java線程詳解

線程

概念

說到線程，就不得不提進程，為什麼呢，因為進程是操作系統進行分配資源和調度的最小單位，比如windows系統安裝的應用軟體（office、qq、微信等）啟動時，由操作系統協調分配資源和調度執行稱之為一個進程，進程間是相互獨立和隔離的。而線程是進程最小執行單位，一個進程的執行過程中可以有多個線程，這樣可以發揮多核CPU的能力，提高執行效率。
java中的線程不是由操作系統直接調度，而且通過java虛擬機與操作系統進行指令交互完成。所以對於java程式員來說，使用線程非常簡單，只需要在語言層面編寫完代碼，交給虛擬機運行，剩下的臟活累活在底層就由java虛擬機完成，使用線程一時爽，一直使用一直爽（哈哈，雖然多線程能充分壓榨CPU，但是用不好的話也會產生許多問題，比如併發導致的數據錯誤、系統負載飆升等）。

基本用法

有兩種方式來創建線程
1、一種是實現Runnable介面，然後利用Thread類的構造函數傳入Runnable介面創建Thread實例。
2、另外一種是繼承Thread。

1、實現Runnable

class WorkerThread1 implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "執行完成");
    }
}

2、繼承Thread

class WorkerThread2 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "執行完成");
    }
}

測試用例：

public static void main(String[] args) {
    test1();
}

private static void test1() {
    new Thread(new WorkerThread1(), "t1").start();
    Thread t2 = new WorkerThread2();
    t2.setName("t2");
    t2.start();
}

輸出：
註意這裡的執行順序不一定是t1先輸出，也可能是t2先輸出，因為線程啟動後只是準備就緒，最終需要等待操作系統調度執行才能執行。

t1執行完成
t2執行完成

這兩種方式都可以創建線程並執行，細心的讀者可能看過源碼發現其實Thread類也實現了Runnable介面。如果自己的類已經繼承了別的類，那麼可以實現Runnable介面創建線程，否則可以繼承Thread類覆寫run()方法即可。

註意：要讓線程執行需要調用start()方法，這樣虛擬機才能創建一個線程等待操作系統調度，直接執行run()方法則是在當前線程直接調用該方法，同步執行，不會再創建線程。

線程狀態及流轉

線程的生命周期可用狀態表示，總共有6種狀態，
Thread類的源碼里我們可以看到有個枚舉類State。

public enum State {
    // 新建狀態，被new出來後，還未調用start方法
    NEW,
    // 可運行狀態，線程已就緒，獲取到CPU資源就運行，運行中就是Running狀態
    RUNNABLE,
    // 阻塞狀態，比如在等待鎖對象，或者讀取流等待
    BLOCKED,
    // 等待狀態，比如在等待鎖對象，需要被notify喚醒處於就緒狀態，獲取到CPU資源就運行
    WAITING,
    // 帶有超時時間的等待，時間過後自動返回繼續執行，比如sleep或者wait(long time)
    TIMED_WAITING,
    // 終止狀態，自然停止或者拋出異常停止
    TERMINATED;
}

狀態流轉圖：

屬性及方法

屬性

常用並且需要關註的屬性如下：

private int priority;// 線程優先順序，1<=priority<=10,優先順序越大可能最終被操作系統優先調度的幾率越大，但不一定會被先調用
private boolean daemon = false;// 是否後臺線程，當所有的非後臺線程結束時，所有的後臺線程才結束，比如垃圾回收線程就是後臺線程，負責在程式運行過程中，清理掉不在使用的對象
private Runnable target;// 目標類，要使用線程執行的業務邏輯寫在run()方法里
private ThreadGroup group;// 線程組，所有的線程都必須屬於某一個線程組，預設的是父線程組，未創建線程組時即main線程組
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;// 線程獨享本地變數表

ThreadLocal不瞭解的童鞋可以參考ThreadLocal源碼分析

構造方法

其實最終都會調到一個init的方法，這裡會初始化一些線程的基本信息。

ThreadGroup g：屬於的線程組（每個線程必須屬於一個線程組，沒有設置線程組的話這裡會預設使用父線程組，即main線程組）
Runnable target：要執行的方法
String name：線程名字，可單獨設置，預設使用的是`Thread-自增序號`
long stackSize：這隻線程占用的棧大小，一般不設置，由java虛擬機決定
AccessControlContext acc：這是一種安全訪問機制，一般不用自己設置。

