【多线程与高并发】- 线程基础与状态

时间：2023-02-16 07:13:38

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【多线程与高并发】- 线程基础与状态

目录

前言

好久没坚持学习了，所以，这次要好好下定决心学习。多线程与高并发不是一天两天就能弄懂的，需要不断的学习、实践，本次笔者将最近学习的内容知识记录下来。多线程也是一项比较重要的内容，虽然CRUD不太会接触到，但是，在一些相关场景可能会有某些问题是由于线程导致的。

线程的概念

要了解线程的概念，就需要知道什么是进程。简单理解就是一个进程中包含了许多个线程。现在就简单介绍，后续若是有对操作系统进行研究的话会慢慢介绍，具体关于线程进程的内容可以去看看王道的操作系统，里面讲述得特别清楚。

什么是进程？

是系统进行资源分配的基本单位，是操作系统结构的基础，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

什么是线程？

所谓线程就是操作系统(OS)能够进行运算调度的最小单位，是一个基本的CPU执行单元，也是执行程序流的最小单元。能够提高OS的并发性能，减小程序在并发执行时所付出的时空开销。线程是进程的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。线程本身是不拥有系统资源的，但是它能够使用同属进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。

在Java线程中是怎样的呢？

在Java中，最常见得就是继承Thread类或者实现Runnable接口，再通过run或者start方法去执行线程。
如以下代码，这是一段很简单得代码块，通过继承Thread类，重写run方法来创建线程，并且通过run和start来运行。

public class Thread_demo01 {
    private static class Thread1 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println("Thread1-" + i);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread1().run(); // 顺序执行
//        new Thread1().start(); // 线程同时执行
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            try {
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println("main");
        }
    }
}

这两种不同得启动方式，出现得现象也是不同的。

  • 使用run方法启动线程
    【多线程与高并发】- 线程基础与状态
  • 使用start方法启动线程
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    关于这两种方式启动线程可以看一下下面的流程图。
    【多线程与高并发】- 线程基础与状态
    run方法是会让线程T1先执行完毕之后，再继续执行主线程，而start方法他是同时执行两个线程。

Java线程的Sleep、Yield、Join方法

1、sleep方法

sleep()需要提供一个时间参数(毫秒)，会使得线程在一定的时间内被暂停执行，在sleep的过程中，线程是不会释放锁的，只会进入阻塞状态，让出cpu给其他线程去执行。如下代码演示，此处不做锁的探究。

public class T3_Thread_Sleep {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new Thread1());
        Thread t2 = new Thread(new Thread2());
        t1.start();
        t2.start();
    }
    static class Thread1 implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("T1 is running");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println("T1 is end");
        }
    }

    static class Thread2 implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("T2 is running");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println("T2 is end");
        }
    }
}

运行之后在T1线程休眠的时候会让出cpu资源给T2线程，T1线程会睡眠1秒，T2睡眠2秒，最终结果如图
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2、Yield方法

yield()与sleep()都是让线程暂停执行，也是不会释放锁资源。但是yield并不是让进程进入阻塞态，而是回到就绪态，等待重新获取CPU资源。此时，其他的线程有机会获得cpu资源，也有可能在yield方法进入就绪态后立马变成执行态。如以下代码，同样不考虑锁的问题。

public class T4_Thread_Yield {
    static class Thread1 implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("T1 is running");
            Thread.yield();
            System.out.println("T1 is end");
        }
    }
    static class Thread2 implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("T2 is running");
            System.out.println("T2 is end");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new Thread1());
        Thread t2 = new Thread(new Thread2());
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

经过不同的测试，结果都是不同的。
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3、Join方法

join()方法是暂停当前线程，调用执行另一个线程，等待join的线程执行完毕后才能够继续执行当前线程。如以下例子，T1,T2同时开始，在T2线程中join了T1，就会导致T1要先执行完毕之后，才会去执行T2。

public class T5_Thread_Join {
    public static void main(String[] args) {
        Thread T1 = new Thread(() -> {
            System.out.println("T1开始");
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println("线程T1执行中: " + i);
            }
            System.out.println("T1结束");
        });
        Thread T2 = new Thread(() -> {
            System.out.println("T2开始");
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println("线程T2执行中: " + i);
                if (i == 3) {
                    try {
                        T1.join();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
             }
            System.out.println("T2结束");
        });
        T1.start();
        T2.start();
    }
}

结果如下，不管怎么测试，都会是T2最后执行结束。
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Java的线程状态

线程具有最基本的三态(就绪、运行、阻塞)。线程与进程一样，各线程之间也存着共享资源和互相合作的制约关系，致使线程运行时具有间断性。接下来看一下如图，这是五种状态的转化。
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线程的不同状态

在Java线程中有6中状态，从线程的创建到线程的终止。线程创建为NEW创建态，通过start启动线程，线程内部会从就绪态转成运行态，在Java线程中统称为“运行态”，线程由于被挂起、调用yeild等方法能够使线程从运行态转成就绪态，也能够通过线程的其他方法或者锁阻塞线程，直到时间结束或者是获得锁等，从而回到RUNABLE状态。

  1. 初始(NEW)：新创建了一个线程对象，但还没有调用start()方法。
  2. 运行(RUNNABLE)：Java线程中将就绪（Ready）和运行中（Running）两种状态笼统的称为“运行”。线程对象创建后，其他线程(比如main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，等待被线程调度选中，获取CPU的使用权，此时处于就绪状态（Ready）。就绪状态的线程在获得CPU时间片后变为运行中状态（Running）。
  3. 阻塞(BLOCKED)：表示线程阻塞于锁。
  4. 等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
  5. 超时等待(TIMED_WAITING)：该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间后自行返回。
  6. 终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。

Java线程的状态转化

如线程状态转换图，以下就是Java线程状态的转换流程。线程可以通过实现Runnable接口或者继承Threa类，然后去实例化Java的线程对象。在线程被执行之前都是属于创建态(NEW)，在调用start方法后，线程就会转成RUNABLE状态，在RUNABLE中，当线程处于就绪态(Ready)的时候，经过调度分配了cpu资源，这时转成了运行态，当线程被挂起、线程执行了yield，线程将会退回就绪态。在运行态(RUNABLE)，也会通过一些处理而被阻塞或者等待。终止状态(TERMINATED)是线程执行完毕退出，此时，终止态的线程不会直接转成创建态。
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Java线程状态代码

Java中线程的状态都是在java.lang.Thread.State的枚举类中。
可以看一下以下枚举代码，分别为(NEW、RUNNABLE、BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING、TERMINATED)六种。

public enum State {
    NEW,

    RUNNABLE,

    BLOCKED,

    WAITING,

    TIMED_WAITING,

    TERMINATED;
}

接下来看一下演示代码

public class T6_Thread_State {
    static class Thread1 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("run - 当前线程的状态: " + this.getState());
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                try {
                    System.out.println("sleep前 - 当前线程的状态: " + this.getState());
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println("sleep后 - 当前线程的状态: " + this.getState());
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread1 t1 = new Thread1();
        System.out.println("main - 当前线程的状态: " + t1.getState());
        t1.start();
        System.out.println("join前 - 当前线程的状态: " + t1.getState());
        t1.join();
        System.out.println("join后 - 当前线程的状态: " + t1.getState());
    }
}

运行结果，可以只管看到线程在运行过程种的状态切换。
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