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Java多线程基础（一）---线程的创建和生命周期

JAVA多线程基础线程 创建 --- 生命周期
2023-09-11 14:22:11 时间

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1.学习内容

1、同步与异步和并发与并行概念
2、程序、进程和线程的区别
3、多线程的创建方式
4、start源码分析
5、线程的生命周期

2.具体内容

2.1 同步与异步

同步思想：所有的操作都做完，才返回给用户。这样用户在线等待的时间太长，给用户一种卡死了的感觉（就是系统迁移中，点击了迁移，界面就不动了，但是程序还在执行，卡死了的感觉）。这种情况下，用户不能关闭界面，如果关闭了，即迁移程序就中断了。
异步思想：将用户请求放入消息队列，并反馈给用户，系统迁移程序已经启动，你可以关闭浏览器了。然后程序再慢慢地去写入数据库去。这就是异步。但是用户没有卡死的感觉，会告诉你，你的请求系统已经响应了。你可以关闭界面了。

同步，是所有的操作都做完，才返回给用户结果。即写完数据库之后，在响应用户，用户体验不好，一个操作没有完成结果就不会给客户端。
异步，不用等所有操作等做完，就相应用户请求。即先响应用户请求，然后慢慢去写数据库，用户体验较好。

  • 举例：打个比方，比如我们去购物，如果你去商场实体店买一台空调，当你到了商场看中了一款空调，你就想售货员下单。售货员去仓库帮你调配物品。这天你热的实在不行了。就催着商家赶紧给你配送，于是你就等在商场里，等候着他们，直到商家把你和空调一起送回家，一次愉快的购物就结束了。这就是同步调用。
    不过，现在我们可以在网上订购一台空调。当你完成网上支付的时候，对你来说购物过程已经结束了。虽然空调还没有送到家，但是你的任务都已经完成了。商家接到你的订单后，就会加紧安排送货，当然这一切已经跟你无关了，你已经支付完成，想干什么就能去干什么了。等送货上门的时候，签收即可。这就是异步调用。

2.2 并发和并行的区别

并发(concurrency)：指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的（串行），只是把时间分成若干段，使多个进程快速交替的执行。这就好像两个人用同一把铁锨，轮流挖坑，一小时后，两个人各挖一个小一点的坑，要想挖两个大一点得坑，一定会用两个小时。当有多个线程在操作时,如果系统只有一个CPU,则它根本不可能真正同时进行一个以上的线程,它只能把CPU运行时间划分成若干个时间段,再将时间段分配给各个线程执行,在一个时间段的线程代码运行时,其它线程处于挂起状态。

并行(parallel)：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行。就好像两个人各拿一把铁锨在挖坑，一小时后，每人一个大坑。所以无论从微观还是从宏观来看，二者都是一起执行的。当系统有一个以上CPU时,则线程的操作有可能非并发.当一个CPU执行一个线程时,另一个CPU可以执行另一个线程,两个线程互不抢占CPU资源,可以同时进行

2.3 程序、进程和线程

  • 程序：是计算机指令的集合，是一组静态的指令库，不占用系统运行的资源，不能被系统调度，也不能作为独立运行的单位，它以文件的形式存储在磁盘上。

  • 进程：是一个程序在其自身地址空间中一次执行活动。比如：打开一个记事本，就是调用了一个进程，进程是资源申请、调度和独立运行的单位，因此，它使用系统中运行的资源；而程序不能申请系统资源，一个程序可以对应多个进程。

  • 线程：线程又称为轻量级进程，是进程中一个单一的连续控制流程。它和进程一样拥有独立的执行单元，每一个线程都有自己的局部变量表、程序计数器（指向正在执行的指令指针）以及各自的生命周期，由操作系统负责调度，区别在于线程没有独立的存储空间，而是和所属进程中的其他线程共享一个存储空间，这使得线程间的通信比进程简单。
    线程和进程的关系：一个进程可以拥有多个线程，在每一个进程中至少拥有一个线程（Thread）。

线程与进程的比较

线程具有进程的许多特征，故又称轻量级进程

在引入线程的OS中，每一进程都拥有多个线程，至少一个。

  • 调度

在传统OS中，拥有资源、独立调度和分派的基本单位都是进程，在引入线程
的系统中，线程是调度和分派的基本单位，而进程是拥有资源的基本单位。

在同一个进程内线程切换不会产生进程切换，由一个进程内的线程切换到另一个进程内的线程时，将会引起进程切换。

  • 并发性

在引入线程的系统中，进程之间可并发，同一进程内的各线程之间也能并发执行。因而系统具有更好的并发性。

  • 拥有资源

无论是传统OS，还是引入线程的OS，进程都是拥有资源的独立单位，线程一般不拥有系统资源，但它可以访问隶属进程的资源。即一个进程的所有资源可供进程内的所有线程共享。

