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JUC (1) : 线程基础

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一、Java 多线程相关概念

1.1 进程

进程是程序的一次执行，是系统进行资源分配和调度的独立单位，每一个进程都有它的内存空间和系统资源。

进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

进程具有的特征：

  • 动态性：进程是程序的一次执行过程，是临时的，有生命期的，是动态产生，动态消亡的
  • 并发性：任何进程都可以同其他进行一起并发执行
  • 独立性：进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
  • 结构性：进程由程序，数据和进程控制块三部分组成

我们经常使用windows系统，经常会看见.exe后缀的文件，双击这个.exe文件的时候，这个文件中的指令就会被系统加载，那么我们就能得到一个关于这个.exe程序的进程。进程是活的，或者说是正在被执行的。

1.2 线程

在同⼀个进程内⼜可以执⾏多个任务，⽽这每⼀个任务我们就可以看做是⼀个线程 ⼀个进程会有1个或多个线程的

线程是轻量级的进程，是程序执行的最小单元，使用多线程而不是多进程去进行并发程序的设计，是因为线程间的切换和调度的成本远远小于进程。

归纳起来：

操作系统可以同时执行多个任务，每个任务就是进程；

进程可以同时执行多个任务，每个任务就是线程。

1.3 管程

Monitor(监视器)，也就是我们平时所说的锁

// Monitor其实是一种同步机制，他的义务是保证（同一时间）只有一个线程可以访问被保护的数据和代码。
// JVM中同步是基于进入和退出监视器对象(Monitor,管程对象)来实现的，每个对象实例都会有一个Monitor对象，
Object o = new Object();
new Thread(() -> {
    synchronized (o)
    {
    }
},"t1").start();
// Monitor对象会和Java对象一同创建并销毁，它底层是由C++语言来实现的。

1.4 线程状态

// Thread.State
public enum State {
    NEW,(新建)
    RUNNABLE,（准备就绪）
    BLOCKED,（阻塞）
    WAITING,（不见不散）
    TIMED_WAITING,（过时不候）
    TERMINATED;(终结)
}

线程几个状态的介绍：

  • New：表示刚刚创建的线程，这种线程还没有开始执行
  • RUNNABLE：运行状态，线程的start()方法调用后，线程会处于这种状态
  • BLOCKED：阻塞状态。当线程在执行的过程中遇到了synchronized同步块，但这个同步块被其他线程已获取还未释放时，当前线程将进入阻塞状态，会暂停执行，直到获取到锁。当线程获取到锁之后，又会进入到运行状态（RUNNABLE）
  • WAITING：等待状态。和TIME_WAITING都表示等待状态，区别是WAITING会进入一个无时间限制的等，而TIME_WAITING会进入一个有限的时间等待，那么等待的线程究竟在等什么呢？一般来说，WAITING的线程正式在等待一些特殊的事件，比如，通过wait()方法等待的线程在等待notify()方法，而通过join()方法等待的线程则会等待目标线程的终止。一旦等到期望的事件，线程就会再次进入RUNNABLE运行状态。
  • TERMINATED：表示结束状态，线程执行完毕之后进入结束状态。

注意：从NEW状态出发后，线程不能在回到NEW状态，同理，处理TERMINATED状态的线程也不能在回到RUNNABLE状态

1.5 wait、sleep 的区别是什么？

功能都是当前线程暂停，有什么区别？

wait放开手去睡，放开手里的锁。调用它的前提是当前线程占有锁。

sleep握紧手去睡，醒了手里还有锁，不会释放锁，不需要占用锁。

二、线程的基本操作

2.1 新建线程

新建一个线程，我们需要新建一个类，继承 Thread 接口，然后调用这个类的 start（）启动线程即可。

Thread thread1 = new Thread1();
t1.start();

那么线程start()之后，会干什么呢？线程有个run()方法，start()会创建一个新的线程并让这个线程执行run()方法。

这里需要注意，下面代码也能通过编译，也能正常执行。但是，却不能新建一个线程，而是在当前线程中调用run()方法，将run方法只是作为一个普通的方法调用。

Thread thread = new Thread1();
thread1.run();

所以，希望大家注意，调用start方法和直接调用run方法的区别。

start方法是启动一个线程，run方法只会在垫钱线程中串行的执行run方法中的代码。

默认情况下， 线程的run方法什么都没有，启动一个线程之后马上就结束了，所以如果你需要线程做点什么，需要把您的代码写到run方法中，所以必须重写run方法。

Thread thread1 = new Thread() {            
    @Override            
    public void run() {                
        System.out.println("hello,我是一个线程!");            
    }        
};thread1.start();

