 | 退出方法 |
|---|---|
| Thread.sleep() 方法 | 时间结束 |
| 设置了 Timeout 参数的 Object.wait() 方法 | 时间结束 / Object.notify() / Object.notifyAll() |
| 设置了 Timeout 参数的 Thread.join() 方法 | 时间结束 / 被调用的线程执行完毕 |
| LockSupport.parkNanos() 方法 | - |
| LockSupport.parkUntil() 方法 | - |
1.6 死亡(Terminated)
可以是线程结束任务之后自己结束，或者产生了异常而结束。
1.7 完整的转换图
2. 线程使用方式
有三种使用线程的方法:
- 实现 Runnable 接口；
- 实现 Callable 接口；
- 继承 Thread 类。
实现 Runnable 和 Callable 接口的类只能当做一个可以在线程中运行的任务，不是真正意义上的线程，因此最后还需要通过 Thread 来调用。可以说任务是通过线程驱动从而执行的。
2.1 实现 Runnable 接口
需要实现 run() 方法。
通过 Thread 调用 start() 方法来启动线程。
public class MyRunnable implements Runnable {
public void run() {
// ...
}
}
public static void main(String[] args) {
MyRunnable instance = new MyRunnable();
Thread thread = new Thread(instance);
thread.start();
}
2.2 实现 Callable 接口
与 Runnable 相比，Callable 可以有返回值，返回值通过 FutureTask 进行封装。
public class MyCallable implements Callable<Integer> {
public Integer call() {
return 123;
}
}
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
MyCallable mc = new MyCallable();
FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(mc);
Thread thread = new Thread(ft);
thread.start();
System.out.println(ft.get());
}
2.3 继承 Thread 类
同样也是需要实现 run() 方法，因为 Thread 类也实现了 Runable 接口。
当调用 start() 方法启动一个线程时，虚拟机会将该线程放入就绪队列中等待被调度，当一个线程被调度时会执行该线程的 run() 方法。
public class MyThread extends Thread {
public void run() {
// ...
}
}
public static void main(String[] args) {
MyThread mt = new MyThread();
mt.start();
}
2.4 实现接口 VS 继承 Thread
实现接口会更好一些，因为:
- Java 不支持多重继承，因此继承了 Thread 类就无法继承其它类，但是可以实现多个接口；
- 类可能只要求可执行就行，继承整个 Thread 类开销过大。
3. 基础线程机制
3.1 Executor
Executor 管理多个异步任务的执行，而无需程序员显式地管理线程的生命周期。这里的异步是指多个任务的执行互不干扰，不需要进行同步操作。
主要有三种 Executor:
- CachedThreadPool: 一个任务创建一个线程；
- FixedThreadPool: 所有任务只能使用固定大小的线程；
- SingleThreadExecutor: 相当于大小为 1 的 FixedThreadPool。
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
executorService.execute(new MyRunnable());
}
executorService.shutdown();
}
3.2 Daemon
守护线程是程序运行时在后台提供服务的线程，不属于程序中不可或缺的部分。
当所有非守护线程结束时，程序也就终止，同时会杀死所有守护线程。
main() 属于非守护线程。
使用 setDaemon() 方法将一个线程设置为守护线程。
public static void main(String[] args) {
Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
thread.setDaemon(true);
}
3.3 sleep()
Thread.sleep(millisec) 方法会休眠当前正在执行的线程，millisec 单位为毫秒。
sleep() 可能会抛出 InterruptedException，因为异常不能跨线程传播回 main() 中，因此必须在本地进行处理。线程中抛出的其它异常也同样需要在本地进行处理。
public void run() {
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
3.4 yield()
对静态方法 Thread.yield() 的调用声明了当前线程已经完成了生命周期中最重要的部分，可以切换给其它线程来执行。该方法只是对线程调度器的一个建议，而且也只是建议具有相同优先级的其它线程可以运行。
public void run() {
Thread.yield();
}
4. 线程中断
一个线程执行完毕之后会自动结束，如果在运行过程中发生异常也会提前结束。
4.1 InterruptedException
通过调用一个线程的 interrupt() 来中断该线程，如果该线程处于阻塞、限期等待或者无限期等待状态，那么就会抛出 InterruptedException，从而提前结束该线程。但是不能中断 I/O 阻塞和 synchronized 锁阻塞。
对于以下代码，在 main() 中启动一个线程之后再中断它，由于线程中调用了 Thread.sleep() 方法，因此会抛出一个 InterruptedException，从而提前结束线程，不执行之后的语句。
public class InterruptExample {
private static class MyThread1 extends Thread {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(2000);
System.out.println("Thread run");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread1 = new MyThread1();
thread1.start();
thread1.interrupt();
