深入理解Java线程

1. 线程基础知识

1.1 线程和进程

进程：进程是代码在数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位。
线程：线程是进程的一个执行路径，一个进程中至少有一个线程，进程中的多个线程共享进程的资源

1.2 上下文切换（Context switch）

上下文切换是指CPU(中央处理单元)从一个进程或线程到另一个进程或线程的切换。

上下文切换只能在内核模式下发生。

内核模式是CPU的特权模式，其中只有内核运行，并提供对所有内存位置和所有其他系统资源的访问。其他程序(包括应用程序)最初在用户模式下运行，但它们可以通过系统调用运行部分内核代码。

上下文切换是多任务操作系统的一个基本特性。

内核模式（Kernel Mode）vs 用户模式（User Mode）

Kernel Mode（内核模式）

在内核模式下，执行代码可以完全且不受限制地访问底层硬件。它可以执行任何CPU指令和引用任何内存地址。内核模式通常为操作系统的最低级别、最受信任的功能保留。内核模式下的崩溃是灾难性的;他们会让整个电脑瘫痪。
User Mode（用户模式）

在用户模式下，执行代码不能直接访问硬件或引用内存。在用户模式下运行的代码必须委托给系统api来访问硬件或内存。由于这种隔离提供的保护，用户模式下的崩溃总是可恢复的。在您的计算机上运行的大多数代码将在用户模式下执行。

应用程序一般会在以下几种情况下切换到内核模式：

1．系统调用。

2．异常事件。当发生某些预先不可知的异常时，就会切换到内核态，以执行相关的异常事件。

3．设备中断。在使用外围设备时，如外围设备完成了用户请求，就会向CPU发送一个中断信号，此时，CPU就会暂停执行原本的下一条指令，转去处理中断事件。此时，如果原来在用户态，则自然就会切换到内核态。

1.3 操作系统层面线程生命周期

这五态分别是：**初始状态、可运行状态、运行状态、休眠状态和终止状态 **

2. Java线程详解

2.1 Java线程的实现方式

方式1：使用 Thread类或继承Thread类

java 复制代码

//创建线程
Thread thread = new Thread() {
    @Override
    public void run() {
        //执行的任务
    }
};
//运行线程
thread.start();

方式2：实现 Runnable 接口配合Thread

java 复制代码

Runnable runnable = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        //执行的任务
    }
};
Thread thread1 = new Thread(runnable);
thread1.start();

方式3：使用有返回值的 Callable

java 复制代码

class CallableTash implements Callable<Integer>{
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        return new Random().nextInt();
    }
}
//创建线程池
ExecutorService execut = Executors.newFixedThreadPool(10);
//提交任务，并用 Future提交返回结果
Future<Integer> result = execut.submit(new CallableTash());

方式4：使用 lambda

java 复制代码

Thread thread2 = new Thread(() -> {/**执行的任务*/}, "thread");
//运行线程
thread2.start();

本质上Java中实现线程只有一种方式，都是通过new Thread()创建线程，调用Thread#start启动线程最终都会调用Thread#run方法

2.2 Java线程的实现原理

线程创建和启动的流程

使用new Thread0创建一个线程，然后调用start0方法进行java层面的线程启动
调用本地方法start0()，去调用jvm中的JVM_StartThread方法进行线程创建和启动;
调用new JavaThread(&thread entry, sz)进行线程的创建，并根据不同的操作系统平台调用对应的os::create thread方法进行线程创建
新创建的线程状态为lnitialized，调用了sync->wait0的方法进行等待,等到被唤醒才继续执行thread->run0;:
调用Thread::starti(native thread),方法进行线程信动，此时将线程状态设置为RUNNABLE，接着调用os::start_thread(thread)，根据不同的操系统选择不同的线程启动方式，
线程启动之后状态设置为RUNNABLE, 并唤醒第4步中等待的线程，接着执行thread->run0的方法
JavaThread::run0方法会回调第1步new Thread中复写的run0方法

Java线程执行为什么不能直接调用run()方法,而要调用start()方法？
直接调用run()方法仅仅简单的调用对象的方法，而调用start（）方法会调用本地方法栈，从而让操作系统新建新线程，最终让新线程执行run方法。

2.3 Java线程属于内核级线程

内核级线程（Kernel Level Thread ，KLT）：

它们是依赖于内核的，即无论是用户进程中的线程，还是系统进程中的线程，它们的创建、撤消、切换都由内核实现。

用户级线程（User Level Thread，ULT）：

操作系统内核不知道应用线程的存在

2.4 Java线程的调度机制

协同式线程调度

线程执行时间由线程本身来控制，线程把自己的工作执行完之后，要主动通知系统切换到另外一个线程上。最大好处是实现简单，且切换操作对线程自己是可知的，没啥线程同步问题。坏处是线程执行时间不可控制，如果一个线程有问题，可能一直阻塞在那里。

