第1章 多线程基础
第1章 多线程基础
1.1.2 线程与进程的关系
进程可以看成是线程的容器,而线程又可以看成是进程中的执行路径。
1.2 多线程启动
线程有两种启动方式:实现Runnable接口;继承Thread类并重写run()方法。
执行进程中的任务时才会产生线程,因此需要一种描述任务的方式,这可以由Runnable接口来提供。要想定义任务,需要实现Runnable接口并且重写run()方法,然后再将Runnable的实现对象作为参数传递给Thread类。
调用Thread类的start()方法,启动线程,向CPU发出请求,去执行任务。
还可以采用继承Thread类并且重写run()方法,然后调用start()启动线程。
通常情况下,实现Runnable接口然后启动线程是一个更好的选择,这可以提高程序的灵活性和扩展性,并且用Runnable接口描述任务也更容易理解。
1.2.1 线程标识
Thread类用于管理线程,如设置线程优先级、设置Daemon属性、读取线程名字和ID、启动线程任务、暂停线程任务、中断线程等。
为了管理线程,每个线程在启动后都会生成一个唯一的标识符,并且在其生命周期内保持不变。当线程被终止时,该线程ID可以被重用。而线程的名字更加直观,但是不具有唯一性。
1.2.2 Thread与Runnable
Runnable接口表示线程要执行的任务。当Runnable中的run()方法执行时,表示线程在激活状态,run()方法一旦执行完毕,即表示任务完成,则线程将被停止。
Thread类默认实现了Runnable接口,并且其构造方法的重载形式允许传入Runnable接口对象作为任务。
通过Thread类的源代码可以发现,线程的两种启动方式,其本质都是实现Thread类中的run()方法。而实现Runnable接口,然后传递给Thread类的方式,比Thread子类重写run()方法更加灵活。
1.2.3 run()与start()
调用Thread对象的start()方法,使线程对象开始执行任务,这会触发Java虚拟机调用当前线程对象的run()方法。调用start()方法后,将导致两个线程并发运行,一个是调用start()方法的当前线程,另外一个是执行run()方法的线程。
如果重复调用start()方法,这是一个非法操作,它不会产生更多的线程,反而会导致IllegalThreadStateException异常。
1.2.4 Thread源码分析
创建Thread类实例,首先会执行registerNatives()方法,它在静态代码块中加载。线程的启动、运行、生命期管理和调度等都高度依赖于操作系统,Java本身并不具备与底层操作系统交互的能力。因此线程的底层操作都使用了native方法,registerNatives()就是用C语言编写的底层线程注册方法。
无论通过Thread类的哪种构造方法去创建线程,都需要首先调用init()方法,初始化线程环境
在init()方法中,做了如下操作:
(1)设置线程名称。
(2)将新线程的父线程设置为当前线程。
(3)获取系统的安全管理SecurityManager,并获得线程组。SecurityManager在Java中被用来检查应用程序是否能访问一些受限资源,如文件、套接字(socket)等。它可以用在那些具有高安全性要求的应用程序中。
(4)获取线程组的权限检查。
(5)在线程组中增加未启动的线程数量。
(6)设置新线程的属性,包括守护线程属性(默认继承父线程)、优先级(默认继承父线程)、堆栈大小(如果为0,则默认由JVM分配)、线程组、线程安全控制上下文(一种Java安全模式,设置访问控制权限)等。
1.3 线程状态
Java中的线程存在6种状态,分别是NEW、RUNNABLE、BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING、TERMINATED。我们可以通过Thread类中的Thread.getState()方法获取线程在某个时期的线程状态。在给定的时间点,线程只能处于一种状态。
1.3.1 NEW状态
NEW代表着线程新建状态,一个已创建但是未起动(start)的线程处于NEW状态。
1.3.2 RUNNABLE状态
RUNNABLE状态表示一个线程正在Java虚拟机中运行,但是这个线程是否获得了处理器分配资源并不确定。调用Thread的start()方法后,线程从NEW状态切换到了RUNNABLE状态。
1.3.3 BLOCKED状态
BLOCKED为阻塞状态,表示当前线程正在阻塞等待获得监视器锁。当一个线程要访问被其他线程synchronized锁定的资源时,当前线程需要阻塞等待。
1.3.4 WAITING状态
WAITING表示线程处于等待状态。
在当前线程中调用如下方法之一时,会使当前线程进入等待状态:
Object类的wait()方法(没有超时设置);
Thread类的join()方法(没有超时设置);
LockSupport类的park()方法。
处于等待状态的线程,正在等待另外一个线程去完成某个特殊操作。例如,在某个线程中调用了Object对象的wait()方法,它会进入等待状态,等待Object对象调用notify()或notifyAll()方法。一个线程对象调用了join()方法,则会等待指定的线程终止任务。
1.3.5 TIMED_WAITING状态
TIMED_WAITING表示线程处于定时等待状态。
在当前线程中调用如下方法之一时,使当前线程进入定时等待状态:
Object类的wait()方法(有超时设置);
Thread类的join()方法(有超时设置);
