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。