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news 来源：原创 2024/5/18 13:27:19

其它相关笔记

共享模型之管程

共享模型之内存

共享模型之无锁

目录

  • 共享模型之管程
  • 共享模型之内存
  • 共享模型之无锁
  • 1.1进程与线程
    • 进程
    • 线程
    • 二者对比
  • 1.2 并行与并发
  • 2.1创建和运行线程
  • 2.2查看进程线程的方法
  • 2.3原理之线程运行
  • 2.4常见方法
  • 2.5start与run
  • 2.6 sleep 与 yield
  • 2.7join方法详解
  • 2.8interrupt 方法详解
  • 2.9不推荐的方法
  • 2.10主线程和守护线程
  • 2.11五种状态
  • 2.12六种状态

1.1进程与线程

进程

  • 程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至 CPU，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的
  • 当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程。
  • 进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本、画图、浏览器
    等），也有的程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐、360 安全卫士等）

线程

  • 一个进程之内可以分为一到多个线程。
  • 一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行
  • Java 中，线程作为最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。 在 windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器

二者对比

  • 进程基本上相互独立的，而线程存在于进程内，是进程的一个子集
  • 进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享
  • 进程间通信较为复杂

    • 同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）

    • 不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量

    • 线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低

1.2 并行与并发

单核 cpu 下，线程实际还是 串行执行 的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 cpu 的时间片（windows下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于 cpu 在线程间（时间片很短）的切换非常快，人类感觉是同时运行的 。总结为一句话就是： 微观串行，宏观并行 ，一般会将这种 线程轮流使用 CPU 的做法称为并发， concurrent
在这里插入图片描述
多核 cpu下，每个 核（core） 都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的。
在这里插入图片描述
引用 Rob Pike 的一段描述：

并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力
并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力

2.1创建和运行线程

方法一，直接使用 Thread

// 创建线程对象
Thread t = new Thread() {
 public void run() {
 // 要执行的任务
 }
};
// 启动线程
t.start();

例如：

// 构造方法的参数是给线程指定名字，推荐
Thread t1 = new Thread("t1") {
 @Override
 // run 方法内实现了要执行的任务
 public void run() {
 log.debug("hello");
 }
};
t1.start();

方法二，使用 Runnable 配合 Thread
把【线程】和【任务】（要执行的代码）分开

  • Thread 代表线程
  • Runnable 可运行的任务（线程要执行的代码）
Runnable runnable = new Runnable() {
 public void run(){
 // 要执行的任务
 }
};
// 创建线程对象
Thread t = new Thread( runnable );
// 启动线程
t.start();

例如:

// 创建任务对象
Runnable task2 = new Runnable() {
 @Override
 public void run() {
 log.debug("hello");
 }
};
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
t2.start();

Java 8 以后可以使用 lambda 精简代码:

// 创建任务对象
Runnable task2 = () -> log.debug("hello");
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
t2.start();

** Thread 与 Runnable 的关系**
Thread中的target变量指向了Runnable对象，并且Thread的run方法直接调用了target.run();

小结

  • 方法1 是把线程和任务合并在了一起，方法2 是把线程和任务分开了
  • 用 Runnable 更容易与线程池等高级 API 配合
  • 用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活

方法三，FutureTask 配合 Thread
FutureTask 能够接收 Callable 类型的参数，用来处理有返回结果的情况

// 创建任务对象
FutureTask<Integer> task3 = new FutureTask<>(() -> {
 log.debug("hello");
 return 100;
});
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
new Thread(task3, "t3").start();
// 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
Integer result = task3.get();
log.debug("结果是:{}", result);

2.2查看进程线程的方法

windows

  • 任务管理器可以查看进程和线程数，也可以用来杀死进程
  • tasklist 查看进程
  • taskkill 杀死进程

linux

  • ps -fe 查看所有进程
  • ps -fT -p 查看某个进程（PID）的所有线程
  • kill 杀死进程
  • top 按大写 H 切换是否显示线程
  • top -H -p 查看某个进程（PID）的所有线程

Java

  • jps 命令查看所有 Java 进程
  • jstack 查看某个 Java 进程（PID）的所有线程状态
  • jconsole 来查看某个 Java 进程中线程的运行情况（图形界面）

jconsole 远程监控配置

  • 需要以如下方式运行你的 java 类

java -Djava.rmi.server.hostname=ip地址 -Dcom.sun.management.jmxremote
-Dcom.sun.management.jmxremote.port=连接端口 -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=是否安全连接 -Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=是否认证 java类

