Java 多线程详解

Posted 2024-04-6 Updated 2024-04- 13

By Airbo ZH

20~26 min read

基本概念

线程和进程

线程和进程分别是什么？常见的一个概念是

进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是CPU的基本调度单位。

但是显然这并不方便理解。要解决这个问题可能需要从操作系统开始说起：

程序

计算机程序是一组计算机能识别和执行的指令

也就是我们写的代码或者编译出来的代码

进程

当程序运行起来就成为了一个进程，操作系统为了避免进程操作到为了避免进程A写入进程B的情况发生，会使用一个叫进程隔离的技术，进程间的通信可以使用进程间通信（Inter-Process Communication，简称 IPC）完成。

进程隔离的实现，使用了虚拟空间地址（虚拟内存空间），进程A的虚拟地址和进程B的虚拟地址不同，这样就防止进程A将数据信息写入进程B。

就像井底之蛙以为自己看到的天空就是全部的天空一样，每个进程都以为自己独占了所有内存，但其实只是内存中的一部分。

程序并行

由于 CPU 的执行速度是远非常快的，配合时间片轮转调度，我们可以认为 CPU 是可以同时处理很多程序运行。再加上现在 CPU 也都有很多核心，也就是说如果我们的程序想要运行得更快，就可以让尽可能多个代码片段一起并行运行。

线程

前面我们说 当程序运行起来就成为了一个进程，因为并行的程序需要做同一件事情，那么有没有一种可以相互不隔离的“进程”呢？

这种相互不管理的“进程”就叫做线程，线程们共享进程的资源，同时又可以分别处理各自的程序片段。

井底之蛙

如果说进程是只有自己一片天的井底之蛙，那线程就是进程井里的一只青蛙了。

Linux 底层

创建进程和线程最终都调用了一个名为 do_dork() 的方法，只是一些关于资源（内存，文件等）的参数不同。

宏观看看

对于操作系统来说，一个任务就是一个进程（Process），比如打开一个浏览器就是启动一个浏览器进程，打开一个记事本就启动了一个记事本进程，打开两个记事本就启动了两个记事本进程，打开一个Word就启动了一个Word进程。

有些进程还不止同时干一件事，比如Word，它可以同时进行打字、拼写检查、打印等事情。在一个进程内部，要同时干多件事，就需要同时运行多个“子任务”，我们把进程内的这些“子任务”称为线程（Thread）。

创建一个线程

Thread 类

public class MyThreadTest {
  public static void main(String[] args) {
    Thread1 thread1 = new Thread1();
    thread1.start();
  }
}

class Thread1 extends Thread {
  @Override
  public void run() {
    System.out.println("Thread1");
  }
}

Java 中新建一个线程的方法就是继承 Thread 类然后重写 run() 方法。

Runnable 接口

可以看到Thread 类实现了Runnable 接口

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

当实现接口 Runnable 的对象用于创建线程时，启动线程会导致在单独执行的线程中调用对象的 run 方法。

函数式接口

Runnable 接口又是一个 函数式接口(@FunctionalInterface)

函数式接口(Functional Interface)就是一个有且仅有一个抽象方法，但是可以有多个非抽象方法的接口。
函数式接口可以被隐式转换为 lambda 表达式。

[ 挖一个函数式接口的坑 ]

Thread.start()

    public synchronized void start() {

        if (threadStatus != 0)
            throw new IllegalThreadStateException();

        group.add(this);

        boolean started = false;
        try {
            start0();
            started = true;
        } finally {
            try {
                if (!started) {
                    group.threadStartFailed(this);
                }
            } catch (Throwable ignore) {
                /* 什么也不做。如果start0抛出了一个Throwable，
				   那么它将向上传递到调用堆栈 */
            }
        }
    }

    private native void start0();

Java 本身并不能创建线程，所以 star() 方法中调用了原生方法 start0() 来创建线程。

线程的状态

在Java程序中，一个线程对象只能调用一次start()方法启动新线程，并在新线程中执行run()方法。一旦run()方法执行完毕，线程就结束了。因此，Java线程的状态有以下几种：

New：新创建的线程，尚未执行；
Runnable：运行中的线程，正在执行run()方法的Java代码；
Blocked：运行中的线程，因为某些操作被阻塞而挂起；
Waiting：运行中的线程，因为某些操作在等待中；
Timed Waiting：运行中的线程，因为执行sleep()方法正在计时等待；
Terminated：线程已终止，因为run()方法执行完毕。

用一个状态转移图表示如下：

         ┌─────────────┐
         │     New     │
         └─────────────┘
                │
                ▼
┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐
 ┌─────────────┐ ┌─────────────┐
││  Runnable   │ │   Blocked   ││
 └─────────────┘ └─────────────┘
│┌─────────────┐ ┌─────────────┐│
 │   Waiting   │ │Timed Waiting│
│└─────────────┘ └─────────────┘│
 ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─
                │
                ▼
         ┌─────────────┐
         │ Terminated  │
         └─────────────┘

线程同步（锁）

引子

让我们写一个 100 个线程自增的程序

public class LockP {
  private static int num = 0;
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      for(int i = 0; i < 100; i++){
          new Thread(()->{
                for(int j = 0; j < 100; j++)
                    num++;
            }).start();
      }
      sleep(1000); // 等待所有线程执行完毕
      System.out.println(num);
  }
}

执行三次结果分别是：

9862
9946
9936

可以看到程序并没有如我们所愿将num自增到10000 ，这是因为如果多个线程同时读写共享变量，会出现数据不一致的问题。

实际上++ 操作并不是一个原子性的操作，所以其他线程有可能在某个线程++ 的同时操作变量。

原子性：指事务的不可分割性，一个事务的所有操作要么不间断地全部被执行，要么一个也没有执行。

传统方式

解决线程同步的问题就需要线程同步了，传统方式我们使用synchronized 关键字。

public class LockP { 
  private static int num = 0;
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      for(int i = 0; i < 100; i++){
          new Thread(()->{
                for(int j = 0; j < 100; j++)
                    synchronized (LockP.class) {
                        num++;
                    }
            }).start();
      }
      sleep(1000); // 等待所有线程执行完毕
      System.out.println(num);
  }
}

它表示用LockP.class作为一把锁，在执行synchronized (LockP.class) { .... } 代码块的时候只能有一个线程操作。

基本概念

线程和进程

程序

进程

程序并行

线程

井底之蛙

Linux 底层

宏观看看

创建一个线程

Thread 类

Runnable 接口

函数式接口

Thread.start()

线程的状态

线程同步（锁）

引子

传统方式

JUC

什么是JUC

新建线程的方法

生产者消费者

传统

虚假唤醒

JUC

集合安全

List

常用辅助类

CountDownLatch

CyclicBarrier

Semaphore

读写锁

队列

4组API

线程池

3大方法

7大参数

四种拒绝策略

JMM

Volatile

CAS