  • 系统开销

进程的创建和撤消的开销要远大于线程创建和撤消的开销，进程切换时，当前进程的CPU环境要保存，新进程的CPU环境要设置，线程切换时只须保存和设置少量寄存器，并不涉及存储管理方面的操作，可见，进程切换的开销远大于线程切换的开销。

同时，同一进程内的各线程由于它们拥有相同的地址空间，它们之间的同步和通信的实现也变得比较容易。

多线程实例分析：
为什么要用多线程，举一个常见的例子：假设我使用同程艺龙查询
咸阳机场-广州白云机场的航班， 我发起这个查询请求，APP中没有实时数据，需要到各大航空公司去获取信息，最后需要统一整理加工返回到同程艺龙APP。
在这里插入图片描述

  • 该例子是典型的串行任务局部并行化处理，每一个公司的接口不一样，获取的数据格式也不一样，查询速度也存在着差异，如果再跟航空公司进行串行化交互，客户端要等待很长时间，用户体验会非常差。
    解决方案：我们将每一个航空公司的查询交给一个线程去工作，然后在它们结束工作后统一对数据进行处理，这样既可以节约时间，也能够提升用户体验效果（汪文君Java高并发）。

2.4多线程的实现–Thread
例子：使用继承实现–thread

package com.kangna.cur.first;

public class PrimeThread extends Thread{
	public void run(){
		for( int i = 0; i < 50; i++){
			System.out.println("当前线程的id：" + Thread.currentThread().getId() + "--i=" + i);
			try {
				Thread.sleep(100);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

多线程的实现–Runnable

package com.kangna.cur.first;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class SecondThread implements Runnable {
	@Override
	public void run() {
		for(int i = 0; i < 50; i++){
			System.out.println("当前线程：" + Thread.currentThread().getId() + "--s=" + i);
			try {
				TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

测试类

package com.kangna.cur.first;

public class TestThread {
	public static void main(String args[]){
		PrimeThread prime = new PrimeThread();
		prime.start();
		
		new Thread(new SecondThread()).start();
		for(int k = 0; k < 100; k++){
			System.out.println("当前线程的id：" + Thread.currentThread().getId() + "--k=" + k);
			try {
				Thread.sleep(200);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

测试类中启动了三个线程，测试的结果中三个线程交替执行且每次执行的结果是不一样的，因为每次CPU的调度情况是不一样的，程序运行结果如下：
在这里插入图片描述

  • 创建多线程的其他方式如：匿名内部类和callable方式不介绍，后面会介绍callable方式，现在只学习最一般的创建方式。

面试题：Thread继承和Runnable接口
实际开发中一般使用Runnable接口的方式比较多，因为：

  1. 通过继承Thread类的方式，可以完成多线程的建立。但是这种方式有一个局限性，如果一个类已经有了自己的父类，就不可以继承Thread类而实现Runnable接口可以避免单继承的局限性；

  2. 使用Runnable将线程的控制和业务逻辑的运行彻底分离开来；

  3. Runnable和Thread的run最大的不同就是Thread的run方法是不能共享的，也就是说A线城不能把B线程的run方法当做自己的执行单元，而使用Runnable接口则很容易就能实现，使用用一个Runnable的实例可以构造不同的Thread实例。

2.4 start方法源码分析

    public synchronized void start() {
      
        if (threadStatus != 0)
            throw new IllegalThreadStateException();
        group.add(this);

        boolean started = false;
        try {
            start0();  //JNI
            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 void start0();
    @Override
    public void run() {
    //如果构造Thread时传递了Runnable，则会执行runnable的run方法
        if (target != null) {
            target.run();
        }
     //否则需要重写Thread类的run方法
}

我们看到start方法的重点在于start0这个本地方法，就是JNI（Java native
interface）方法，其实看看方法注释和JDK文档，我们知道start方法中调用了start0方法，在开始执行这个线程的时候，JVM将会调用该线程的run方法，也就是说，run方法是被JNI方法start0()调用的。

介绍一下JNI：native方法是通过java中的JNI实现的，java与本地已编译的代码交互，通常会丧失平台可移植性。但是，有些情况下这样做是可以接受的，甚至是必须的，比如，使用一些旧的库，与硬件、操作系统进行交互，或者为了提高程序的性能。JNI标准至少保证本地代码能工作在任何Java 虚拟机实现下。