抢占式线程调度

每个线程将由系统来分配执行时间，线程的切换不由线程本身来决定（Java中， Thread.yield()可以让出执行时间，但无法获取执行时间）。线程执行时间系统可控，也不会有一个线程导致整个进程阻塞。

2.5 Java线程的生命周期

Java 语言中线程共有六种状态，分别是：

NEW（初始化状态）
RUNNABLE（可运行状态+运行状态）
BLOCKED（阻塞状态）
WAITING（无时限等待）
TIMED_WAITING（有时限等待）
TERMINATED（终止状态）

2.6 Thread常用方法

sleep方法

调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入TIMED_WAITING状态，不会释放对象锁
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，并且会清除中断标志
睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行
sleep当传入参数为0时，和yield相

yield方法

yield会释放CPU资源 ，让当前线程从 Running 进入 Runnable状态，让优先级更高（至少是相同）的线程获得执行机会，不会释放对象锁；
假设当前进程只有main线程，当调用yield之后，main线程会继续运行，因为没有比它优先级更高的线程；
具体的实现依赖于操作系统的任务调度器

join方法

等待调用join方法的线程结束之后，程序再继续执行，一般用于等待异步线程执行完结果之后才能继续运行的场景。

2.7 Java线程的中断机制

中断机制是一种协作机制，也就是说通过中断并不能直接终止另一个线程，而需要被中断的线程自己处理。被中断的线程拥有完全的自主权，它既可以选择立即停止，也可以选择一段时间后停止，也可以选择压根不停止

API的使用

interrupt()：将线程的中断标志位设置为true，不会停止线程
isInterrupted(): 判断当前线程的中断标志位是否为true，不会清除中断标志位
Thread.interrupted()：判断当前线程的中断标志位是否为true，并清除中断标志位，重置为fasle

java 复制代码

while (!Thread.currentThread().isInterrupted() && more work to do) {
    do more work
}

例如：

java 复制代码

class StopThread implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        for (int i =0 ; 
             Thread.currentThread().isInterrupted() && i<1000;
             i++){
            System.out.println(i);
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Thread thread3 = new Thread(new StopThread());
    thread3.start();
    Thread.sleep(5);
    thread3.interrupt();
}

注意：
sleep可以被中断抛出中断异常：sleep interrupted，清除中断标志位
wait可以被中断抛出中断异常：InterruptedException，清除中断标志位

上述情况需要重新线程中断状态为true

java 复制代码

try {
 	Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
	e.printStackTrace();
    //重新设置线程中断状态为true
    Thread.currentThread().interrupt();
}

2.8 Java线程间通信

volatile

volatile有两大特性，一是可见性，二是有序性，禁止指令重排序，其中可见性就是可以让线程之间进行通信。

等待唤醒(等待通知)机制

wait和notify

等待唤醒机制可以基于wait和notify方法来实现，在一个线程内调用该线程锁对象的wait方法，线程将进入等待队列进行等待直到被唤醒。

LockSupport park/unpark

LockSupport是JDK中用来实现线程阻塞和唤醒的工具，线程调用park则等待"许可"，调用 unpark则为指定线程提供"许可"。使用它可以在任何场合使线程阻塞，可以指定任何线程进行唤醒，并且不用担心阻塞和唤醒操作的顺序，但要注意连续多次唤醒的效果和一次唤醒是一样的。

java 复制代码

class ParkThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("程序正在执行");
        System.out.println("程序将要进入等待.....");
        LockSupport.park();
    }
}

// main...
Thread parkThread = new Thread(new ParkThread());
parkThread.start();

System.out.println("唤醒parkThread");
LockSupport.unpark(parkThread);

管道输入输出流

管道输入/输出流和普通的文件输入/输出流或者网络输入/输出流不同之处在于，它主要用于线程之间的数据传输，而传输的媒介为内存。管道输入/输出流主要包括了如下4种具体实现： PipedOutputStream、PipedInputStream、PipedReader和PipedWriter，前两种面向字节，而后两种面向字符。

Thread.join

join可以理解成是线程合并，当在一个线程调用另一个线程的join方法时，当前线程阻塞等待被调用join方法的线程执行完毕才能继续执行，所以join的好处能够保证线程的执行顺序，但是如果调用线程的join方法其实已经失去了并行的意义，虽然存在多个线程，但是本质上还是串行的，最后join的实现其实是基于等待通知机制的