并发基础知识扫盲

作者: Kip_Salens | 来源:发表于2019-07-22 00:28 被阅读0次

thread_content.png

1. 进程和线程

提到并发，首先需要了解下进程和线程。

1.1 进程

进程，可以理解为就是一个应用程序，如当我们听音乐时，开启的程序就是一个进程；当我们听着音乐，写着代码，这个时候就开启了两个程序，有两个进程在运行。此时，相当于 CPU 在同时处理两个任务，属于并发，对用户来说，两个进程就像在同时运行一样。现代的多核处理器，确实可以做到多个进程并行。一个进程开启，操作系统会为这个进程分配独立的资源，不同的进程之间相互隔离，所以进程是资源分配的基本单元，进程间的隔离，会使得进程在运行时，就像该进程占据着全部的资源。进程拥有自己独立的虚拟空间，包括从文件加载的程序代码，程序数据，用户栈和运行时堆等。正是因为进程间是隔离的，但是在进程进行切换时，需要保存当前进程的上下文，这部分工作由操作系统维护的进程控制块（PCB）来完成，维护进程编号，进程状态，程序计数器，寄存器，CPU 调度信息，内存管理，打开的文件列表等，当切换回来时，再恢复这些数据继续执行。以前的单核 CPU，一个时间点只能执行一个任务，由于切换的过程很快，所以用户感觉像是在同时运行多个任务。

thread_process.png

1.2 线程

线程是 CPU 调度的最小单元，一个进程至少有一个线程，当然，也可以有多个线程，现在的应用程序基本都是多线程的。那么为什么需要多个线程，多个线程有哪些好处呢？一个进程可能需要多个子任务，如用户点击界面上的一个按钮，点击后，需要进行网络请求，网络请求可能需要 10s，那么用户点击后如果在 10s后才有反应，那么对用户来说，可能是程序出了问题。所以在用户点击后，可以在一个线程中显示一个提示界面或者加载界面，同时用另外一个线程去执行网络请求，请求完成后，再切换到另一个线程显示界面，告知用户。这样开启多个线程能够大大提高效率，进程让操作系统的并发性成为可能，而线程让进程的内部并发成为可能。

一个进程的不同线程共享进程的资源，线程也有自己的寄存器和堆栈，属于线程独有，其他线程不能访问。

thread_definition.png

2.线程同步

同步的问题也是来源于线程之间的共享变量，如果不同线程bu操作共享变量也就不会出现数据安全性问题。这里的变量只是指实例变量，静态变量，并不包括局部变量，因为局部变量是线程私有的，并不存在共享。

Java 中出现数据安全性问题，也是由于 Java 内存模型导致的，每条线程都有自己的工作内存，工作内存当中会有共享变量的副本。线程只能对自己工作内存的当中的共享变量副本进行操作，不能直接操作主内存的共享变量。不同线程之间无法直接操作对方的工作内存的变量，只能通过主线程来协助完成。由于缓存的存在，一方面带来了性能上的提升，CPU 不用每次都去内存中取数据，可以从缓存中获取数据；另一方面，缓存也造成了数据不同步的问题，一个线程在工作内存中拿到的数据，可能是一个旧值，此时主内存中的数据可能已经被其他线程修改过。

为了保证数据的安全性问题，需要满足 3 个条件：原子性，可见性，有序性。

thread_model_java.png

3.线程状态

thread_state.png

(1) 初始(NEW)：新创建了一个线程对象，但还没有调用 start() 方法。

(2) 可运行状态/就绪(RUNNABLE)：线程对象创建后，其他线程调用了该对象的 start() 方法。该状态的线程位于可运行线程池中，变得可运行，等待获取 CPU 的使用权。

(3) 运行状态（Running）：就绪状态的线程获取了 CPU，执行程序代码。

(4) 阻塞状态（Blocked）：阻塞状态是线程因为某种原因放弃 CPU 使用权，暂时停止运行。直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。阻塞的情况分三种：

等待阻塞：运行的线程执行 wait() 方法，JVM 会把该线程放入等待池中。(wait 会释放持有的锁)

同步阻塞：运行的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则 JVM 会把该线程放入锁池中。

其他阻塞：运行的线程执行 sleep() 或 join() 方法，或者发出了 I/O 请求时，JVM 会把该线程置为阻塞状态。当 sleep() 状态超时、join() 等待线程终止或者超时、或者 I/O 处理完毕时，线程重新转入就绪状态。（注意,sleep 是不会释放持有的锁）

