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标题: Java的线程 [打印本页]
作者: 瑞星    时间: 2023-5-14 12:25
标题: Java的线程
介绍线程

线程是系统调度的最小单元，一个进程可以包含多个线程，线程是负责执行二进制指令的。
每个线程有自己的程序计数器、栈（Stack）、寄存器（Register）、本地存储（Thread Local）等，但是会和进程内其他线程共享文件描述符、虚拟地址空间等。
对于任何一个进程来讲，即便我们没有主动去创建线程，进程也是默认有一个主线程的。
守护线程（Daemon Thread）
有的时候应用中需要一个长期驻留的服务程序，但是不希望这个服务程序影响应用退出，那么我们就可以将这个服务程序设置为守护线程，如果 Java 虚拟机发现只有守护线程存在时，将结束进程。
在 Java 中将线程设置为守护线程，具体的实现代码如下所示：
  1. public static void main(String[] args) {
  2.     Thread daemonThread = new Thread();
  3.     // 必须在线程启动之前设置
  4.     daemonThread.setDaemon(true);
  5.     daemonThread.start();
  6. }
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通用的线程生命周期

在操作系统层面，线程有生命周期。
对于有生命周期的事物，要学好它，只要能搞懂生命周期中各个节点的状态转换机制就可以了。
通用的线程生命周期基本上可以用下图这个 “五态模型” 来描述。这五态分别是：初始状态、可运行状态、运行状态、休眠状态和终止状态。

这“五态模型”的详细情况如下所示。
初始状态
初始状态，指的是线程已经被创建，但是还不允许被 CPU 调度。
初始状态属于编程语言特有的，这里所谓的被创建，仅仅是在编程语言层面被创建，而在操作系统层面，真正的线程还没有被创建。
在 Java 中，初始状态相当于是创建了 Thread 类的对象，但是还没有调用 Thread#start() 方法。
可运行状态
可运行状态，指的是线程可以被操作系统调度，但是线程还没有开始执行。
在可运行状态下，真正的操作系统线程已经被创建。多个线程处于可运行状态时，操作系统会根据调度算法选择一个线程运行。
在 Java 中，可运行状态相当于是调用了 Thread#start() 方法，但是线程还没有被分配 CPU 执行。
运行状态
当有空闲的 CPU 时，操作系统会将空闲的 CPU 分配给一个处于可运行状态的线程，被分配到 CPU 的线程的状态就从可运行状态转换成了运行状态。
在 Java 中，运行状态相当于是调用了 Thread#start() 方法，并且线程被分配 CPU 执行。
休眠状态
如果运行状态的线程调用了一个阻塞的 API（例如以阻塞的方式读取文件）或者等待某个事件（例如条件变量），那么线程的状态就会从运行状态转换到休眠状态，同时释放 CPU 的使用权，休眠状态的线程永远没有机会获得 CPU 的使用权。
当等待的资源或条件满足后，线程就会从休眠状态转换到可运行状态，并等待 CPU 调度。
终止状态
线程执行完毕或者出现异常，线程就会进入终止状态，即线程的生命周期终止。
这五种状态在不同编程语言里会有简化合并。例如：
除了简化合并，这五种状态也有可能被细化，比如，Java 语言里就细化了休眠状态（这个下面我们会详细讲解）。
Java 的线程生命周期

不同的程序设计语言对于操作系统线程进行了不同的封装，下面我们学习一下 Java 的线程生命周期。
Java 程序设计语言中，线程共有六种状态，分别是：
NEW（初始状态）、TERMINATED（终止状态）和通用的线程生命周期中的语义相同。
在操作系统层面，Java 线程中的 BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 是一种状态，即通用的线程生命周期中的休眠状态。也就是说只要 Java 线程处于这三种状态之一，那么这个线程就永远没有机会获得 CPU 的使用权。
所以 Java 中的线程生命周期可以简化为下图：

其中，可以将 BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 理解为导致线程处于休眠状态的三种原因。
下面我们详细讲解。
Java 的线程状态切换

从 NEW 到 RUNNABLE 状态

刚创建 Thread 类的对象时，线程处于 NEW 状态。
NEW 状态的线程，不会被操作系统调度，因此不会执行。Java 线程要执行，就必须转换到 RUNNABLE 状态。
从 NEW 状态转换到 RUNNABLE 状态只要调用线程对象的 start() 方法就可以了，具体的实现代码如下所示：
  1. public static void main(String[] args) {
  2.     Thread thread = new Thread(new Runnable() {
  3.         @Override
  4.         public void run() {
  5.             System.out.println("hello");
  6.         }
  7.     });
  8.     thread.start();
  9. }
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从 RUNNABLE 到 TERMINATED 状态

线程执行完 Thrad#run() 方法后，会自动从 RUNNABLE 状态转换到 TERMINATED 状态。
如果执行 run() 方法的时候异常了抛出，也会导致线程终止，进入 TERMINATED 状态 。
1. RUNNABLE 与 BLOCKED 的状态转换