上面是使用匿名内部类实现的，重写了Thread的run方法，并且打印了一条信息。**我们可以通过继承Thread类，然后重写run方法，来自定义一个线程。**但考虑java是单继承的，从扩展性上来说，我们实现一个接口来自定义一个线程更好一些，java中刚好提供了Runnable接口来自定义一个线程。

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

Thread类有一个非常重要的构造方法：

public Thread(Runnable target)

我们在看一下Thread的run方法：

public void run() {        if (target != null) {            target.run();        }    }

当我们启动线程的start方法之后，线程会执行run方法，run方法中会调用Thread构造方法传入的target的run方法。

实现Runnable接口是比较常见的做法，也是推荐的做法。

2、终止线程

一般来说线程执行完毕就会结束，无需手动关闭。但是如果我们想关闭一个正在运行的线程，有什么方法呢？可以看一下Thread类中提供了一个stop()方法，调用这个方法，就可以立即将一个线程终止，非常方便。

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@Slf4j
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                log.info("start");
                boolean flag = true;
                while (flag) {
                    ;
                }
                log.info("end");
            }
        };
        thread1.setName("thread1");
        thread1.start();
        //当前线程休眠1秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //关闭线程thread1
        thread1.stop();
        //输出线程thread1的状态
        log.info("{}", thread1.getState());
        //当前线程休眠1秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //输出线程thread1的状态
        log.info("{}", thread1.getState());
    }
}

运行代码，输出

18:02:15.312 [thread1] INFO com.itsoku.chat01.Demo01 - start
18:02:16.311 [main] INFO com.itsoku.chat01.Demo01 - RUNNABLE
18:02:17.313 [main] INFO com.itsoku.chat01.Demo01 - TERMINATED

代码中有个死循环，调用stop方法之后，线程thread1的状态变为TERMINATED（结束状态），线程停止了。

我们使用idea或者eclipse的时候，会发现这个方法是一个废弃的方法，也就是说，在将来，jdk可能就会移除该方法。

stop方法为何会被废弃而不推荐使用？stop方法过于暴力，强制把正在执行的方法停止了。

大家是否遇到过这样的场景：电力系统需要维修，此时咱们正在写代码，维修人员直接将电源关闭了，代码还没保存的，是不是很崩溃，这种方式就像直接调用线程的stop方法类似。线程正在运行过程中，被强制结束了，可能会导致一些意想不到的后果。可以给大家发送一个通知，告诉大家保存一下手头的工作，将电脑关闭。

2.3 线程中断

在java中，线程中断是一种重要的线程写作机制，从表面上理解，中断就是让目标线程停止执行的意思，实际上并非完全如此。在上面中，我们已经详细讨论了stop方法停止线程的坏处，jdk中提供了更好的中断线程的方法。严格的说，线程中断并不会使线程立即退出，而是给线程发送一个通知，告知目标线程，有人希望你退出了！至于目标线程接收到通知之后如何处理，则完全由目标线程自己决定，这点很重要，如果中断后，线程立即无条件退出，我们又会到stop方法的老问题。

Thread提供了3个与线程中断有关的方法，这3个方法容易混淆，大家注意下：

public void interrupt() //中断线程
public boolean isInterrupted() //判断线程是否被中断
public static boolean interrupted()  //判断线程是否被中断，并清除当前中断状态

interrupt()方法是一个实例方法，它通知目标线程中断，也就是设置中断标志位为true，中断标志位表示当前线程已经被中断了。isInterrupted()方法也是一个实例方法，它判断当前线程是否被中断（通过检查中断标志位）。最后一个方法interrupted()是一个静态方法，返回boolean类型，也是用来判断当前线程是否被中断，但是同时会清除当前线程的中断标志位的状态。

while (true) {
            if (this.isInterrupted()) {
                System.out.println("我要退出了!");
                break;
            }
        }
    }
};
thread1.setName("thread1");
thread1.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
thread1.interrupt();

上面代码中有个死循环，interrupt()方法被调用之后，线程的中断标志将被置为true，循环体中通过检查线程的中断标志是否为ture（this.isInterrupted()）来判断线程是否需要退出了。