(5) 终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。

4.基本用法

4.1 创建

(1) 继承 Thread，重写 run 方法

public class TheadTest {

    private static class MyThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            int count = 0;
            while (count < 5) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + count);
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                count++;
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Thread myThread = new MyThread();
        myThread.start();
    }
}

(2) 实现 Runnable 接口，实现 run 方法

public class ThreadRunnable {

    private static class MyRunnable implements Runnable{

        @Override
        public void run() {
            int count = 0;
            while (count < 5) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + count);
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                count++;
            }
        }
    }

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

(3) 实现 Callable 接口

Callable 是 jdk 1.5 版本之后增加的任务接口，实现 call 方法，并且能够从线程返回结果，但是 Callable 只能通过线程池来提交执行。

public class ThreadCallable {

    private static class MyCallable implements Callable<String> {

        @Override
        public String call() throws Exception {
            int count = 0;
            while (count < 5) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + count);
                Thread.sleep(1000);
                count++;
            }
            return "Thread is finished,the result is Hello World!";
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        Future<String> future = service.submit(new MyCallable());
        while (!future.isDone()) {
            System.out.println("waiting ------");
            Thread.sleep(500);
        }
        System.out.println(future.get());
        service.shutdown();
    }
}

(3) 通过 FutureTask 创建任务

FutureTask 也是 jdk 1.5 版本之后增加的任务类，除了能够获取线程返回的结果，还能够对线程进行更多的操作，如取消，查询线程状态，结果等。FutureTask 既可以用线程池提交执行，也可以使用 Thread 来开启。

    private static class MyCallable implements Callable<String> {

        @Override
        public String call() throws Exception {
            int count = 0;
            while (count < 5) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + count);
                Thread.sleep(1000);
                count++;
            }
            return "Thread is finished,the result is Hello World!";
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 1.线程池方式提交
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new MyCallable());
        service.submit(futureTask);
        service.shutdown();
    }

通过普通线程开启 FutureTask 任务

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    // 2.FutureTask 支持线程方式
    FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new MyCallable());
    Thread thread = new Thread(futureTask);
    thread.start();
    while (!futureTask.isDone()) {
        System.out.println("waiting ------");
        Thread.sleep(500);
    }
    System.out.println(futureTask.get());
}

实现 Runnable 接口比继承 Thread 类所具有的优势：

适合多个相同的程序代码的线程去处理同一个资源

可以避免 java 中的单继承的限制

增加程序的健壮性，代码可以被多个线程共享，代码和数据独立

线程池只能放入实现 Runable 或 Callable 类线程，不能直接放入继承 Thread 的类

4.2 基本操作

(1) start : 这个不用多讲，上面例子已经提到了，线程创建之后开启线程，此时线程处于就绪状态，等待操作系统分配时间片，获取到时间片就可以运行

(2) setPriority 设置线程优先级：Java线程有优先级，优先级高的线程会获得较多的运行机，但并不表明一定能够运行，只是获取时间片的概率高。

Java线程的优先级用整数表示，取值范围是 1~10，Thread类有以下三个静态常量：

static int MAX_PRIORITY 线程可以具有的最高优先级，取值为10。

static int MIN_PRIORITY 线程可以具有的最低优先级，取值为1。

static int NORM_PRIORITY 分配给线程的默认优先级，取值为5。

每个线程都有默认的优先级。主线程的默认优先级为 Thread.NORM_PRIORITY。
线程的优先级有继承关系，比如 A 线程中创建了 B 线程，那么 B 将和 A 具有相同的优先级。
JVM 提供了 10 个线程优先级，但与常见的操作系统都不能很好的映射。如果希望程序能移植到各个操作系统中，应该仅仅使用 Thread 类有以下三个静态常量作为优先级，这样能保证同样的优先级采用了同样的调度方式。

(3) setDaemon 设置后台线程

守护线程和用户线程的区别在于：守护线程依赖于创建它的线程，而用户线程则不依赖。如果在 main 线程中创建了一个守护线程，当 main 方法运行完毕之后，守护线程也会随着消亡。而用户线程则不会，用户线程会一直运行直到其运行完毕。在JVM中，像垃圾收集器线程就是守护线程。

此外，守护线程中创建的线程也是守护线程。

public class ThreadDaemon {

    private static class PrintRunnable implements Runnable {

        private String name;

