Android中的Thread详解

一、前言

线程（英语：thread）在计算机科学中，是将进程划分为两个或多个线程（实例）或子进程，由单处理器（单线程）或多处理器（多线程）或多核处理系统并发执行。 ------ 维基百科

无论在Android还是java开发甚至其他语言开发，大多数都逃不过多线程的话题，当然dart等语言除外（不过也有isolate的概念）。

线程是操作系统CPU资源分配调度的一个单元，在Java中，最常见的就是Thread类，通过该类可以让我们在多线程创建、启动、执行等操作更加得心应手。

二、了解

• 在Thread类中，只有run函数是运行在线程上。
• 通过start()启动线程，实际上会调用native的VMThread.create(this, stackSize)方法创建CPU线程

三、使用方法

1.通过继承Thread启动一个线程

继承Thread，并复写run方法即可

class CustomThread : Thread() {
    override fun run() {
       //执行一些耗时操作
        for(i in 0..1000){
            println("work $i")
        }
    }
}

fun main() {
    val customThread = CustomThread()
    customThread.start()
}

2.通过构造函数传入

直接通过构造函数，传入自定义的Runnable接口

fun main() {
    val thread = Thread({
        //执行一些耗时操作
        for (i in 0..1000) {
            println("work $i")
        }
    }, "CustomThread")

    thread.start()
}

四、详解

1.启动流程

thread.start()是线程启动的入口，只有在start执行时真正创建了native线程，其他准备工作（比如设置name、runnable等）都是在java的当前线程执行处理。

这里Android进行了改造，将start0改成了nativeCreate开启线程。

注意这里做了实例的同步锁。

源码：

public synchronized void start() {
 
    // 禁止多次调用start()方法，重复开始抛异常
    if (started)
        throw new IllegalThreadStateException();
  
    group.add(this);
  
    // STUDY: 2023/11/11 保证字段正确性
    started = false;
    try {
        // Android的改造
        // Android-changed: Use Android specific nativeCreate() method to create/start thread.
        // start0();
        nativeCreate(this, stackSize, daemon);
        started = true;
    } finally {
        try {
            if (!started) {
                group.threadStartFailed(this);
            }
        } catch (Throwable ignore) {
            /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
              it will be passed up the call stack */
        }
    }
}

private native static void nativeCreate(Thread t, long stackSize, boolean daemon);

2.run流程

主要是执行传入的runnable接口回调。只有在runnable中执行的才是在新线程，其他的都是在当前线程。

由start执行后，由JVM自动调用run方法在新线程中。

源码：

// aosp12-Thread.java

private Runnable target;

...
  
private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name, long stackSize, AccessControlContext acc){
  	...
    this.target = target
    ...
}

...

@Override
public void run() {
    if (target != null) {
        target.run();
    }
}

3.wait

wait()为Object的公有方法，使用时需要配合synchronized和Object实例调用，用来阻塞当前线程。此时释放掉synchronized的锁。如果被唤醒也是需要"随机"竞争锁。

• 在哪个线程执行，就会阻塞那个线程
• 必须在synchronized同步代码块中调用
• wait时会释放掉同步锁
• 仅释放调用wait方法的锁，不会改变其他锁的状态
• 会有InterruptedException异常

参数：

• wait()：内部调用wait(0)，表示无超时时间，一直等待
• wait(long timeout)：内部调用wait(timeout, 0)
• wait(long timeout, int nanos)：native方法，进入等待状态，如果是0为一直等待，直到收到唤醒通知

举例：

val lock = Object()

...

private fun sendWait(){
    synchronized(lock){
        try {
            // 阻塞当前线程，但会释放调用的lock的锁
            lock.wait()
        } catch (e :InterruptedException) {
            e.printStackTrace()
        }
    }
}

4.notify、notifyAll

notify()、notifyAll()为Object的公有方法，使用时需要配合synchronized和Object实例调用，用来通知唤醒阻塞线程。notify不会有释放锁操作，仅仅通知wait状态的线程可以去竞争锁，而不是立马拿到，需要等到notify代码块执行完毕释放锁。notify为随机唤醒一个阻塞线程，notifyAll为唤醒所有阻塞线程。

• notify操作不会有释放锁操作，仅作为通知
• notify为随机通知一个wait唤起
• notifyAll通知所有wait状态唤起
• 会有InterruptedException异常

举例：

val lock = Object()

...

private fun sendNotify(){
    synchronized(lock){
        try {
            // 随机通知一个阻塞唤醒
            lock.notify()
        } catch (e: InterruptedException) {
            e.printStackTrace()
        }
    }
}

val lock = Object()

...

private fun sendNotifyAll(){
    synchronized(lock){
        try {
            // 通知所有阻塞唤醒，但也要竞争锁
            lock.notifyAll()
        } catch (e: InterruptedException) {
            e.printStackTrace()
        }
    }
}

5.sleep

sleep()为Thread的静态方法。使当前线程睡眠指定一段时间，之后自行恢复，notify对此无用。此时会持有thread的lock对象锁，线程休眠也不会释放其他锁。

• 在哪个线程执行，就会阻塞那个线程。
• 睡眠期间不会释放所有锁
• 会有InterruptedException异常

参数：

• sleep(long millis)：调用sleep(millis, 0)
• sleep(long millis, int nanos)：线程睡眠

案例：

private fun sendSleep(){
    try {
        // 这里会阻塞3s中，如果期间中断会被捕获异常
        Thread.sleep(3000)
    } catch (e: InterruptedException) {
        e.printStackTrace()
    }
}

源码：

// aosp12-Thread.java

public static void sleep(long millis, int nanos)
    throws InterruptedException {
       
       	...
            
