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标题: 口试官：这就是你理解的Java多线程基础？ [打印本页]

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作者: 风雨同行    时间: 2024-5-19 04:57
标题: 口试官：这就是你理解的Java多线程基础？
弁言

现代的操作系统（Windows，Linux，Mac OS）等都可以同时打开多个软件（任务），这些软件在我们的感知上是同时运行的，例如我们可以一边浏览网页，一边听音乐。而CPU实行代码同一时间只能实行一条，但纵然我们的电脑是单核CPU也可以同时运行多个任务，如下图所示，这是因为我们的 CPU 的运行的太快了，把时间分成一段一段的，通过时间片轮转分给多个任务瓜代实行。

把CPU的时间切片，分给不同的任务实行，而且实行的非常快，看上去就像在同时运行一样。例如，网易云实行50ms，浏览器实行50ms，word 实行50ms，人的感官根本感知不到。现在多数的电脑都是多核（多个 CPU ）多线程，例如4核8线程（可以近似的看成8个 CPU ），也是把每个核心运行时间切片分给不同的任务瓜代实行。
进程与线程

进程（Process）是操作系统对一个正在运行的步伐的一种抽象，我们可以进程简朴理解为操作系统中正在运行的一个软件，即把一个任务称之为一个进程，例如我们的网易云音乐就是一个进程，浏览器又是另外一个进程。
线程（Thread）线程是一个比进程更小的实行单元，进程是线程的容器，一个进程至少有一个线程而且可以产生多个线程，每个线程都运行在进程的上下文中，并共享同样的代码和全局数据，多线程之间比多进程之间更轻易共享数据，而且线程一般来说都比进程更加高效。

 

java语言内置了多线程支持：JVM 启动时会创建一个主线程，该主线程负责实行 main 方法，一个 Java 步伐实际上是一个JVM进程，JVM进程用一个主线程来实行main()方法内部，我们又可以启动多个线程。此外，JVM另有负责垃圾回收的其他工作线程等。
创建线程

我们需要区分线程和线程体两个概念，线程可以驱动任务，因此需要一个描述任务的方式，这个方式就是线程体，而我们创建线程体有多种方式，而创建线程只有一种：将任务（线程体）表现的附着到线程上，调用 Thread 对象的 start（）方法，实行线程的初始化操作，然后新线程调用 run() 方法启动任务。
创建线程体可以使用下面 3 种方式，然而这 3 种方式都是在创建线程体，直到调用 Thread 对象的 start() 方法时才请求 JVM 创建新的线程，具体什么时间运行有线程调度器 Scheduler 决定。

• 继续 Thread 类；
  

1. /**
2. * 1、定义Thread类的子类
3. */
4. public class MyThread extends Thread {
5.     //2、重写Thread类的run方法
6.     //run()方法体内的内容就是线程要执行的代码
7.     @Override
8.     public void run() {
9.         // ...
10.     }
11. }
13. public static void main(String[] args) {
14.     //3、创建线程对象
15.     MyThread mt = new MyThread();
16.     //4、启动线程
17.     mt.start();
18.     /**
19.      * 调用线程的start()方法来启动线程，启动线程的实质是请求JVM运行相应的线程，
20.      * 这个线程具体什么时候运行，由线程调度器（scheduler）决定
21.      * 注意：
22.      *   调用start()方法不代表线程能立马运行
23.      *   线程启动后会运行run()方法
24.      *   如果启动了多个线程，start()调用的顺序不一定就是线程启动的顺序
25.      */
26. }

复制代码

• 实现 Runable 接口；
  

1. //1、实现Runnable接口
2. public class MyRunable implements Runnable{
4.     //2、实现run方法
5.     @Override
6.     public void run() {
7.         // ...
8.     }
10.     public static void main(String[] args) {
11.         //3、将实现了Runnable接口的对象传入Thread的构造方法中
12.         Thread thread = new Thread(new MyRunable());
13.         //4、启动线程
14.         thread.start();
15.     }
16. }