Thread类的sleep()方法(有超时设置);
LockSupport类的parkNanos ()方法;
LockSupport类的parkUntil()方法。
1.3.6 WAITING与BLOCKED的区别
WAITING、TIMED_WAITING、BLOCKED这几个线程状态,都会使当前线程处于停顿状态,因此容易混淆。下面简单总结一下这些状态之间的区别:
(1)Thread.sleep()不会释放占有的对象锁,因此会持续占用CPU。
(2)Object.wait()会释放占有的对象锁,不会占用CPU。
(3)BLOCKED使当前线程进入阻塞后,为了抢占对象监视器锁,一般操作系统都会给这个线程持续的CPU使用权。
(4)LockSupport.park()底层调用UNSAFE.park()方法实现,它没有使用对象监视器锁,不会占用CPU。
1.3.7 TERMINATED状态
TERMINATED表示线程为完结状态。当线程完成其run()方法中的任务,或者因为某些未知的异常而强制中断时,线程状态变为TERMINATED。
1.3.8 线程状态转换
前面我们学习了Java线程的6种状态,接下来通过图1-2对线程状态转换进行汇总。在图1-2中,把线程RUNNABLE状态细分为两种:runnable(准备就绪)和running(运行中)。runnable表示线程刚刚被JVM启动,还没有获得CPU的使用权;running表示线程获得了CPU的使用权,正在运行。
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1.4 sleep()与yield()
1.4.1 线程休眠sleep()
Thread类的sleep()方法,使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂时停止执行,具体停止时间取决于系统定时器和调度程序的精度和准确性。当前线程状态由RUNNABLE切换到TIMED_WAITING。调用sleep()方法不会使线程丢失任何监视器所有权,因此当前线程仍然占用CPU分片。
调用sleep()方法可能会抛出InterruptedException异常,它应该在run()方法中被捕获,因为异常无法传递到其他线程,如主线程就无法捕获子线程抛出的异常。
Java SE5引入了更加显式的sleep()版本,作为TimeUit类的一部分。例如,TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000)等价于Thread.sleep(1000),表示休眠1秒。TimeUnit类提供了更好的可读性。
1.4.2 线程让步yield()
Thread类的yield()方法对线程调度器发出一个暗示,即当前线程愿意让出正在使用的处理器。调度程序可以响应暗示请求,也可以自由地忽略这个提示。如图1-2所示,线程调用yield()方法后,可能从running状态转为runnable状态。
需要强调的是:**yield()仅仅是一个暗示,没有任何机制保证它一定会被采纳。**线程调度器是Java线程机制的底层对象,可以把CPU的使用权从一个线程转移到另外一个线程。如果你的计算机是多核处理器,那么分配线程到不同的处理器执行任务要依赖线程调度器。
1.5 线程优先级
每个线程都有优先级。具有较高优先级的线程可能优先获得CPU的使用权。创建一个新的Thread对象时,新线程的优先级默认与创建线程的优先级一致。
JDK中实际上存在着10个优先级,但是这与大多数操作系统不能建立很好的映射关系。比如Windows有7个线程优先级设置,而Sun的Solaris只有两个线程优先级,因此在Java中一般只使用下面的三种优先级设置。
不应该过分依赖于线程优先级的设置,理论上线程优先级高的会优先执行,但实际情况可能并不明确。例如,线程调度机制还没有来得及介入时,线程可能就已经执行完了。所以优先级具有一定的“随机性”。
1.5.1 线程优先级与资源竞争
具有较高优先级的线程会优先得到调度系统资源分配。也就是说优先级高的线程可以优先竞争共享资源。但线程的优先级调度和底层操作系统有密切的关系,在各个平台上表现不一并且无法精准控制。因此在要求严格的场合,需要开发者在应用层解决线程调度问题。
当调用Thread.yield()方法时,会给线程调度器一个暗示,即优先级高的其他线程或相同优先级的其他线程,都可以优先获得CPU分片。
1.6 守护线程
1.6.1 守护线程的概念
在Java线程中有两种线程,一种是用户线程,另一种是守护线程(Daemon)。
所谓守护线程,是指在程序运行的时候在后台提供一种通用服务的线程。比如,垃圾回收线程就是一个很称职的守护者(当一个对象不再被引用的时候,内存回收它占领的空间,以便空间被后来的新对象使用)。
Daemon线程与用户线程在使用时没有任何区别,唯一的不同是:当所有用户线程结束时,程序也会终止,Java虚拟机不管是否存在守护线程,都会退出。
调用Thread对象的setDaemon()方法,可以把用户线程标记为守护者。调用isDaemon()方法可以判断线程是否是一个守护线程。
空间,以便空间被后来的新对象使用)。
Daemon线程与用户线程在使用时没有任何区别,唯一的不同是:当所有用户线程结束时,程序也会终止,Java虚拟机不管是否存在守护线程,都会退出。
调用Thread对象的setDaemon()方法,可以把用户线程标记为守护者。调用isDaemon()方法可以判断线程是否是一个守护线程。
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