再看一种中断的方法：

static volatile boolean isStop = false;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread thread1 = new Thread() {
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                if (isStop) {
                    System.out.println("我要退出了!");
                    break;
                }
            }
        }
    };
    thread1.setName("thread1");
    thread1.start();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    isStop = true;
}

代码中通过一个变量isStop来控制线程是否停止。

通过变量控制和线程自带的interrupt方法来中断线程有什么区别呢？

如果一个线程调用了sleep方法，一直处于休眠状态，通过变量控制，还可以中断线程么？大家可以思考一下。

此时只能使用线程提供的interrupt方法来中断线程了。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread thread1 = new Thread() {
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                //休眠100秒
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("我要退出了!");
                break;
            }
        }
    };
    thread1.setName("thread1");
    thread1.start();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    thread1.interrupt();
}

调用interrupt()方法之后，线程的sleep方法将会抛出InterruptedException异常。

Thread thread1 = new Thread() {
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            //休眠100秒
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            if (this.isInterrupted()) {
                System.out.println("我要退出了!");
                break;
            }
        }
    }
};

运行上面的代码，发现程序无法终止。为什么？

代码需要改为：

Thread thread1 = new Thread() {
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            //休眠100秒
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                this.interrupt();
                e.printStackTrace();
            }
            if (this.isInterrupted()) {
                System.out.println("我要退出了!");
                break;
            }
        }
    }
};

上面代码可以终止。

注意：sleep方法由于中断而抛出异常之后，线程的中断标志会被清除（置为false），所以在异常中需要执行this.interrupt()方法，将中断标志位置为true

2.4 等待（wait）和通知（notify）

为了支持多线程之间的协作，JDK提供了两个非常重要的方法：等待wait()方法和通知notify()方法。这2个方法并不是在Thread类中的，而是在Object类中定义的。这意味着所有的对象都可以调用者两个方法。

public final void wait() throws InterruptedException;
public final native void notify();

当在一个对象实例上调用wait()方法后，当前线程就会在这个对象上等待。这是什么意思？比如在线程A中，调用了obj.wait()方法，那么线程A就会停止继续执行，转为等待状态。等待到什么时候结束呢？线程A会一直等到其他线程调用obj.notify()方法为止，这时，obj对象成为了多个线程之间的有效通信手段。

那么wait()方法和notify()方法是如何工作的呢？如图2.5展示了两者的工作过程。如果一个线程调用了object.wait()方法，那么它就会进出object对象的等待队列。这个队列中，可能会有多个线程，因为系统可能运行多个线程同时等待某一个对象。当object.notify()方法被调用时，它就会从这个队列中随机选择一个线程，并将其唤醒。这里希望大家注意一下，这个选择是不公平的，并不是先等待线程就会优先被选择，这个选择完全是随机的。

除notify()方法外，Object独享还有一个nofiyAll()方法，它和notify()方法的功能类似，不同的是，它会唤醒在这个等待队列中所有等待的线程，而不是随机选择一个。

这里强调一点，Object.wait()方法并不能随便调用。它必须包含在对应的synchronize语句汇总，无论是wait()方法或者notify()方法都需要首先获取目标独享的一个监视器。图2.6显示了wait()方法和nofiy()方法的工作流程细节。其中T1和T2表示两个线程。T1在正确执行wait()方法钱，必须获得object对象的监视器。而wait()方法在执行后，会释放这个监视器。这样做的目的是使其他等待在object对象上的线程不至于因为T1的休眠而全部无法正常执行。

线程T2在notify()方法调用前，也必须获得object对象的监视器。所幸，此时T1已经释放了这个监视器，因此，T2可以顺利获得object对象的监视器。接着，T2执行了notify()方法尝试唤醒一个等待线程，这里假设唤醒了T1。T1在被唤醒后，要做的第一件事并不是执行后续代码，而是要尝试重新获得object对象的监视器，而这个监视器也正是T1在wait()方法执行前所持有的那个。如果暂时无法获得，则T1还必须等待这个监视器。当监视器顺利获得后，T1才可以在真正意义上继续执行。

给大家上个例子：

public class Demo06 {
    static Object object = new Object();
    public static class T1 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":T1 start!");
                try {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":T1 wait for object");
                    object.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":T1 end!");
            }
        }
    }
    public static class T2 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":T2 start，notify one thread! ");
                object.notify();
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":T2 end!");
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new T1().start();
        new T2().start();
    }
}

运行结果：

1562934497212:T1 start!
1562934497212:T1 wait for object
1562934497212:T2 start，notify one thread!
1562934497212:T2 end!
1562934499213:T1 end!