复制代码

• 实现 callable 接口
  

1. import java.util.concurrent.Callable;
2. import java.util.concurrent.FutureTask;
4. public class CallableExample {
5.     public static void main(String[] args) {
6.         // 1、实现Callable接口的匿名内部类
7.         Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
8.             @Override
9.             public Integer call() throws Exception {
10.                 System.out.println("Callable task is running");
11.                 return 42;
12.             }
13.         };
14.         // 2、将Callable包装在RunnableFuture实现类中
15.         FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);
16.         // 3、将FutureTask实例传递给Thread类来执行
17.         Thread thread = new Thread(futureTask);
18.         thread.start();
20.         try {
21.             Integer result = futureTask.get();
22.             System.out.println("Result: " + result);
23.         } catch (Exception e) {
24.             e.printStackTrace();
25.         }
26.     }
27. }

复制代码

在日常使用中，发起能用接口实现就不要用继续 Thread 的方式来创建线程，原因如下：

• 避免单继续的限制：Java是单继续的语言，假如一个类继续Thread类，就无法再继续其他类。而实现Runnable接口则不会有这种限制，避免了单继续的局限性。
  
• 更好的适配性：实现Runnable接口可以更好地支持类似线程池的机制，让线程的实行和任务的分离更清楚。传递Runnable对象给线程池实行任务十分方便，而且可以重复使用。
  
• 更好的面向对象设计：继续Thread类是一种功能导向的设计，而实现Runnable接口更倾向于面向对象的设计，符合面向对象的编程头脑。
  

线程的状态

一个线程对象只能调用一次 start() 方法启动新线程，并在新线程中实行 run() 方法，一旦 run() 方法 实行完毕，线程就终止殒命了。我们通过 Thread 类中的枚举类 State 来看一下 Java 线程有哪些状态：

1.     public enum State {
2.         
3.         /**
4.          * 新建状态
5.          * 还没有执行start()方法的线程状态
6.          */
7.         NEW,
9.         /**
10.          * 可运行状态
11.          * 在Java虚拟机中运行处于可运行状态的线程，可能正在等待其他资源，例如处理器
12.          */
13.         RUNNABLE,
14.         /**
15.          * 阻塞状态
16.          * 处于阻塞状态的线程正在等待监视器锁，以进入同步代码块或在调用wait()后重新进入
17.          */
18.         BLOCKED,
19.         
20.         /**
21.          * 无限期等待状态
22.          * 线程因调用一下方法之一而处于无限期等待状态：
23.          * Object.wait with no timeout
24.          * Thread.join with no timeout
25.          * LockSupport.park
26.          * 处于等待状态的线程正在等待另一个线程执行特定操作
27.          */
28.         WAITING,
29.    
30.         /**
31.          * 具有指定等待时间的等待线程的线程状态
32.          * 线程处于定时等待状态的原因是调用了以下方法之一，并指定了正等待时间：
33.          * Thread.sleep
34.          * Object.wait with timeout
35.          * Thread.join with timeout
36.          * LockSupport.parkNanos
37.          * LockSupport.parkUntil
38.          */
39.         TIMED_WAITING,
41.         /**
42.          * 已终止线程的线程状态.
43.          * 线程已执行完毕.
44.          */
45.         TERMINATED;
46.     }

复制代码

 
由源码可知，Java 的线程状态有 6 种：

• NEW：新创建的线程，还未实行；
  
• RUNNABLE：正在运行中线程或正在等待资源分配的预备运行的线程；
  
• BLOCKED：等待获取监视器锁的线程；
  
• WAITING：等待另外一个线程实行特定操作，没有时间限制；
  
• TIMED_WAITING：等待某个特定线程在制定时间段内实行特定操作；
  
• TERMINATED：线程实行完毕
  

线程状态的转换可以参考下图：

• NEW 状态
  

创建线程后未启动线程状态为 NEW，在该线程调用 start() 方法以前会一直保持这种状态。此时，JVM 会为该线程分配内存并初始化其成员变量的值，但是该线程并没有表现出任何线程的动态特征，步伐也不会实行线程的实行体，即 run() 方法的部分。
下面的代码，我们可以调用 Thread.getState() 方法来获取线程的状态，可以看出打印出来的状态为 NEW。

