Java多线程：生命周期，实现与调度

时间：2024-06-28 08:33:26

前面几篇文章为Java多线程做足了铺垫，这篇终于到了正题，一起学习一下Java多线程的基础知识。

1. Java线程生命周期

下图表述了Java线程的几个基本状态：

Java多线程：生命周期，实现与调度

  • New新建状态：线程创建后即进入。
  • Runnable就绪状态：调用线程的start方法后，线程不会立刻运行，而是进入就绪状态，等待CPU调度。
  • Running运行状态： CPU开始调度处于就绪状态的线程后，线程进入运行状态。换言之，就绪状态是运行状态的唯一入口。
  • Blocked阻塞状态：线程由于某种原因放弃CPU的使用权，停止执行，此时进入阻塞状态，一直到进入就绪态CPU才能对其进行重新调度。

    产生Blocked状态的几种可能

  1. 等待阻塞：运行线程中的wait()方法，使本地线程进入阻塞状态。

  2. 同步阻塞：线程获取sychronized同步锁失败，进入同步阻塞状态。

  3. 其他阻塞：调用线程的sleep()或join()发出I/O请求，线程进入阻塞状态。当sleep()超时，join()等待线程终止或超时，处理完I/O时，线程重新进入就绪状态。

  • Dead死亡状态：线程执行完毕或异常退出。该线程结束了生命周期。

2. Java线程实现方法

2.1. 继承Thread类，重写run()方法

最基本的线程方式，通过继承Thread类，重写run()方法即可运行子线程。缺点是Java类只能有一个父类，如果所要使用的类本身有其他需要继承的实体，就会比较麻烦。

class MyThread extends Thread {

    private volatile boolean isRunning = true;

    public boolean isRunning() {

        return isRunning;

    }

    public void setRunning(boolean isRunning) {

        this.isRunning = isRunning;

    }

    @Override

    public void run() {

        System.out.println("进入到run方法中了");

        while (isRunning == true) {

        }

        System.out.println("线程执行完成了");//结束线程，进入dead态

    }

}

public class RunThread{

    public static void main(String[] args) {

        try {

            MyThread thread = new MyThread();//创建线程，进入new态

            thread.start();//start线程，进入runnable态，CPU开始调度后进入running态

            Thread.sleep(1000);//阻塞主线程，进入blocked态

            thread.setRunning(false);

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

}

2.2. 实现Runnable接口，便于继承其他类

针对Thread类继承可能存在困难的问题，利用Java接口无限制的特性，利用接口来进行线程实现。在运行时，需要运行一个thread并把接入了Runnable的类以参数形式传给thread。

class MyClass implements Runnable {

    private volatile boolean isRunning = true;

    public boolean isRunning() {

        return isRunning;

    }

    public void setRunning(boolean isRunning) {

        this.isRunning = isRunning;

    }

    @Override

    public void run() {

        System.out.println("进入到run方法中了");

        while (isRunning == true) {

        }

        System.out.println("线程执行完成了");

    }

}

public class RunThread{

    public static void main(String[] args) {

        try {

            MyClass myClass=new MyClass();

            Thread thread=new Thread(myClass);

            thread.start();

            Thread.sleep(1000);

            myClass.setRunning(false);

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

}

我们需要知道的是，Thread类本身就已经接入了Runnable接口，如果我们给一个自定义的已经重写run的Thread类的子类A传入一个接入Runnable的类B作为参数，那么该子类A会运行类B的run()函数，原因为，Thread中的run()函数代码如下：

　　@Override

    public void run() {

        if (target != null) {

            target.run();

        }

    }

可见，如果target存在，即有Runnable类的子类作为参数传递，则不运行Thread提供的run()方法。

最基本的Thread和Runnable有一个共同的问题，即是run()函数没有返回值，导致线程间交互会比较复杂，需要依赖引用的互相传递。因此，当需要有返回值时，Java提供了另外的类。

2.3. Callable类替换Runnable类，实现返回值

Callable接口定义如下：

public interface Callable<V> {

    /**

     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.

     *

     * @return computed result

     * @throws Exception if unable to compute a result

     */

    V call() throws Exception;

}

对于Callablel类我们只需要知道以下几点

  1. 需要实现重写其call()函数来实现功能。

  2. 泛型的输入类型即是call()的返回类型。

实现了call函数，简单的把Callable接口替换Runnable接口，我们就可以实现简答的有返回值线程了，但Java提供了更多的线程状态检查，控制类来更好的使用这两个接口。

2.4. Future接口对任务进行监测

Future接口有5个方法，我们依次来进行介绍

public interface Future<V> {

    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

    boolean isCancelled();

    boolean isDone();

    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

    V get(long timeout, TimeUnit unit)

        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

}
  • cancel() 方法来表示取消任务，如果取消成功则返回true，否则返回false。其参数mayInterruptIfRunning则表示正在执行的任务。
  • isCanelled() 方法表示任务是否已经取消，如果任务完成前成功取消则返回true。
  • isDone() 方法表示任务是否已经完成，如果完成返回true。
  • get() 方法获取执行结果，这个方法会产生阻塞，一直到执行完毕才返回。
  • get(long timeout, TimeUnit unit) 方法在获取执行结果同时给一个时间，如果超时仍被阻塞则返回Null。

2.5. FutureTask类：Future类的唯一实现

FutureTask类实现了RunnableFuture接口，而RunnableFuture接口如同名字一样，接入了Runnable和Future两个类。因此FutrueTask既可以作为Runnable被线程执行(自动调用其run()方法),同时又可以视为Future类来得到Callable类的返回值。此处我们可以看到Java设置这个类的用意——让用户尽量使用这个类去管理线程。