  • 修改 /etc/hosts 文件将 127.0.0.1 映射至主机名
  • 如果要认证访问，还需要做如下步骤
  • 复制 jmxremote.password 文件
  • 修改 jmxremote.password 和 jmxremote.access 文件的权限为 600 即文件所有者可读写
  • 连接时填入 controlRole（用户名），R&D（密码）

2.3原理之线程运行

栈与栈帧
Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈）
我们都知道 JVM 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存是给谁用的呢？其实就是线程，每个线程启动后，虚拟机就会为其分配一块栈内存。

  • 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
  • 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

线程上下文切换（Thread Context Switch）
因为以下一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码

  • 线程的 cpu 时间片用完
  • 垃圾回收
  • 有更高优先级的线程需要运行
  • 线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法

当 Context Switch 发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应的概念就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条 jvm 指令的执行地址，是线程私有的

  • 状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等
  • Context Switch 频繁发生会影响性能

2.4常见方法

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2.5start与run

调用run

public static void main(String[] args) {
 Thread t1 = new Thread("t1") {
 @Override
 public void run() {
	 log.debug(Thread.currentThread().getName());
	 FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH);
 	}
 };
 t1.run();
 log.debug("do other things ...");
}

输出
在这里插入图片描述
程序仍在 main 线程运行， FileReader.read() 方法调用还是同步的

调用 start
将上述代码的 t1.run() 改为t1.start();
输出
在这里插入图片描述
程序在 t1 线程运行， FileReader.read() 方法调用是异步的

小结

  • 直接调用 run 是在主线程中执行了 run，没有启动新的线程
  • 使用 start 是启动新的线程，通过新的线程间接执行 run 中的代码

2.6 sleep 与 yield

sleep

  1. 调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
  2. 其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛出 InterruptedException
  3. 睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行
  4. 建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性

yield

  1. 调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态，然后调度执行其它线程
  2. 具体的实现依赖于操作系统的任务调度器

线程优先级

  • 线程优先级会提示（hint）调度器优先调度该线程，但它仅仅是一个提示，调度器可以忽略它
  • 如果 cpu 比较忙，那么优先级高的线程会获得更多的时间片，但 cpu 闲时，优先级几乎没作用
Runnable task1 = () -> {
 int count = 0;
 for (;;) {
 System.out.println("---->1 " + count++);
 }
};
Runnable task2 = () -> {
 int count = 0;
 for (;;) {
 // Thread.yield();
 System.out.println(" ---->2 " + count++);
 }
};
Thread t1 = new Thread(task1, "t1");
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
// t1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
// t2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
// 设置优先级和不设置优先级运行结果对比
t1.start();
t2.start();

2.7join方法详解

join方法底层调用了wait方法
为什么需要 join
下面的代码执行，打印 r 是什么？

static int r = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	 test1();
}
private static void test1() throws InterruptedException {
	 log.debug("开始");
	 Thread t1 = new Thread(() -> {
	 log.debug("开始");
	 sleep(1);
	 log.debug("结束");
	 r = 10;
	 });
	 t1.start();
	 log.debug("结果为:{}", r);
	 log.debug("结束");
}

分析

  • 因为主线程和线程 t1 是并行执行的，t1 线程需要 1 秒之后才能算出 r=10
  • 而主线程一开始就要打印 r 的结果，所以只能打印出 r=0

解决方法

  • 用 sleep 行不行？为什么？
    无法给sleep线程准确的运行所需时间
  • 用 join，加在 t1.start() 之后即可

以调用方角度来讲，如果

  • 需要等待结果返回，才能继续运行就是同步
  • 不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步

在这里插入图片描述
等待多个结果
问，下面代码 cost 大约多少秒？

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 	test2();
}
private static void test2() throws InterruptedException {
	 Thread t1 = new Thread(() -> {
	 sleep(1);
	 r1 = 10;
	 });
	 Thread t2 = new Thread(() -> {
	 sleep(2);
	 r2 = 20;
 	 });
	 long start = System.currentTimeMillis();
	 t1.start();
	 t2.start();
	 t1.join();
	 t2.join();
	 long end = System.currentTimeMillis();
	 log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

分析如下

  • 第一个 join：等待 t1 时, t2 并没有停止, 而在运行
  • 第二个 join：1s 后, 执行到此, t2 也运行了 1s, 因此也只需再等待 1s

如果颠倒两个 join 呢？
最终都是输出
在这里插入图片描述
有时效的 join
等够时间

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 test3();
}
public static void test3() throws InterruptedException {
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 sleep(1);//休眠一秒
 r1 = 10;
 });
 long start = System.currentTimeMillis();
 t1.start();
 // 线程执行结束会导致 join 结束
 t1.join(1500);
 long end = System.currentTimeMillis();
 log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