1. public void ThreadTest() {
2.     Thread t = new Thread(new Runnable() {
3.         @Override
4.         public void run() {
5.             System.out.println("ThreadTest");
6.         }
7.     });
8.     System.out.println(t.getState()); // NEW
9. }

复制代码

• RUNNABLE
  

当在Java的Thread对象上调用start()方法后，以下过程将会发生：

• 线程状态变化：线程对象的状态会从NEW（新建）状态转变为RUNNABLE（可运行）状态，表明线程已经预备好运行，但尚未分配到CPU实行。
  
• 系统资源分配：线程调度器会为该线程分配系统资源，例如CPU时间。然而，并不保证立即实行，具体实行时机还取决于线程调度器的调度算法和其他运行中的线程。
  
• 实行run()方法：当该线程被线程调度器选中并分配到CPU时间时，线程的run()方法会被调用，线程开始实行具体的任务逻辑。
  

处于RUNNABLE 状态的线程要么正在运行中，要么已经预备好运行但正在等待系统分配 CPU 资源。
在Java假造机（JVM）中，JVM 自带的线程调度器负责决定Java线程的实行顺序。它会根据线程的优先级和调度算法来确定哪个线程可以获得 CPU 时间。通常环境下，步伐员可以通过设置线程的优先级来影响线程调度器的决议，但实际线程的调度仍由 JVM 负责。

• BLOCKED
  

当线程尝试访问某个由其他线程锁定的代码块时，该线程会因为需要等待获取监视器锁进入 BLOCKED 状态，线程获取锁后就会结束此状态。

• WAITING
  

线程正在等待另一个线程实行特定操作时处于 WAITING 等待状态，例如当线程调用以下方法时会进入 WAITING 等待状态：

调用方法	退出条件
Object.wait()	Object.notify() / Object.notifyAll()
Thread.join()	被调用的线程（Thread）实行完毕
LockSupport.park()	-

上述方法中的 wait() 和 join() 没有传入超时时间 timeout 参数，线程只能等待其他线程表现的唤醒或实行完毕，否则不会被分配 CPU 时间片。

• TIMED_WAITING
  

线程在这种状态部属于期限等待，无需其他线程表现的唤醒当前线程，在一定时间内被系统自动唤醒。
壅闭和等待的区别在于：壅闭是被动的，等待是自动的。壅闭是在等待获取锁，而等待是在等待一定的条件发生。

调用方法	退出条件
Thread.sleep()	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 / 被调用的线程实行完毕
LockSupport.parkNanos() 方法	-
LockSupport.parkUntil() 方法	-

• TERMINATED
  

线程实行完毕大概产生非常而结束会进入 TERMINATED 状态，进入该状态的线程已经殒命。
线程同步

并发问题产生的原因是：多个线程同时对一个共享资源进行非原子性操作，这内里包罗了三个产生并发问题的三个条件：多个线程同时，共享资源，非原子性操作，办理线程安全问题的本质就是要粉碎这三个条件，因此可以把多线程的并行实行，修改为单线程的串行实行，即同一时刻只让一个线程实行，这种办理方式就叫做互斥锁。
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，从而到达保护共享资源的目的，当多条线程实行到被保护的地区时，都需要先去获取到锁，这时间只能有一条线程获取到锁，实行被保护地区的代码，其他线程在保护区外部等待获取锁，直到当前线程实行完毕释放资源后，其他线程才有实行的时机。
synchronized 和 ReentrantLock 可以保证可见性、原子性和有序性，另外一个 Java 的关键字 Volatile 也可以保证可见性，另外后者还可以克制指令重排序。
Synchronized