注意下打印结果，T2调用notify方法之后，T1并不能立即继续执行，而是要等待T2释放objec投递锁之后，T1重新成功获取锁后，才能继续执行。因此最后2行日志相差了2秒（因为T2调用notify方法后休眠了2秒）。

注意：Object.wait()方法和Thread.sleep()方法都可以让现场等待若干时间。除wait()方法可以被唤醒外，另外一个主要的区别就是wait()方法会释放目标对象的锁，而Thread.sleep()方法不会释放锁。

再给大家讲解一下wait()，notify()，notifyAll()，加深一下理解：

可以这么理解，obj对象上有2个队列，如图1，q1：等待队列，q2：准备获取锁的队列；两个队列都为空。

2.5 挂起（suspend）和继续执行（resume）

Thread类中还有2个方法，即线程挂起(suspend) 和 继续执行(resume) ，这2个操作是一对相反的操作，被挂起的线程，必须要等到resume()方法操作后，才能继续执行。系统中已经标注着2个方法过时了，不推荐使用。

系统不推荐使用suspend()方法去挂起线程是因为suspend()方法导致线程暂停的同时，并不会释放任何锁资源。此时，其他任何线程想要访问被它占用的锁时，都会被牵连，导致无法正常运行（如图2.7所示）。直到在对应的线程上进行了resume()方法操作，被挂起的线程才能继续，从而其他所有阻塞在相关锁上的线程也可以继续执行。但是，如果resume()方法操作意外地在suspend()方法前就被执行了，那么被挂起的线程可能很难有机会被继续执行了。并且，更严重的是：它所占用的锁不会被释放，因此可能会导致整个系统工作不正常。而且，对于被挂起的线程，从它线程的状态上看，居然还是Runnable状态，这也会影响我们队系统当前状态的判断。

public class Demo07 {
    static Object object = new Object();
    public static class T1 extends Thread {
        public T1(String name) {
            super(name);
        }
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                System.out.println("in " + this.getName());
                Thread.currentThread().suspend();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T1 t1 = new T1("t1");
        t1.start();
        Thread.sleep(100);
        T1 t2 = new T1("t2");
        t2.start();
        t1.resume();
        t2.resume();
        t1.join();
        t2.join();
    }
}

运行代码输出：

in t1
in t2

我们会发现程序不会结束，线程t2被挂起了，导致程序无法结束，使用jstack命令查看线程堆栈信息可以看到：

"t2" #13 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000002796c000 nid=0xa3c runnable [0x000000002867f000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
        at java.lang.Thread.suspend0(Native Method)
        at java.lang.Thread.suspend(Thread.java:1029)
        at com.itsoku.chat01.Demo07$T1.run(Demo07.java:20)
        - locked <0x0000000717372fc0> (a java.lang.Object)

发现t2线程在suspend0处被挂起了，t2的状态竟然还是RUNNABLE状态，线程明明被挂起了，状态还是运行中容易导致我们队当前系统进行误判，代码中已经调用resume()方法了，但是由于时间先后顺序的缘故，resume并没有生效，这导致了t2永远滴被挂起了，并且永远占用了object的锁，这对于系统来说可能是致命的。

2.6 等待线程结束（join）和谦让（yeild）

很多时候，一个线程的输入可能非常依赖于另外一个或者多个线程的输出，此时，这个线程就需要等待依赖的线程执行完毕，才能继续执行。jdk提供了join()操作来实现这个功能。如下所示，显示了2个join()方法：

public final void join() throws InterruptedException;
public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException;

第1个方法表示无限等待，它会一直只是当前线程。知道目标线程执行完毕。

第2个方法有个参数，用于指定等待时间，如果超过了给定的时间目标线程还在执行，当前线程也会停止等待，而继续往下执行。

比如：线程T1需要等待T2、T3完成之后才能继续执行，那么在T1线程中需要分别调用T2和T3的join()方法。

上个示例：

public class Demo08 {
    static int num = 0;
    public static class T1 extends Thread {
        public T1(String name) {
            super(name);
        }
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + ",start " + this.getName());
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                num++;
                try {
                    Thread.sleep(200);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + ",end " + this.getName());
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T1 t1 = new T1("t1");
        t1.start();
        t1.join();
        System.out.println(System.currentTimeMillis() + ",num = " + num);
    }
}

