Java线程详解

Java线程详解,第1张

Java线程详解 写在最前

线程是一个比进程更小的执行单位。一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。与进程不同的是同类的多个线程共享同一块内存空间和一组系统资源,所以系统在产生一个线程,或是在各个线程之间作切换工作时,负担要比进程小得多,也正因为如此,线程也被称为轻量级进程。

Java 给多线程编程提供了内置的支持。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流,一个进程中可以并发多个线程,每条线程并行执行不同的任务。

  • 如果对线程、进程想了解更多的,请阅读 并发编程应知概念详解;
  • 如果对创建线程想了解更多的,请阅读 Java创建线程的几种方式;
线程状态 生命周期

线程是一个动态执行的过程,它也有一个从产生到死亡的过程。下图显示了一个线程完整的生命周期:

状态转换

  • 新建状态(NEW):使用 new 关键字和 Thread 类或其子类建立一个线程对象后,该线程对象就处于新建状态。它保持这个状态直到程序 start() 这个线程。
  • 就绪状态(RUNNABLE):当线程对象调用了start()方法之后,该线程就进入就绪状态。就绪状态的线程处于就绪队列中,要等待JVM里线程调度器的调度。
  • 运行状态(RUNNING):如果就绪状态的线程获取 CPU 资源,就可以执行 run(),此时线程便处于运行状态。处于运行状态的线程最为复杂,它可以变为阻塞状态、就绪状态和死亡状态。
  • 阻塞状态(BLOCKED):如果一个线程执行了 sleep(睡眠)、suspend(挂起)等方法,失去所占用资源之后,该线程就从运行状态进入阻塞状态。在睡眠时间已到或获得设备资源后可以重新进入就绪状态。可以分为三种:
    • 等待阻塞:运行状态中的线程执行 wait() 方法,使线程进入到等待阻塞状态。
    • 同步阻塞:线程在获取 synchronized 同步锁失败(因为同步锁被其他线程占用)。
    • 其他阻塞:通过调用线程的 sleep() 或 join() 发出了 I/O 请求时,线程就会进入到阻塞状态。当 sleep() 状态超时,join() 等待线程终止或超时,或者 I/O 处理完毕,线程重新转入就绪状态。
  • 死亡状态(DEAD):一个运行状态的线程完成任务或者其他终止条件发生时,该线程就切换到终止状态。
线程优先级

每一个 Java 线程都有一个优先级,这样有助于 *** 作系统确定线程的调度顺序。

Java 线程的优先级是一个整数,其取值范围是 1 (Thread.MIN_PRIORITY ) - 10 (Thread.MAX_PRIORITY )。

默认情况下,每一个线程都会分配一个优先级 NORM_PRIORITY(5)。可以定义线程的优先级,但是这并不能保证高优先级的线程会在低优先级的线程前执行。

具有较高优先级的线程对程序更重要,并且应该在低优先级的线程之前分配处理器资源。但是,线程优先级不能保证线程执行的顺序,而且非常依赖于平台(OS dependent)。

线程调度器

线程调度器是一个 *** 作系统服务,它负责为 Runnable 状态的线程分配 CPU 时间。一旦创建一个线程并启动它,它的执行便依赖于线程调度器的实现。时间分片是指将可用的 CPU 时间分配给可用的 Runnable 线程的过程。分配 CPU 时间可以基于线程优先级或者线程等待的时间。线程调度并不受到 Java 虚拟机控制,所以由应用程序来控制它是更好的选择。

竞态条件

当两个线程竞争同一资源时,如果对资源的访问顺序敏感,就称存在竞态条件。

怎样发现和解决竞争?

在临界区中使用适当的同步就可以避免竞态条件。界区实现方法有两种,一种是用 synchronized,一种是用 Lock 显式锁实现。

上下文切换

单核CPU也支持多线程执行代码,CPU 通过给每个线程分配 CPU 时间片来实现这个机制。时间片是 CPU 分配给各个线程的时间,因为时间片非常短,所以 CPU 通过不停地切换线程执行,让我们感觉多个线程时同时执行的,时间片一般是几十毫秒(ms)。

*** 作系统中,CPU时间分片切换到另一个就绪的线程,则需要保存当前线程的运行的位置,同时需要加载需要恢复线程的环境信息。

什么是线程安全? 线程不安全

线程安全就是说多线程访问同一代码,产生不确定的结果。下面这段代码就是线程不安全的典型例子。

public class NoSafeTicket implements Runnable {

  private int allTickets = 10;

  @Override
  public void run() {
    while (allTickets > 0) {
      try {
        // 扩大时长,模拟实际情况
        Thread.sleep(100);
        buy();
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }

  public void buy() {
    if (this.allTickets <= 0) {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没票可买了");
    } else {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "买了第" + this.allTickets-- + "张票");
    }
  }

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    NoSafeTicket t = new NoSafeTicket();
    new Thread(t, "张三").start();
    new Thread(t, "李四").start();
    new Thread(t, "王五").start();
  }
}

程序运行结果:

张三买了第10张票
李四买了第10张票
...
张三买了第3张票
王五买了第3张票
李四买了第3张票

上面这段代码每次运行的结果都会发现变化,但重点在于有人买到了相同的票,这是不合理的,这种结果的产升我们可以说这段线程是不安全的。

线程安全

线程安全就是说多线程访问同一代码,不会产生不确定的结果。

在多线程环境中,当各线程不共享数据的时候,即都是私有(private)成员,那么一定是线程安全的。但这种情况并不多见,在多数情况下需要共享数据,这时就需要进行适当的同步控制了。线程安全一般都涉及到 synchronized, 就是一段代码同时只能有一个线程来 *** 作,不然中间过程可能会产生不可预制的结果。