在 Java 中每个对象都可以作为锁，Synchronized 也是依赖 Java 的对象来实现锁，一共有三种类型的锁：

• 当前实例锁：锁定的是实例对象，即为 this 锁；
  
• 类对象锁：锁定的是类对象，即为 Class 对象锁；
  
• 对象实例锁：锁定的给定的对象实例，即位 Object 锁；
  

在使用 Synchronize 时也有三种不同的方式：

• 修饰平凡方法：使用 this 锁，在实行该方法前必须先获取当前实例对象的锁资源；
  
• 修饰静态方法：使用 class 锁，在实行该方法前必须先获取当前类对象的锁资源；
  
• 修饰代码块：使用 Object 锁，在实行该方法前必须先获取给定对象的锁资源；
  

1. public class A {
3.     String lockObject = new String();
4.    
5.     // 锁定当前的实例，this锁，每个实例拥有一个锁
6.     public synchronized void a() {};
7.     // 修饰的是静态方法，使用的 class 锁，多个对象共享 class 锁
8.     public static synchronized void b() {}
9.    
10.     public void c() {
11.         // 修饰的是代码块，使用的 lockObject 对象的锁，也是实例锁
12.         synchronized(lockObject) {
13.             // do something
14.         }
15.         // 修饰代码块，使用的 B.class 类对象锁
16.         synchronized(B.class) {
17.             
18.         }   
19.     }
21. }
23. public class B {
24.    
25. }

复制代码

三种不同的使用方式有不同的应用场景，我们在使用的过程中一定要注意加锁的对象是谁，否则大概会产生意想不到的结果。在加锁时，尽量减少加锁的地区，例如能够在方法体中对代码块加锁，就不要在方法上面加锁，加锁的地区越短越好。
ReentrantLock

ReentrantLock 是 Java.util.concurrent(J.U.C)包中的锁，该锁由 JDK 实现，而 synchronized 是由 JVM 实现的。

1. public class ReentrantLockDemo{
2.     private Lock lock = new ReentrantLock();
4.     private void func() {
5.         lock.lock(); // 加锁
6.         try {
7.             for (int i = 0; i < 10; i++) {
8.                 system.out.prrint(i)
9.             }
10.         } finally {
11.             lock.unlock(); // 确保释放锁
12.         }
13.     }
14. }
16. public static void main(Stirng[] args) {
17.     ReentrantLockDemo reentrantLockDemo = new ReentrantLockDemo();
18.     ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
19.     executorService.execute(() -> lockExample.func());
20.     executorService.execute(() -> lockExample.func());
21. }

复制代码

上面的代码演示了ReentrantLock 的使用方法，表现的调用 lock（）方法加锁，在 finally 中表现的释放锁。
锁比力

不同点	synchronized	reentrantLock
实现方式	JVM	JDK
性能	新版本 Java 对 synchronized 进行了大量的优化，大抵相同
等待可制止	不可	可以
公平锁	非公平	默认非公平，支持公平锁
绑定多个条件	无	帮点多个 Condition 对象

在需要使用锁时，除非需要使用 reentrantLock 的高级功能，否则优先使用 synchronized 关键字加锁，这是因为 synchronized 是 JVM 实现的一种锁机制，JVM 原生支持它，而 ReentrantLock 不是全部的 JDK 版本都支持，并且使用 syschronized 不用担心没有释放锁而导致死锁问题，因为 JVM 会确保释放锁。
线程池

线程池可以管理一系列线程，当有任务需要处理惩罚时，直接从线程池内里获取线程来处理惩罚，当线程处理惩罚完任务时再放回到线程池中等待下一个任务，这样可以减少每次创建线程的开销，提升资源的使用率。线程池提供了一种限制和管理资源的方式，每个线程池还维护了一些基本的统计信息，例如 已完成任务的数量等。在《Java 并发编程的艺术》一书中提到使用线程有三点好处：

