java并发编程 | 线程详解

时间：2022-04-24 18:02:04

个人网站：https://chenmingyu.top/concurrent-thread/

进程与线程

进程：操作系统在运行一个程序的时候就会为其创建一个进程（比如一个java程序），进程是资源分配的最小单位，一个进程包含多个线程

线程：线程是cpu调度的最小单位，每个线程拥有各自的计数器，对战和局部变量等属性，并且能过访问共享的内存变量

线程的状态

java线程的生命周期总共包括6个阶段：

  1. 初始状态：线程被创建，但是还没有调用start()方法
  2. 运行状态：java中将就绪状态和运行状态统称为运行状态
  3. 阻塞状态：线程阻塞，线程等待进入synchronized修饰的代码块或方法
  4. 等待状态：线程进入等待状态，需要调用notify()或notifyAll()进行唤醒
  5. 超时等待状态：线程进入等待状态，在指定时间后自行返回
  6. 终止状态：线程执行完毕

在某一时刻，线程只能处于其中的一个状态

java并发编程 | 线程详解

线程初始化后，调用start()方法变为运行状态，调用wait()，join()等方法，线程由运行状态变为等待状态，调用notify()或notifyAll()等方法，线程由等待状态变成运行状态，超时等待状态就是在等待状态基础上加了时间限制，超过规定时间，自动更改为运行状态，当需要执行同步方法时，如果没有获得锁，这时线程状态就变为阻塞状态，直到获取到锁，变为运行状态，当执行完线程的run()方法后，线程变为终止状态

创建线程

创建线程有三种方式

  1. 继承Thread类
  2. 实现Runnable接口
  3. 实现Callable接口

继承Thread类

/**
 * @author: chenmingyu
 * @date: 2019/4/8 15:13
 * @description: 继承Thread类
 */
public class ThreadTest extends Thread{

    @Override
    public void run() {
        IntStream.range(0,10).forEach(i->{
            System.out.println(this.getName()+":"+i);
        });
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new ThreadTest();
        thread.start();
    }
}
实现Runnable接口
/**
 * @author: chenmingyu
 * @date: 2019/4/8 15:18
 * @description: 实现Runnable接口
 */
public class RunnableTest implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        IntStream.range(0,10).forEach(i->{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i);
        });
    }

    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new RunnableTest();
        new Thread(runnable,"RunnableTest").start();
    }
}
实现Callable接口
/**
 * @author: chenmingyu
 * @date: 2019/4/8 15:23
 * @description: 实现Callable接口
 */
public class CallableTest implements Callable<Integer> {

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        IntStream.range(0,10).forEach(i->{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i);
        });
        return -1;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Callable callable = new CallableTest();
        FutureTask futureTask = new FutureTask(callable);
        new Thread(futureTask,"future").start();
        System.out.println("result:"+futureTask.get());
    }
}

线程间通信

不安全的线程暂停，恢复，停止操作

Thread提供的过期方法可以实现对线程进行暂停suspend()，恢复resume()，停止stop()的操作

例：创建一个线程，run()中循环输出当前时间，在main()方法中对新建线程进行暂停，恢复，停止的操作

/**
 * @author: chenmingyu
 * @date: 2019/4/8 15:51
 * @description: 线程的暂停，恢复，停止
 */
public class OperationThread implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1L);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"运行中："+LocalTime.now());
            }catch (InterruptedException e){
                System.err.println(e.getMessage());
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Runnable runnable = new OperationThread();
        Thread thread = new Thread(runnable,"operationThread");
        /**
         * 启动，输出当前时间
         */
        thread.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3L);

        /**
         * 线程暂停，不在输出当前时间
         */
        System.out.println("此处暂停："+LocalTime.now());
        thread.suspend();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3L);

        /**
         * 线程恢复，继续输出当前时间
         */
        System.out.println("此处恢复："+LocalTime.now());
        thread.resume();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3L);

        /**
         * 线程停止，不在输出当前时间
         */
        thread.stop();
        System.out.println("此处停止："+LocalTime.now());
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3L);
    }
}

输出

java并发编程 | 线程详解

因为是过期方法，所以不推荐使用，使用suspend()方法后，线程不会释放已经占有的资源，就进入睡眠状态，容易引发死锁问题，而使用stop()方法终结一个线程是不会保证线程的资源正常释放的，可能会导致程序异常

安全的线程暂停，恢复（等待/通知机制）

线程安全的暂停，恢复操作可以使用等待/通知机制代替

安全的线程暂停，恢复（等待/通知机制）

相关方法：

方法名 描述
notify() 通知一个在对象上等待的线程，使其重wait()方法中返回，前提是该线程获得了对象的锁
notifyAll() 通知所有等待在该对象上的线程
wait() 调用该方法线程进入等待状态，只有等待另外线程的通知或被中断才会返回，调用该方法会释放对象的锁
wait(long) 超时等待一段时间（毫秒），如果超过时间就返回
wait(long,int) 对于超时时间耕细粒度的控制，可以达到纳秒

例：创建一个名为waitThread的线程，在run()方法,使用中使用synchronized进行加锁，以变量flag为条件进行while循环，在循环中调用LOCK.wait()方法，此时会释放对象锁，由main()方法获得锁，调用LOCK.notify()方法通知LOCK对象上等待的waitThread线程，将其置为阻塞状态，并将变量flag置为true，当waitThread线程再次获取对象锁之后继续执行余下代码

/**
 * @author: chenmingyu
 * @date: 2019/4/8 20:00
 * @description: wait/notify
 */
public class WaitNotifyTest {

    private static Object LOCK = new Object();
    private static Boolean FLAG = Boolean.TRUE;