使用FutureTask类托管Callable的一个例子：

class MyClass implements Callable {

    private volatile boolean isRunning = true;

    public boolean isRunning() {

        return isRunning;

    }

    public void setRunning(boolean isRunning) {

        this.isRunning = isRunning;

    }

    @Override

    public Object call() {

        System.out.println("进入到run方法中了");

        while (isRunning == true) {

        }

        System.out.println("线程执行完成了");

        return isRunning;

    }

}

public class RunThread{

    public static void main(String[] args) {

        try {

            MyClass myClass=new MyClass();

            FutureTask futureTask=new FutureTask(myClass);

            Thread thread=new Thread(futureTask);

            thread.start();

            Thread.sleep(1000);

            myClass.setRunning(false);

            try{

                System.out.println(futureTask.get());

            }

            catch (Exception e){

                System.out.println("Type error");

            }

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

}

3. Java多线程的调度

3.1. Java多线程的就绪，运行和死亡

Java多线程：生命周期，实现与调度

如图，需要注意的是CPU调度线程有随机性，不排除线程调用yield()进入就绪状态后CPU又去调用线程的情况。

3.2. Java线程的阻塞

3.2.1. Java线程的阻塞方法

  • join()方法：让一个线程等待另一个线程完成才继续执行。如，在线程A的运行过程中调用线程B的join方法，则线程A被阻塞，等待线程B运行完成后才继续运行。该方法通常用于主线程中。
public static void main(String[] args){

  ......

  threadB.join();

}
  • sleep()方法：让当前的线程进入阻塞状态，暂停指定时间，之后恢复就绪状态。例如，在前面的例子里，我们让主线程sleep 1000毫秒以显示效果。需要注意的是，sleep()方法并不会释放锁，实际上，sleep()是一个与实例无关的方法。sleep()方法是一个静态方法，也就是说他只对当前线程有效，通过t.sleep()让t对象进入sleep，这样的做法是错误的，其效果和Thread.sleep()无异但造成了一定迷惑性。sleep()的目的在于让当前线程自主的暂停，因而是针对当前线程生效的静态方法，即是在子线程的run()函数中也可以调用。如果不是这样的设计，sleep()要么和wait()同质，要么会造成严重的死锁。与sleep()方法有一定共性但实质上区别很大的wait()方法接下来我会单开文章去谈。

3.3. 后台线程

后台线程主要为其他线程提供服务，或“守护线程”。例如：JVM的GC线程。后台线程与前台线程生命周期有一定关联。主要体现在：当所有前台线程死去时，后台线程也会自动死去。

设置一个线程是否为后台线程只需要调用该线程的setDaemon(boolean val)方法即可，创建一个线程后，默认为非后台线程。

public static void main(String[] args){

  ......

  threadB.setDaemon(true);

}

3.4. 线程的优先级

考虑到下面的情景，5个线程竞争同一资源，资源目前被重要线程A锁定，当线程A执行完毕，解锁释放资源后，我们希望重要线程E能先于BCD得到资源。此时，我们则需要优先级这个属性。每个线程都有一个优先级变量，该变量的值可以是1到10之间的一个常数。数字越大，代表优先级越高。Java给了其中三个常量名称，分别是：

MAX_PRIORITY:10

MIN_PRIORITY:1

NORM_PRIORITY:5

默认情况下，一个线程的优先级是其父线程的优先级。而主线程的优先级是NORM_PRIORITY,即数字5，因此，我们可以看到很多资料里认为现成的默认优先级是5，其实不是这样的。我们可以通过调用线程的setPrority(short val)来设置线程的优先级以及使用getPrority()来获取优先级。

class MyClass implements Callable {

    @Override

    public Object call() {

        System.out.println("线程执行完成了,将返回其子线程的优先级");

        return new Thread().getPriority();

    }

}

public class RunThread {

    public static void main(String[] args) {

        FutureTask futureTask = new FutureTask(new MyClass());

        Thread thread = new Thread(futureTask);

        thread.setPriority(3);

        System.out.println("设置该线程的优先级为"+thread.getPriority());

        thread.start();

        try {

            System.out.println("该线程的子线程优先级为" + futureTask.get());

        } catch (Exception e) {

            System.out.println("Type error");

        }

    }

}

上面这段代码的返回内容如下：

设置该线程的优先级为3

线程执行完成了,将返回其子线程的优先级

该线程的子线程优先级为3

然而，需要注意的是，优先级无法保证线程的执行顺序，即在BCDE竞争资源的情境中，无法保证E线程一定先执行。优先级高则其获取CPU资源的可能性比较大，而不是一定会先于其他线程获取执行优先权，优先级低的线程仍有得到执行权的可能。

同时我们不要忘记，Java的Thread类的核心方法是native方法，即是线程实现大量依赖宿主机的机制。Java有10个优先级，如果宿主机是Linux系统，有31个优先级，显然没什么问题。但如果宿主机是Windows7，只有7个优先级，那么Java的10个优先级就会根据系统的优先级进行映射。同时，线程的优先级也会受到虚拟机的影响。

3.5. 线程让步yield()

前面多少也提到过了。yield()和sleep()类似，是静态方法，作用于将当前运行的线程，其作用于具体线程，调用方法是Thread.yield()，使用t.yield()同样是能够使用但逻辑不清晰的做法。具体来说。yield()是让当前线程从running态回到runnable态。之后，线程间重新进行资源竞争，由CPU进行调度，因此yield()实际上是一个与锁不是很有关系的方法，和sleep()一样，作为当前线程的主动方法，不会引起死锁。

4. 参考文章

Java总结篇系列：Java多线程

Java并发编程：Callable,Future和FutureTask

[线程的状态、分类及优先级](http://blog.****.net/yegongheng/article/details/38708765

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