        // 如果无需睡眠，不做任何处理，中断状态下会抛出异常。
        if (millis == 0 && nanos == 0) {
            if (Thread.interrupted()) {
              throw new InterruptedException();
            }
            return;
        }

        ...

        // 获取当前线程的Object锁对象
        Object lock = currentThread().lock;

        // sleep 此时一直持有锁，直到睡眠结束
        synchronized (lock) {
            // 循环保证睡眠时间执行完全
            for (long elapsed = 0L; elapsed < durationNanos;elapsed = System.nanoTime() - startNanos) {
                
                ...
                    
                //  私有方法  
                sleep(lock, millis, nanos);
            }
        }
    }

@FastNative
private static native void sleep(Object lock, long millis, int nanos) throws InterruptedException;

6.interrupt

interrupt为Thread的公有方法。线程中断后，可通过isInterrupted()进行判断是否处理中断状态。

• 未start()的线程，调用interrupt不影响，后续可正常操作
• 要在中断前执行特殊操作，需要设置 blockedOn(Interruptible b)
• 仅仅是打上中断标志，而非立刻停止。

需要以下做中断try catch，否则造成程序crash。

• Thread.sleep()
• object.wait()
• object.notify()
• object.notifyAll()
• thread.join()

举例：

val thread: Thread? = null

...

fun sendInterrupt(){
    thread?.interrupt()
}

源码：

// aosp12-Thread.java

public void interrupt() {
    // 如果不是当前线程，进行判断
    if (this != Thread.currentThread())
        // Android相关移除了非同线程的操作异常，空方法
        checkAccess();

    // 通过blockerLock同步锁进行中断操作，防止设置不同步
    synchronized (blockerLock) {
        // 由blockedOn设置
        Interruptible b = blocker;
        if (b != null) {
            interrupt0();           // Just to set the interrupt flag
            // 中断前的回调操作
            b.interrupt(this);
            return;
        }
    }
    // native层标记，而非立即中断
    interrupt0();
}

// aosp12-Thread.java

// 缓存set的中断前回调
private volatile Interruptible blocker;
// 设置和执行blocker的同步锁
private final Object blockerLock = new Object();、
    
...
    
/** @hide */
// 设置中断回调
public void blockedOn(Interruptible b) {
    synchronized (blockerLock) {
        blocker = b;
    }
}

7.join

join()是Thread的公有方法，等待线程任务的完成。可重复执行，如果线程销毁了，相当于直接完成。这里会阻塞当前执行线程，对于Android来说，千万不要再主线程去调用防止造成ANR。

参数：

• join()：内部调用了join(0)，无限制等待。直到任务完成
• join(long millis, int nanos)：内部计算处理完具体时间后，调用join(long millis)
• join(long millis)：最终调用方法，如果为0，无限时间等待；否则设置对应时间等待，到时自动结束

案例：

val thread: Thread? = null
val TAG: String = "Thread"
...

fun sendJoin(){
    try {
        //阻塞当前线程，等待任务完成
        thread?.join()
        Log.d(TAG, "thread end, join finish")
    } catch (e: InterruptedException){
        e.printStackTrace()
    }
}

源码：

// aosp12-Thread.java

public final void join(long millis)
    throws InterruptedException {
        // 使用lock同步锁进行阻塞
    synchronized(lock) {
        long base = System.currentTimeMillis();
        long now = 0;

        if (millis < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
        }

        if (millis == 0) {
            while (isAlive()) {
                // 无限时间等待。实际完成后cpp代码有调用notify相关唤醒这里
                lock.wait(0);
            }
        } else {
            while (isAlive()) {
                // 现在时间小于预期时间，直接跳出循环，结束方法体
                long delay = millis - now;
                if (delay <= 0) {
                    break;
                }
                // 有限时间等待，超时会自动唤醒跳出。实际cpp代码有调用notify相关唤醒这里
                lock.wait(delay);
                now = System.currentTimeMillis() - base;
            }
        }
    }
}

8.yield

让步调度，该线程就会把CPU时间让掉，让其他或者自己的线程执行（也就是谁先抢到谁执行）。同样不会释放锁

五、状态图解

线程状态有5种：

• new: 实例化之后状态，没有start
• runnable：start()之后启动，等待cpu调度执行，非立刻执行
• blocked：阻塞状态，比如等锁
• waiting：无限时间等待状态
• timed_waiting：有限时间等待状态
• terminated：完成或者异常，终止运行

1. 正常线程执行状态：

graph LR new(new) runnable(runnable) running(running) terminated(terminated) new --> runnable ---->|被CPU调用中| running --> terminated

2. waiting状态线程：

graph LR new(new) runnable(runnable) running(running) waiting(waiting) terminated(terminated) new --> runnable -->|被CPU调用中| running --> terminated running -.->|"object.wait() or object.join()"| waiting -.->|"object.notify() or object.notifyAll()" | runnable

3. blocked状态：

graph LR new(new) runnable(runnable) running(running) blocked(blocked) terminated(terminated) new --> runnable -->|被CPU调用中| running --> terminated running -.->|"等待同步锁状态"| blocked -.->|"拿到同步锁" | runnable

4. timed_waiting状态：

graph LR new(new) runnable(runnable) running(running) timed_waiting(timed_waiting) terminated(terminated) new --> runnable -->|被CPU调用中| running --> terminated running -.->|"sleep(*)或者wait(*)或者join(*)"| timed_waiting -.->|"时间到或者notify()或者notifyAll()"| runnable

六、文档链接

1. java锁之wait,notify(wait会释放锁，notify仅仅只是通知，不释放锁)
2. Android 多线程：Thread理解和使用总结