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        Runnable r = new WaitThread();
        new Thread(r,"waitThread").start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1L);
        synchronized (LOCK){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"唤醒waitThread线程："+LocalTime.now());
            /**
             * 线程状态由等待状态变为阻塞状态
             */
            LOCK.notify();
            /**
             * 只有当前线程释放对象锁，waitThread获取到LOCK对象的锁之后才会从wait()方法中返回
             */
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2L);
            FLAG = Boolean.FALSE;
        }
    }

    public static class WaitThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            /**
             * 加锁
             */
            synchronized (LOCK){
                while (FLAG){
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"运行中："+LocalTime.now());
                        /**
                         * 线程状态变为等待状态
                         */
                        LOCK.wait();
                        /**
                         * 再次获得对象锁之后，才会执行
                         */
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被唤醒："+LocalTime.now());
                    }catch (InterruptedException e){
                        System.err.println(e.getMessage());
                    }
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"即将停止："+LocalTime.now());
        }
    }
}

输出

java并发编程 | 线程详解
可以看到在mian线程调用LOCK.notify()方法后，沉睡了2s才释放对象锁，waitThread线程在获得对象锁之后执行余下代码

安全的线程停止操作(中断标识)

线程的安全停止操作是利用线程的中断标识来实现，线程的中断属性表示一个运行中的线程是否被其他线程进行了中断操作，其他线程通过调用该线程的interrupt()方法对其进行中断操作，而该线程通过检查自身是否被中断来进行响应，当一个线程被中断可以使用Thread.interrupted()方法对当前线程的中断标识位进行复位

例：新建一个线程，run方法中使用Thread.currentThread().isInterrupted()是否中断作为判断条件，在主线程中使用thread.interrupt()方法对子线程进行中断操作，用来达到终止线程的操作，这种方式会让子线程可以去清理资源或一些别的操作，而使用stop()方法则会会直接终止线程

/**
 * @author: chenmingyu
 * @date: 2019/4/8 20:47
 * @description: 中断
 */
public class InterruptTest {
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable r = new StopThread();
        Thread thread = new Thread(r,"stopThread");
        thread.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1L);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"对stopThread线程进行中断："+LocalTime.now());
        thread.interrupt();
    }

    public static class StopThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"运行中："+LocalTime.now());
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"停止："+LocalTime.now());
        }
    }
}
Thread.join()

Thread.join()作用是等待该线程终止

比如在主线程中新建一个子线程，调用子线程的join()方法，那么在子线程未执行完时，主线程的状态是阻塞状态，只有当子线程执行结束，主线程才会继续往下执行

方法名 作用
join() 调用A线程的join()方法后，那么当前线程需要等待A线程终止，才可以继续执行
join(long) 在join()方法的基础上增加了时间限制（毫秒），超出时间后，无论A线程是否执行完，当前线程都进入就绪状态，重新等待cpu调用
join(long,int) 在join(long)方法基础上，时间控制上更加严谨，时间细粒度为纳秒（Long毫秒+int纳秒）

例：循环创建子线程，在main线程中调用子线程的join()方法，在子线程中输出了一句日志

/**
 * @author: chenmingyu
 * @date: 2019/4/9 20:53
 * @description: thread.join();
 */
public class JoinThreadTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{

        IntStream.range(0, 5).forEach(i -> {
            try {
                Runnable runnable = new JoinThread();
                Thread thread = new Thread(runnable,"joinThread");
                thread.start();
                thread.join();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行中: " + LocalTime.now());
            } catch (InterruptedException e) {
                System.err.println(e.getMessage());
            }
            System.out.println("------- 分隔符 ------- ");
        });
    }

    public static class JoinThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1L);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行中: " + LocalTime.now());
            } catch (InterruptedException e) {
                System.err.println(e.getMessage());
            }
        }
    }
}

输出

java并发编程 | 线程详解

每次循环都是主线程等待子线程终止，在子线程执行完之后主线程才会继续执行

thread.join()源码

调用方线程（调用join方法的线程）执行等待操作，直到被调用的线程（join方法所属的线程）结束，再被唤醒

public final void join() throws InterruptedException {
    join(0);
}

join(0)方法

public final synchronized void join(long millis)
throws InterruptedException {
    long base = System.currentTimeMillis();
    long now = 0;

    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }

    if (millis == 0) {
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {
        while (isAlive()) {
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}

join()方法实现等待其实是调用了wait()方法，isAlive()方法的作用是监测子线程是否终止，如果终止或者超过了指定时间，代码就继续往下执行，否则就继续等待，知道条件满足

ThreadLocal

ThreadLocal，叫线程变量，是一个以ThreadLocal对象为键，任意对象为值的存储结构，ThreadLocal类型的变量在每个线程中是独立的，在多线程环境下不会相互影响

/**
 * @author: chenmingyu
 * @date: 2019/4/10 17:56
 * @description: ThreadLocal
 */
public class ThreadLocalTest {

    private static String STATE;
    private static ThreadLocal<String> STRING_THREAD_LOCAL = new InheritableThreadLocal<>();


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{

        STATE = "未重置";
        STRING_THREAD_LOCAL.set("未重置");

        Thread thread = new Thread(() ->
        {
            STATE = "已重置";
            STRING_THREAD_LOCAL.set("已重置");
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : 变量已重置");
        });
        thread.start();
        thread.join();

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "STATE : " + STATE);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "STRING_THREAD_LOCAL : " + STRING_THREAD_LOCAL.get());
    }
}

输出

java并发编程 | 线程详解

ThreadLocal<String>类型的变量STRING_THREAD_LOCAL未被子线程修改

参考：java并发编程的艺术

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