我们修改一下上面线程不安全代码,把他变成线程安全! buy() 增加 synchronized 关键字

public synchronized void buy() {
    if (this.allTickets <= 0) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没票可买了");
    } else {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "买了第" + this.allTickets-- + "张票");
    }
}

程序运行结果:

王五买了第10张票
李四买了第9张票
张三买了第8张票
王五买了第7张票
张三买了第6张票
李四买了第5张票
王五买了第4张票
张三买了第3张票
李四买了第2张票
李四买了第1张票
张三没票可买了
王五没票可买了
如何确保线程安全?
  • 对非安全的代码进行加锁控制;
  • 使用线程安全的类;
  • 多线程并发情况下,线程共享的变量改为方法级的局部变量;
线程安全的级别 不可变

不可变的对象一定是线程安全的,并且永远也不需要额外的同步。

Java类库中大多数基本数值类如 Integer、String 和 BigInteger 都是不可变的。

无条件的线程安全

又称为绝对线程安全,由类的规格说明所规定的约束在对象被多个线程访问时仍然有效,不管运行时环境如何排列,线程都不需要任何额外的同步。

如 Random 、ConcurrentHashMap、Concurrent 集合、Atomic。

有条件的线程安全

又称为相对线程安全,有条件的线程安全类对于单独的 *** 作可以是线程安全的,但是某些 *** 作序列可能需要外部同步。

遍历由 Hashtable 或者 Vector 或者返回的迭代器。

非线程安全(线程兼容)

线程兼容类不是线程安全的,但是可以通过正确使用同步而在并发环境中安全地使用。

如 ArrayList HashMap。

线程对立

线程对立是那些不管是否采用了同步措施,都不能在多线程环境中并发使用的代码。

如 System.setOut()、System.runFinalizersonExit()。

用户线程和守护线程 用户线程

平时用到的普通线程均是用户线程,当在 Java 程序中创建一个线程,它就被称为用户线程。

守护线程

守护线程都是为 JVM 中所有非守护线程的运行提供便利服务: 只要当前JVM实例中尚存在任何一个非守护线程没有结束,守护线程就全部工作;只有当最后一个非守护线程结束时,守护线程随着 JVM 一同结束工作。

区别与联系

User 和 Daemon 两者几乎没有区别,唯一的不同之处就在于虚拟机的离开:如果 User Thread 已经全部退出运行了,只剩下 Daemon Thread 存在了,虚拟机也就退出了。

因为没有了被守护者,Daemon也就没有工作可做了,也就没有继续运行程序的必要了。

如何创建守护线程?

任何线程都可以设置为守护线程和用户线程,通过方法:Thread.setDaemon(bool on);true 则把该线程设置为守护线程,反之则为用户线程。Thread.setDaemon() 必须在Thread.start() 之前调用,否则运行时会抛出异常。

什么场合来使用它?

守护线程相当于辅助角色,比如 : 进行内存回收,垃圾清理等工作。

Thread常用方法

被 Thread 对象调用的方法:

序号方法描述1public void start()
使该线程开始执行;Java 虚拟机调用该线程的 run 方法。2public void run()
如果该线程是使用独立的 Runnable 运行对象构造的,则调用该 Runnable 对象的 run 方法;否则,该方法不执行任何 *** 作并返回。3public final void setName(String name)
改变线程名称,使之与参数 name 相同。4public final void setPriority(int priority)
更改线程的优先级。5public final void setDaemon(boolean on)
将该线程标记为守护线程或用户线程。6public final void join(long millisec)
等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒。7public void interrupt()
中断线程。8public final boolean isAlive()
测试线程是否处于活动状态。

Thread 类的静态方法:

序号方法描述1public static void yield()
暂停当前正在执行的线程对象,并执行其他线程。2public static void sleep(long millisec)
在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠(暂停执行),此 *** 作受到系统计时器和调度程序精度和准确性的影响。3public static boolean holdsLock(Object x)
当且仅当当前线程在指定的对象上保持监视器锁时,才返回 true。4public static Thread currentThread()
返回对当前正在执行的线程对象的引用。5public static void dumpStack()
将当前线程的堆栈跟踪打印至标准错误流。 start()和run()方法

我们有没有想过这样一个问题:为什么我们调用start()方法时会执行run()方法,为什么我们不能直接调用run()方法?

JVM 执行 start 方法,会另起一条线程执行 Thread 的 run 方法,这才起到多线程的效果!如果直接调用 Thread 的 run() 方法,其方法还是运行在主线程中,没有起到多线程效果。

sleep()和yield()方法区别
  1. sleep() 方法给其他线程运行机会时不考虑线程的优先级,因此会给低优先级的线程以运行的机会;yield() 方法只会给相同优先级或更高优先级的线程以运行的机会;
  2. 线程执行 sleep() 方法后转入阻塞(blocked)状态,而执行 yield() 方法后转入就绪(ready)状态;
  3. sleep() 方法声明抛出 InterruptedException,而 yield() 方法没有声明任何异常;
  4. sleep() 方法比 yield() 方法(跟 *** 作系统CPU调度相关)具有更好的可移植性。
Thread.sleep(0)

由于 Java 采用抢占式的线程调度算法,因此可能会出现某条线程常常获取到 CPU 控制权的情况,为了让某些优先级比较低的线程也能获取到 CPU 控制权,可以使用 Thread.sleep(0) 手动触发一次 *** 作系统分配时间片的 *** 作,这也是平衡 CPU 控制权的一种 *** 作。

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原文地址: https://outofmemory.cn/zaji/5687465.html

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