System.out.println("Main run");
}
Main run
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
at InterruptExample.lambda$main$0(InterruptExample.java:5)
at InterruptExample$$Lambda$1/713338599.run(Unknown Source)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
4.2 interrupted()
如果一个线程的 run() 方法执行一个无限循环，并且没有执行 sleep() 等会抛出 InterruptedException 的操作，那么调用线程的 interrupt() 方法就无法使线程提前结束。
但是调用 interrupt() 方法会设置线程的中断标记，此时调用 interrupted() 方法会返回 true。因此可以在循环体中使用 interrupted() 方法来判断线程是否处于中断状态，从而提前结束线程。
public class InterruptExample {
private static class MyThread2 extends Thread {
@Override
public void run() {
while (!interrupted()) {
// ..
}
System.out.println("Thread end");
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread2 = new MyThread2();
thread2.start();
thread2.interrupt();
}
Thread end
4.3 Executor 的中断操作
调用 Executor 的 shutdown() 方法会等待线程都执行完毕之后再关闭，但是如果调用的是 shutdownNow() 方法，则相当于调用每个线程的 interrupt() 方法。
以下使用 Lambda 创建线程，相当于创建了一个匿名内部线程。
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(() -> {
try {
Thread.sleep(2000);
System.out.println("Thread run");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
executorService.shutdownNow();
System.out.println("Main run");
}
Main run
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
at ExecutorInterruptExample.lambda$main$0(ExecutorInterruptExample.java:9)
at ExecutorInterruptExample$$Lambda$1/1160460865.run(Unknown Source)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
如果只想中断 Executor 中的一个线程，可以通过使用 submit() 方法来提交一个线程，它会返回一个 Future<?> 对象，通过调用该对象的 cancel(true) 方法就可以中断线程。
Future<?> future = executorService.submit(() -> {
// ..
});
future.cancel(true);
5. 线程互斥同步
Java 提供了两种锁机制来控制多个线程对共享资源的互斥访问，第一个是 JVM 实现的 synchronized，而另一个是 JDK 实现的 ReentrantLock。
5.1 synchronized
5.1.1 同步一个代码块
public void func() {
synchronized (this) {
// ...
}
}
它只作用于同一个对象，如果调用两个对象上的同步代码块，就不会进行同步。
对于以下代码，使用 ExecutorService 执行了两个线程，由于调用的是同一个对象的同步代码块，因此这两个线程会进行同步，当一个线程进入同步语句块时，另一个线程就必须等待。
public class SynchronizedExample {
public void func1() {
synchronized (this) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.print(i + " ");
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(() -> e1.func1());
executorService.execute(() -> e1.func1());
}
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
对于以下代码，两个线程调用了不同对象的同步代码块，因此这两个线程就不需要同步。从输出结果可以看出，两个线程交叉执行。
public static void main(String[] args) {
SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(() -> e1.func1());
executorService.execute(() -> e2.func1());
}
0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9
5.1.2 同步一个方法
public synchronized void func () {
// ...
}
它和同步代码块一样，作用于同一个对象。
5.1.3 同步一个类
public void func() {
synchronized (SynchronizedExample.class) {
// ...
}
}
作用于整个类，也就是说两个线程调用同一个类的不同对象上的这种同步语句，也会进行同步。
public class SynchronizedExample {
public void func2() {
synchronized (SynchronizedExample.class) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.print(i + " ");
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(() -> e1.func2());
executorService.execute(() -> e2.func2());
}
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
5.1.4 同步一个静态方法
public synchronized static void fun() {
// ...