        PrintRunnable(String name) {
            this.name = name;
        }

        @Override
        public void run() {
            int count = 0;
            System.out.println(name + " - start - isDaemon - " + Thread.currentThread().isDaemon()¬);
            while (true) {
                System.out.println(name + " - " + count);
                count++;
                try {
                    Thread.sleep(1500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread daemon = new Thread(new PrintRunnable("daemon"));
        daemon.setDaemon(true);
        daemon.start();
        int count = 5;
        while (count > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + count);
            count--;
            try {
                Thread.sleep(1500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

守护线程没有运行完，随着主线程退出而退出。

(4) yield，线程礼让。

调用 yield 方法会让当前线程交出 CPU 权限，让 CPU 去执行其他的线程。它跟 sleep 方法类似，同样不会释放锁。但是 yield 不能控制具体的交出 CPU 的时间，另外，yield 方法只能让拥有相同优先级的线程有获取 CPU 执行时间的机会。

注意，调用 yield 方法并不会让线程进入阻塞状态，而是让线程重回就绪状态，它只需要等待重新获取时间片，这一点是和 sleep 方法不一样的。

public class ThreadYield {

    private static class PrintRunnable implements Runnable {

        private String name;

        PrintRunnable(String name) {
            this.name = name;
        }

        @Override
        public void run() {
            int count = 100;
            System.out.println(name + " - start");
            while (count > 0) {
                if ("yield".equals(name)) {
                    Thread.yield();
                }
                System.out.println(name + " - " + count);
                count--;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread yield = new Thread(new PrintRunnable("yield"));
        Thread normal = new Thread(new PrintRunnable("normal"));
        yield.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
        yield.start();
        normal.start();
        Thread.sleep(2000);
    }
}

从运行结果看出 yield 方法并不一定立即交出 CPU 使用权，另外，yield 方法增加其他线程获取时间片的机会，并不意味着调用 yield 的线程就获取不到时间片。

yield - start
normal - start
yield - 100
normal - 100
yield - 99
normal - 99
yield - 98
normal - 98
yield - 97
normal - 97
yield - 96
normal - 96
normal - 95
normal - 94
yield - 95
normal - 93
yield - 94
...

(5) join

join 方法有三个重载函数：

join()
join(long millis)     //参数为毫秒
join(long millis,int nanoseconds)    //第一参数为毫秒，第二个参数为纳秒

调用 Thread 的 join 方法，表明会等待指定的线程执行完毕，或者等待这个线程执行一段时间后再开始执行。下面例子中 A 线程会等待 B 线程执行结束后再继续执行。如果执行时间，表明会等待一段时间后继续执行。

public class ThreadJoin {

    private static class PrintRunnable implements Runnable {

        private String name;
        private Thread joinThread;

        public PrintRunnable(Thread joiner, String name) {
            this.name = name;
            this.joinThread = joiner;
        }

        public PrintRunnable(String name) {
            this.name = name;
        }

        @Override
        public void run() {
            int count = 5;
            System.out.println(name + " - start");
            while (count > 0) {
                if (joinThread != null) {
                    try {
                        joinThread.join();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println(name + " - " + count);
                count--;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread B = new Thread(new PrintRunnable("thread-B"));
        Thread A = new Thread(new PrintRunnable(B, "thread-A"));
        A.start();
        B.start();
    }
}

(6) sleep 线程睡眠。

sleep方法有两个重载版本：

sleep(long millis)     //参数为毫秒
 
sleep(long millis,int nanoseconds)   //第一参数为毫秒，第二个参数为纳秒

sleep 相当于让线程睡眠，交出 CPU，让 CPU 去执行其他的任务。

有一点要非常注意，sleep 方法不会释放锁，也就是说如果当前线程持有对某个对象的锁，则即使调用 sleep 方法，其他线程也无法访问这个对象。

public class ThreadSleep {

    private static int i = 10;
    private static final Object object = new Object();

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        MyThread thread1 = new MyThread();
        MyThread thread2 = new MyThread();
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
    
    private static class MyThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                i++;
                System.out.println("i:"+i);
                try {
                    System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"进入睡眠状态");
                    Thread.sleep(10000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO: handle exception
                }
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"睡眠结束");
                i++;
                System.out.println("i:"+i);
            }
        }
    }
}

(7) 线程中断，interrupt 、isInterrupted、interrupted

这里需要注意，调用 interrupt 方法相当于将中断标志位置为 true，并不是直接中断线程，isInterrupted 是用来判断中断标志位的，interrupted 同样也是用来判断中断标志位的，但是多一个操作，会将中断标志位置为 false。

interrupt 方法调用后，如果线程处于运行状态，仅仅表现为中断标识位为 true，并不能中断线程，这时需要自己通过 isInterrupted 或者 interrupted 判断来中断线程；如果线程处于阻塞状态，会抛出 InterruptedException 异常，此时线程会继续执行，如果是循环执行的线程，需要中断的话，需要在异常出现时自己做中断处理。