执行结果：

1562939889129,start t1
1562939891134,end t1
1562939891134,num = 10

num的结果为10，1、3行的时间戳相差2秒左右，说明主线程等待t1完成之后才继续执行的。

看一下jdk1.8中Thread.join()方法的实现：

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 {
        while (isAlive()) {
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}

从join的代码中可以看出，在被等待的线程上使用了synchronize，调用了它的wait()方法，线程最后执行完毕之后，系统会自动调用它的notifyAll()方法，唤醒所有在此线程上等待的其他线程。

注意：被等待的线程执行完毕之后，系统自动会调用该线程的notifyAll()方法。所以一般情况下，我们不要去在线程对象上使用wait()、notify()、notifyAll()方法。

另外一个方法是Thread.yield() ，他的定义如下：

public static native void yield();

yield是谦让的意思，这是一个静态方法，一旦执行，它会让当前线程出让CPU，但需要注意的是，出让CPU并不是说不让当前线程执行了，当前线程在出让CPU后，还会进行CPU资源的争夺，但是能否再抢到CPU的执行权就不一定了。因此，对Thread.yield()方法的调用好像就是在说：我已经完成了一些主要的工作，我可以休息一下了，可以让CPU给其他线程一些工作机会了。

如果觉得一个线程不太重要，或者优先级比较低，而又担心此线程会过多的占用CPU资源，那么可以在适当的时候调用一下Thread.yield()方法，给与其他线程更多的机会。

2.7 总结

  1. 创建线程的2中方式：继承Thread类；实现Runnable接口
  2. 启动线程：调用线程的start()方法
  3. 终止线程：调用线程的stop()方法，方法已过时，建议不要使用
  4. 线程中断相关的方法：调用线程实例interrupt()方法将中断标志置为true；使用**线程实例方法isInterrupted()获取中断标志；调用Thread的静态方法interrupted()**获取线程是否被中断，此方法调用之后会清除中断标志（将中断标志置为false了）
  5. wait、notify、notifyAll方法，这块比较难理解，可以回过头去再理理
  6. 线程挂起使用线程实例方法suspend()，恢复线程使用线程实例方法resume()，这2个方法都过时了，不建议使用
  7. 等待线程结束：调用线程实例方法join()
  8. 出让cpu资源：调用线程静态方法yeild()
  9. 守护线程，可以调用 thread 的setDaemon(true)
  10. 改变线程的优先级：setPriority（），参数是一个1-10 的整数，10是最大的。高优先级的机会大点。

三、线程通信

当线程在系统内运行时，线程的调度具有一定的透明性，程序通常无法准确控制线程的轮换执行，但 Java 也提供了一些机制来保证线程协调运行。

3.1 传统的线程通信

通常使用 Object 类中 的 wait 、notify、notifyall 三个方法，然后使用同步监视器对象来调用。

  • wait：导致当前线程等待，知道其他线程调用该同步监视器的 notify 方法或 notifyAll 方法来唤醒该线程。该 wait 方法有三种形式--无时间参数的 wait和带毫秒参数的 wait、带毫秒、毫微秒的wait。
  • notify：唤醒此同步监视器上等待的单个线程。如果多个线程在等待，唤醒是随机的。
  • notifyAll：唤醒此同步监视器上等待的所有线程。

3.2 使用 Condition 控制线程通信

如果程序不适用 synchronized 关键字来保证同步，而是直接使用 lock 对象来保证同步，则系统中不存在隐式的同步监视器，就不能使用 传统的线程通信。

当使用 lock 对象来保证同步时，Java 提供了一个 Condition 类来保持协调。

  • await（）：使得当前线程等待，知道其他线程调用 signal 或 signalAll 来唤醒该线程。
  • signal（）：唤醒在此 lock 对象上等待的单个线程，选择是任意的。
  • signalAll（）：唤醒在此 lock 对象上等待的所有线程。

3.3 使用阻塞队列控制线程通信

使用 BlockingQueue 也可以完成线程通信。

一个线程往里面存储数据，当队列满的时候就停止存放。

另一个线程往队列取出数据，当队列空的时候就停止获取，进入阻塞。

转载自:https://juejin.cn/post/7127667931987181604
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