只有一种场景会触发 RUNNABLE 与 BLOCKED 的状态转换，就是线程等待 synchronized 的隐式锁。
如果你熟悉操作系统线程的生命周期的话，可能会有个疑问：线程调用阻塞式 API 时，是否会转换到 BLOCKED 状态呢？在操作系统层面，线程是会转换到休眠状态的，但是在 Java 虚拟机层面，Java 线程的状态不会发生变化，也就是说 Java 线程的状态会依然保持 RUNNABLE 状态。
Java 虚拟机层面并不关心操作系统调度相关的状态，因为在 Java 虚拟机看来，等待 CPU 的使用权（操作系统层面此时处于可执行状态）与等待 I/O（操作系统层面此时处于休眠状态）没有区别，都是在等待某个资源，所以都归入了 RUNNABLE 状态。
而我们说的 Java 线程在调用阻塞式 API 时，线程会阻塞，指的是操作系统线程的状态，并不是 Java 线程的状态。
2. RUNNABLE 与 WAITING 的状态转换

总体来说，有三种场景会触发 RUNNABLE 与 WAITING 的状态转换。
第一种场景，获得 synchronized 隐式锁的线程，调用无参数的 Object#wait() 方法。
这里应该调用的是锁对象的 wait() 方法，具体的实现代码如下所示：
  1. public void method() throws InterruptedException {
  2.     synchronized (this) {
  3.         this.wait();
  4.     }
  5. }
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第二种场景，调用无参数的 Thread#join() 方法。
join() 是一种线程同步方法，例如有一个线程对象 thread A：
Thread#join() 方法的实现基于 Object#wait()。
第三种场景，调用 LockSupport#park() 方法。
LockSupport 类，也许你有点陌生，其实 Java 并发包中锁的实现都用到了 LockSupport#park() / unpark()。
总结来说：Object#wait() 和 LockSupport#park() 方法使线程的状态转换到 WAITING。
3. RUNNABLE 与 TIMED_WAITING 的状态转换

总体来说，有五种场景会触发 RUNNABLE 与 TIMED_WAITING 的状态转换：
这里你会发现：
Java 线程 API 的使用

线程的创建

创建线程的几种方式：
「实现 Runnable 接口」VS「继承 Thread 类」
「实现 Callable 接口」VS「实现 Runnable 接口」
  1. // 自定义线程对象
  2. class MyThread extends Thread {
  3.     public void run() {
  4.         // 线程需要执行的代码
  5.         ......
  6.     }
  7. }
  9. // 创建线程对象
  10. MyThread myThread = new MyThread();
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  1. // 实现Runnable接口
  2. class Runner implements Runnable {
  3.     @Override
  4.     public void run() {
  5.         // 线程需要执行的代码
  6.         ......
  7.     }
  8. }
  10. // 创建线程对象
  11. Thread thread = new Thread(new Runner());
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  1. public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
  2.     MyTask task = new MyTask();
  3.     // FutureTask 用于接收运算结果
  4.     FutureTask futureTask = new FutureTask<>(task);
  5.     Thread thread = new Thread(futureTask);
  7.     thread.start();
  8.         // FutureTask 可用于线程间同步 (当前线程等待其他线程执行完成之后，当前线程才继续执行)
  9.     // get() 返回值即为 FutureTask 构造器参数 Callable 实现类实现的 call() 的返回值
  10.     System.out.println(futureTask.get());
  11. }
  13. public class MyTask implements Callable {
  14.     @Override
  15.     public String call() {
  16.         // 若不需要返回值，可 return null;
  17.         return "ok";
  18.     }
  19. }
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线程的执行

创建好 Thread 类的对象后，通过调用 Thread#start() 方法创建线程执行任务。
线程执行要调用 start() 而不是直接调用 run()，直接调用 run() 方法只会在当前线程上同步执行 run() 方法的内容，而不会启动新线程。调用 start() 方法的作用：
线程的停止

有时候我们需要强制中断 run() 方法的执行，例如 run() 方法访问一个很慢的网络，我们等不下去了，想终止怎么办呢？Java 的 Thread 类里面倒是有个 stop() 方法，不过已经标记为 @Deprecated，所以不建议使用了。正确的方式是调用 interrupt() 方法。Thread#interrupt() 配合合适的代码，即可优雅的实现线程的终止。
stop() 和 interrupt() 方法的区别。
异常
当线程 A 处于 WAITING、TIMED_WAITING 状态时，如果其他的线程调用线程 A 的 interrupt() 方法，会使线程 A 返回到 RUNNABLE 状态，同时线程 A 的代码会触发 InterruptedException 异常。
上面我们提到转换到 WAITING、TIMED_WAITING 状态的触发条件，都是调用了类似 wait()、join()、sleep() 这样的方法，我们看这些方法的签名，发现都会 throws InterruptedException 这个异常。这个异常的触发条件就是：其他的线程调用了该线程的 interrupt() 方法。
当线程 A 处于 RUNNABLE 状态时：
上面这两种情况属于被中断的线程通过异常的方式获得了通知。
主动检测
还有一种是主动检测，如果线程处于 RUNNABLE 状态，并且没有阻塞在某个 I/O 操作上，例如中断计算圆周率的线程 A，这时就得依赖线程 A 主动检测中断状态了。如果其他的线程调用线程 A 的 interrupt() 方法，那么线程 A 可以通过 isInterrupted() 方法，检测是不是自己被中断了。
参考资料

第17讲 | 一个线程两次调用start()方法会出现什么情况？-极客时间 (geekbang.org)
09 | Java线程（上）：Java线程的生命周期 (geekbang.org)
06 | 线程池基础：如何用线程池设计出更“优美”的代码？ (geekbang.org)
11 | 线程：如何让复杂的项目并行执行？-极客时间 (geekbang.org)

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