输出
在这里插入图片描述

没等够时间

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 test3();
}
public static void test3() throws InterruptedException {
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 sleep(2);//休眠两秒
 r1 = 10;
 });
 long start = System.currentTimeMillis();
 t1.start();
 // 线程执行结束会导致 join 结束
 t1.join(1500);
 long end = System.currentTimeMillis();
 log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

输出
在这里插入图片描述

2.8interrupt 方法详解

打断 sleep，wait，join 的线程
这几个方法都会让线程进入阻塞状态
打断 sleep 的线程, 会清空打断状态，以 sleep 为例

private static void test1() throws InterruptedException {
 Thread t1 = new Thread(()->{
 sleep(1);
 }, "t1");
 t1.start();
 sleep(0.5);
 t1.interrupt();
 log.debug(" 打断状态: {}", t1.isInterrupted());
}

输出
在这里插入图片描述
打断正常运行的线程
打断正常运行的线程, 不会清空打断状态

private static void test2() throws InterruptedException {
 Thread t2 = new Thread(()->{
 while(true) {
 Thread current = Thread.currentThread();
 boolean interrupted = current.isInterrupted();
 if(interrupted) {
 log.debug(" 打断状态: {}", interrupted);
 break;
 }
 }
 }, "t2");
 t2.start();
 sleep(0.5);
 t2.interrupt();
}

输出
在这里插入图片描述

打断 park 线程
打断 park 线程, 不会清空打断状态

private static void test3() throws InterruptedException {
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 log.debug("park...");
 LockSupport.park();
 log.debug("unpark...");
 log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
 }, "t1");
 t1.start();
 sleep(0.5);
 t1.interrupt();
}

输出
在这里插入图片描述
如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效

private static void test4() {
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 for (int i = 0; i < 5; i++) {
 log.debug("park...");
 LockSupport.park();
 log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
 }
 });
 t1.start();
 sleep(1);
 t1.interrupt();
}

输出
在这里插入图片描述

提示: 可以使用 Thread.interrupted() 清除打断状态

2.9不推荐的方法

还有一些不推荐使用的方法，这些方法已过时，容易破坏同步代码块，造成线程死锁
在这里插入图片描述

2.10主线程和守护线程

默认情况下，Java 进程需要等待所有线程都运行结束，才会结束。有一种特殊的线程叫做守护线程，只要其它非守护线程运行结束了，即使守护线程的代码没有执行完，也会强制结束。
例：

log.debug("开始运行...");
Thread t1 = new Thread(() -> {
 log.debug("开始运行...");
 sleep(2);
 log.debug("运行结束...");
}, "daemon");
// 设置该线程为守护线程
t1.setDaemon(true);
t1.start();
sleep(1);
log.debug("运行结束...");

输出
在这里插入图片描述

注意

  • 垃圾回收器线程就是一种守护线程
  • Tomcat 中的 Acceptor 和 Poller 线程都是守护线程，所以 Tomcat 接收到 shutdown 命令后，不会等 待它们处理完当前请求

2.11五种状态

这是从 操作系统 层面来描述的
在这里插入图片描述

  • 【初始状态】仅是在语言层面创建了线程对象，还未与操作系统线程关联
  • 【可运行状态】（就绪状态）指该线程已经被创建（与操作系统线程关联），可以由 CPU 调度执行
  • 【运行状态】指获取了 CPU 时间片运行中的状态
    • 当 CPU 时间片用完，会从【运行状态】转换至【可运行状态】，会导致线程的上下文切换
  • 【阻塞状态】
    • 如果调用了阻塞 API，如 BIO 读写文件，这时该线程实际不会用到 CPU，会导致线程上下文切换，进入【阻塞状态】
    • 等 BIO 操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至【可运行状态】
    • 与【可运行状态】的区别是，对【阻塞状态】的线程来说只要它们一直不唤醒，调度器就一直不会考虑调度它们
  • 【终止状态】表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状态

2.12六种状态

这是从 Java API 层面来描述的
根据 Thread.State 枚举，分为六种状态
在这里插入图片描述

  • NEW 线程刚被创建，但是还没有调用 start() 方法
  • RUNNABLE 当调用了 start() 方法之后，注意，Java API 层面的 RUNNABLE 状态涵盖了 操作系统 层面的【可运行状态】、【运行状态】和【阻塞状态】（由于 BIO 导致的线程阻塞，在 Java 里无法区分，仍然认为是可运行）
  • BLOCKED(synchronized ) ， WAITING（调用join,wait方法） ， TIMED_WAITING（调用sleep方法） 都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分，后面会在状态转换一节详述
  • TERMINATED 当线程代码运行结束

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