• 降低资源的斲丧率：通过重复使用已创建的线程，降低线程创建和销毁造成的开销；
  
• 提高相应速度：当任务到达时，任务不需要等待线程创建结束即可实行；
  
• 提高线程的可管理性：线程是稀缺资源，假如无限制的创建，不仅会斲丧系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行同一分配、调优和监控；
  

创建线程池

可以使用内置的线程池，通过 Executor 框架的工具类 Executors 来创建预先定义好的线程池。
Executors

Executors 工具类提供的创建线程池的方法如下图所示：

 
从上图中可以看出，Executors 工具类可以创建多种类型的线程池，包罗：

• FixedThreadPool：固定线程数量的线程池，在创建该线程池时，需要传入一个线程池中线程个数的 int 参数，当有一个新的任务提交时，线程池中若有空闲线程，则立即实行。若没有空闲线程，则新的任务会被暂存在一个任务队列中，待有线程空闲时处理惩罚。
  
• SingleThreadPool：单线程线程池，在该线程池中只有一个线程，若超过一个线程提交到该线程池，任务会被保存到任务队列中，比及该线程空闲时，按照先入先出的顺序实行队列中的任务。
  
• CachedThreadPool：可缓存线程的线程池，该线程池的线程数量不确定，在优先使用空闲线程的条件下，碰到新的任务提交时，会创建一个新的线程来处理惩罚任务，任务处理惩罚完毕后回到线程池等待复用。
  
• ScheduledExecutorPool：给定的延迟后运行的任务或定期实行任务的线程池。
  

自定义创建

如下图，可以通过 ThreadPoolExecutor 构造函数来创建线程池（推荐）。

 
优先推荐使用 ThreadPoolExecutor 来创建线程池，在《阿里巴巴 Java 开辟手册》中指出线程资源必须使用线程池来提供，不答应在应用中自行表现创建线程，也强制线程池不答应使用 Executors 去创建，而是通过 ThreadPoolExecutor 构造函数的方式来创建线程池。
使用内置的线程池有以下缺点：

• newFixedThreadPool 和 SingleThreadPool使用的是无界队列 LinkedBlockingQueue，任务队列最大成都为 Integer.MAX_VALUE，大概堆积大量的请求，从而导致 OOM；
  
• CachedThreadPool：使用的是同队伍列 SyschronousQueue，答应创建的线程数量为 Integer.MAX_VALUE， 假如任务实行较慢，大概会创建大量的线程，从而导致 OOM。
  
• ScheduledExecutorPool：使用的无界的延迟壅闭队列 DelayedWorkQueue，任务队列最大长度为 Integer.MAX_VALUE，大概堆积大量的请求，从而导致 OOM；
  

实际上内置的线程池也是调用 ThreadPoolExecutor 来创建的线程池：

1. // 无界队列 LinkedBlockingQueue
2. public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
3.         return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
4.                                       0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
5.                                       new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
6. }
8. // 无界队列 LinkedBlockingQueue
9. public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
10.         return new FinalizableDelegatedExecutorService
11.             (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
12.                                     0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
13.                                     new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
14. }
16. // 同步队列 SynchronousQueue，没有容量，最大线程数是 Integer.MAX_VALUE`
17. public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
18.         return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
19.                                       60L, TimeUnit.SECONDS,
20.                                       new SynchronousQueue<Runnable>());
21. }
23. // DelayedWorkQueue（延迟阻塞队列）
24. public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
25.     return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
26. }
28. public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
29.     super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
30.           new DelayedWorkQueue());
31. }

复制代码

线程池参数

我们来看一下自定义创建线程池的参数有哪些？
[code]    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, // 核心线程数                              int maximumPoolSize, // 最大线程数                              long keepAliveTime, // 当线程数大于核心线程数时，                                                  // 多余的空闲线程存活时间                              TimeUnit unit, // 时间单元                              BlockingQueue workQueue, // 任务队列                              ThreadFactory threadFactory, // 线程工厂，用于创建线程，一般默认                              RejectedExecutionHandler handler) { // 拒绝策略        if (corePoolSize < 0 ||            maximumPoolSize

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