}
作用于整个类。
5.2 ReentrantLock
ReentrantLock 是 java.util.concurrent(J.U.C)包中的锁。
public class LockExample {
private Lock lock = new ReentrantLock();
public void func() {
lock.lock();
try {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.print(i + " ");
}
} finally {
lock.unlock(); // 确保释放锁，从而避免发生死锁。
}
}
}
public static void main(String[] args) {
LockExample lockExample = new LockExample();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(() -> lockExample.func());
executorService.execute(() -> lockExample.func());
}
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
5.3 比较
1. 锁的实现
synchronized 是 JVM 实现的，而 ReentrantLock 是 JDK 实现的。
2. 性能
新版本 Java 对 synchronized 进行了很多优化，例如自旋锁等，synchronized 与 ReentrantLock 大致相同。
3. 等待可中断
当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情。
ReentrantLock 可中断，而 synchronized 不行。
4. 公平锁
公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁。
synchronized 中的锁是非公平的，ReentrantLock 默认情况下也是非公平的，但是也可以是公平的。
5. 锁绑定多个条件
一个 ReentrantLock 可以同时绑定多个 Condition 对象。
5.4 使用选择
除非需要使用 ReentrantLock 的高级功能，否则优先使用 synchronized。这是因为 synchronized 是 JVM 实现的一种锁机制，JVM 原生地支持它，而 ReentrantLock 不是所有的 JDK 版本都支持。并且使用 synchronized 不用担心没有释放锁而导致死锁问题，因为 JVM 会确保锁的释放。
也不能滥用
6. 线程之间的协作
当多个线程可以一起工作去解决某个问题时，如果某些部分必须在其它部分之前完成，那么就需要对线程进行协调。
6.1 join()
在线程中调用另一个线程的 join() 方法，会将当前线程挂起，而不是忙等待，直到目标线程结束。
对于以下代码，虽然 b 线程先启动，但是因为在 b 线程中调用了 a 线程的 join() 方法，b 线程会等待 a 线程结束才继续执行，因此最后能够保证 a 线程的输出先于 b 线程的输出。
public class JoinExample {
private class A extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("A");
}
}
private class B extends Thread {
private A a;
B(A a) {
this.a = a;
}
@Override
public void run() {
try {
a.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("B");
}
}
public void test() {
A a = new A();
B b = new B(a);
b.start();
a.start();
}
}
public static void main(String[] args) {
JoinExample example = new JoinExample();
example.test();
}
A
B
6.2 wait() notify() notifyAll()
调用 wait() 使得线程等待某个条件满足，线程在等待时会被挂起，当其他线程的运行使得这个条件满足时，其它线程会调用 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程。
它们都属于 Object 的一部分，而不属于 Thread。
只能用在同步方法或者同步控制块中使用，否则会在运行时抛出 IllegalMonitorStateExeception。
使用 wait() 挂起期间，线程会释放锁。这是因为，如果没有释放锁，那么其它线程就无法进入对象的同步方法或者同步控制块中，那么就无法执行 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程，造成死锁。
public class WaitNotifyExample {
public synchronized void before() {
System.out.println("before");
notifyAll();
}
public synchronized void after() {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("after");
}
}
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
WaitNotifyExample example = new WaitNotifyExample();
executorService.execute(() -> example.after());
executorService.execute(() -> example.before());
}
before
after
6.2.1 wait() 和 sleep() 的区别
- wait() 是 Object 的方法，而 sleep() 是 Thread 的静态方法；
- wait() 会释放锁，sleep() 不会。
6.3 await() signal() signalAll()
java.util.concurrent 类库中提供了 Condition 类来实现线程之间的协调，可以在 Condition 上调用 await() 方法使线程等待，其它线程调用 signal() 或 signalAll() 方法唤醒等待的线程。相比于 wait() 这种等待方式，await() 可以指定等待的条件，因此更加灵活。
使用 Lock 来获取一个 Condition 对象。
public class AwaitSignalExample {
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition = lock.newCondition();
public void before() {
lock.lock();
try {
System.out.println("before");
condition.signalAll();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void after() {
lock.lock();
try {
condition.await();
System.out.println("after");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
AwaitSignalExample example = new AwaitSignalExample();
executorService.execute(() -> example.after());
executorService.execute(() -> example.before());
}
before
after