下面来看下中断线程的几种方法：

public class ThreadInterruption {

    private static class Interruption1 implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            int count = 0;
            try {
                while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                    Thread.sleep(500);
                    count++;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- " + count + " ---");
                }
                // 如果不睡眠，会走这里正常结束
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is interrupted normal");
            } catch (InterruptedException e) {
                // 睡眠，会走这里，报异常
                e.printStackTrace();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is interrupted abnormal!");
            }
        }
    }

    private static class Interruption2 implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            int count = 0;
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                count++;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- " + count + " ---");
                // 如果不加睡眠，可以中断
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is interrupted abnormal!");
                    e.printStackTrace();
                    // 加睡眠，会走异常，需要在这里处理，结束线程,否则线程继续执行
                    break;
                }
            }

        }
    }

    private static class Interruption3 implements Runnable {

        private volatile boolean isStop = false;

        public void setStop(boolean stop) {
            isStop = stop;
        }

        @Override
        public void run() {
            int count = 0;
            while (!isStop) {
                count++;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- " + count + " ---");
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is stopped normal");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(new Interruption1());
        Thread thread2 = new Thread(new Interruption2());
        Interruption3 target = new Interruption3();
        Thread thread3 = new Thread(target);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();

        Thread.sleep(2000);
        thread1.interrupt();
        Thread.sleep(2000);
        thread2.interrupt();
        Thread.sleep(2000);
        target.setStop(true);
    }
}

Interruption1 中 try-catch 包裹 while 循环的外面，线程阻塞时被中断，抛出异常，线程会结束；如果线程在非阻塞时中断，通过线程的中断状态来结束 while 循环，正常结束线程。

Interruption2 中 while 循环包裹 try-catch 的外面，线程阻塞时被中断，抛出异常，此时如果不加 break 或者 return 之类的操作，线程会继续执行；如果线程在非阻塞时中断，通过线程的中断状态来结束 while 循环，正常结束线程。

Interruption3 中自己设置一个变量来控制线程的中断。

(8) wait 、notif、notifyAll

调用某个对象的 wait() 方法能让当前线程阻塞，并且当前线程必须拥有此对象的 monitor（即锁）,所以调用 wait() 方法必须在同步块或者同步方法中进行（synchronized 块或者 synchronized 方法）。

调用某个对象的 notify() 方法能够唤醒一个正在等待这个对象的 monitor 的线程，如果有多个线程都在等待这个对象的 monitor，则只能唤醒其中一个线程；

调用 notifyAll() 方法能够唤醒所有正在等待这个对象的 monitor 的线程；

调用某个对象的 wait() 方法，相当于让当前线程交出此对象的 monitor，然后进入等待状态，等待后续再次获得此对象的锁（Thread 类中的 sleep 方法使当前线程暂停执行一段时间，从而让其他线程有机会继续执行，但它并不释放对象锁）；

notify() 方法能够唤醒一个正在等待该对象的 monitor 的线程，当有多个线程都在等待该对象的 monitor 的话，则只能唤醒其中一个线程，具体唤醒哪个线程则不得而知。

下面演示一个线程的小算法，通过两个线程实现交替打印奇偶数。

public class ThreadOddEven {

    private static class OddEvenRunnable implements Runnable {
        private final Object object = new Object();
        private int count = 0;

        @Override
        public void run() {
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                synchronized (object) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- " + count++);
                    try {
                        Thread.sleep(300);
                        object.notifyAll();
                        object.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                        break;
                    }
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        OddEvenRunnable oddEvenRunnable = new OddEvenRunnable();
        Thread even = new Thread(oddEvenRunnable);
        Thread odd = new Thread(oddEvenRunnable);
        even.start();
        odd.start();

        Thread.sleep(5000);

        even.interrupt();
        odd.interrupt();
    }
}

4.3 同步

同步这部分涉及的内容较多，后面单独来讲，基础的主要就是 synchronized、lock 的使用以及 volatile 关键字。

参考

Java多线程学习

Java并发编程：线程间协作的两种方式：wait、notify、notifyAll和Condition

多线程详解（2）——不得不知的几个概念

并发基础知识扫盲

1. 进程和线程

1.1 进程

1.2 线程

2.线程同步

3.线程状态

4.基本用法

4.1 创建

4.2 基本操作

4.3 同步

参考

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