常用方法

// jvm方法，獲取當前正在執行的線程
public static native Thread currentThread();
// 調用該方法所在的線程通知讓出CPU資源，由操作系統重新分配線程執行，有可能還是該線程繼續執行
public static native void yield();
// 線程休眠millis毫秒，讓出CPU資源，但是不會釋放持有的對象鎖，當被中斷時拋出異常
public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;
// 啟動線程，更合理的說法是線程準備就緒，等待最終操作系統調度執行
public synchronized void start()
// 中斷線程，其實只是設置中斷標誌為true，如果線程已經終止，調用該方法不會有任何作用，線程自身和安全驗證通過的線程才有許可權調該線程的這個方法，否則會返回異常SecurityException，還有以下幾種特殊場景。
// 1、如果當前線程處理wait()、join()、sleep(long)方法時中斷標誌將被清除，並且拋出異常InterruptedException。（清除中斷標誌是因為拋出了異常後可由程式控制執行，中斷標誌沒啥意義了）
// 2、繼承了InterruptibleChannel如果IO阻塞狀態，則channel會關閉並且中斷標誌設置為true，拋出異常ClosedByInterruptException
// 3、如果該線程阻塞在Selector，則中斷標誌設置為true並且select會立即返回一個非0的值表示select方法執行了
public void interrupt()
// 返回當前線程是否處於中斷狀態，並清除當前運行的線程的中斷標誌。
public static boolean interrupted() {
    return currentThread().isInterrupted(true);
}
// 返回當前線程是否處於中斷狀態,不會清除當前運行的線程的中斷標誌。線程終止後該方法始終返回false
public boolean isInterrupted() {
   return isInterrupted(false);
}

常用場景

重點看下interrupt()、interrupted()、isInterrupted()這三個方法的使用。
1、不使用變數終止線程
下麵示例調用了interrupt()方法

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + System.currentTimeMillis());
                }
            }
        }, "t1");
        t.start();
        //主線程休2秒
        Thread.sleep(2000);
        t.interrupt();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "運行結束");
    }
}

程式運行部分結果

t1:1584607075440
t1:1584607075440
t1:1584607075440
t1:1584607075440
main運行結束
t1:1584607077740
t1:1584607077740
t1:1584607077740
t1:1584607077740
t1:1584607077741
t1:1584607077741
t1:1584607077741

這裡我們看到調用了interrupt()方法，但是t線程並沒有終止，因為這個方法只是設置中斷標誌為true，線程是否結束跟這個標誌沒有關係，需要其他邏輯判斷。
如果我們把程式的while迴圈的條件調整如下這樣，那麼t線程調用isInterrupted()方法獲取到中斷標誌為true，!true條件結果為false所以while迴圈結束，線程自然終止。

while (true) 
改成
while (!Thread.currentThread().isInterrupted())

2、線程組的操作
線程組主要是可以管理線程或線程組，一個大型的線程組看起來像是一棵樹，可方便的對線程和子線程組進行監控和操作，比如統計活躍線程和線程組，或者中斷和銷毀線程組操作等。

public static void main(String[] args) {
    ThreadGroup tg1 = new ThreadGroup("tg1");
    ThreadGroup tg2 = new ThreadGroup("tg2");
    ThreadGroup tg3 = new ThreadGroup(tg2, "tg3");
    Thread t1 = new WorkerThread(tg1, "t1");
    Thread t2 = new WorkerThread(tg2, "t2");
    Thread t3 = new WorkerThread(tg1, "t3");
    Thread t4 = new WorkerThread(tg3, "t4");
    t1.start();
    t2.start();
    t3.start();
    t4.start();
    System.out.println("tgName:" + tg1.getName() + "\tactiveCount:" + tg1.activeCount());
    System.out.println("tgName:" + tg2.getName() + "\tactiveGroupCount:" + tg2.activeGroupCount());
    System.out.println("tgName:" + tg3.getParent().getName() + "\tactiveGroupCount:" + tg3.activeGroupCount());
}
    
class WorkerThread extends Thread {
    public WorkerThread(ThreadGroup tg, String name) {
        super(tg, name);
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
        }
    }
}

輸出結果如下：

tgName:tg1	activeCount:2
tgName:tg2	activeGroupCount:1
tgName:tg2	activeGroupCount:0

總結

線程的使用可以提高系統的處理能力，比較複雜的業務可以使用多線程協作縮短執行時間，線程的結束不能僅僅依靠中斷，需要根據業務實現自己的邏輯。另外引入多線程會增加系統的複雜度，線程的管理問題也會比較麻煩，同時線程數過多會頻繁的讓CPU切換，增加系統負載，這種時候可以選擇使用線程池來解決問題，後續會再詳細介紹。