阅读源码总结如下几点：

  • Thread被构造后的new状态，事实上threadstatus内部属性为0，此时它并处于执行状态，和普通的Java对象没有什么区别，在没有start之前该线程还不存在；
  • 不能两次启动Thread，否则会抛异常；
  • 线程启动后被添加到一个ThreadGroup中；
  • 一个线程的生命周期结束，也就是到了Terminated状态；

2.5 线程的生命周期

当线程被创建并启动以后，它既不是一启动就进入了执行状态，也不是一直处于执行状态。在线程的生命周期中，它要经过新建(New)、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞(Blocked)和死亡(Terminated)5种状态。尤其是当线程启动以后，它不可能一直"霸占"着CPU独自运行，所以CPU需要在多条线程之间切换，于是线程状态也会多次在运行、阻塞之间切换，这些线程状态的切换需要用到线程定义的数据结构（局部变量表、程序计数器，以及生命周期）

  1. 新建状态，当程序使用new关键字创建了一个线程之后，该线程就处于新建状态，此时仅由JVM为其分配内存，并初始化其成员变量的值

  2. 就绪状态，当线程对象调用了start()方法之后，该线程处于就绪状态。Java虚拟机会为其创建方法调用栈和程序计数器，等待调度运行

  3. 运行状态，如果处于就绪状态的线程获得了CPU，开始执行run()方法的线程执行体，则该线程处于运行状态

  4. 阻塞状态，当处于运行状态的线程失去所占用资源之后，便进入阻塞状态

  5. 死亡状态，在线程的生命周期当中，线程生命周期的终点

线程生命周期状态图
线程生命周期状态图如上，下面来具体解释一下每个状态：
线程状态详解

  1. 线程的New状态

当我们使用一个new创建一个Thread对象时，此时它并不处于执行状态，因为没有调用start方法启动该线程，那么线程的状态为new状态，准确的说，它仅仅是Thread对象状态，因为在没有start之前，该线程是根本不存在的，与我们使用new关键字创建的普通对象是没什么区别的，

  1. 线程的Runnable状态

线程对象进入Runnable状态必须调用start方法，那么此时才是真正的在JVM中创建了一个线程，但是并不是一启动就可以立刻执行，线程的运行与否和进程一样要由CPU调度，我们称为可执行状态（Runnable），也就是说它具备执行的资格（预备役），然而并没有真正的执行起来，而是等待CPU的调度。
由于存在Running状态，所以不会直接进入Block状态 和Terminated，即使是线程的执行中调用wait、sleep或者其他block的IO操作，这些都必须先获得CPU的执行权才可以，Runnable状态只能意外终止或者进入Running状态。

  1. 线程的Running状态
    一旦CPU的轮询或者其他方式从任务的可执行队列中选中了线程，此时该线程才可以执行自己的逻辑代码，一个Running状态的线程是Runnable的，反之不成立。
    在Running状态下可以发生如下状态的转换：

    • 直接进入Terminated，比如调用JDK中不推荐使用的stop方法；

    • 进入block，比如调用了sleep，或者wait方法进入waitSet中；

    • 进行某IO操作，如进行网络数据的读写进入Block状态；

    • 获取某个锁资源，从而进入到该锁阻塞队列中而进入到Block状态；

    • 由于CPU的轮询调度使该线程放弃执行，进入Runnable状态；

    • 线程主动调用yield方法，放弃CPU执行权，进入Runnable状态。

  2. 线程的Blocked状态
    线程进行IO操作或获取某个锁资源就会进入Blocked状态，线程的在Blocked状态中可以切换到如下的状态：

    • 直接进入Terminated状态，如调用stop方法；
    • 线程阻塞操作的结束，如读取了想要的数据字节进入到Runnable状态；
    • 线程完成了指定休眠时间，进入到Runnable状态；
    • wait线程被notify或notifyall唤醒，进入Runnable状态；
    • 线程获取到了某个锁资源，进入Runnable；
    • 线程在阻塞中被打断，如线程调用interrupt方法，进入到Runnable状态。

  3. 线程的Terminated状态
    线程的最终状态，意味着线程的整个生命周期结束了，且不会切换到任何其它状态，下列情况会进入到Terminated状态：

    • 线程的正常结束；

    • 线程运行出错意外结束；

    • JVM Crash，导致所有线程都结束了

3总结

  1. 概括介绍了关于多线程的有关概念（罗列了别人的概念）
  2. 线程的创建方式继承Thread和实现Runnable接口（其它方式没有实现）
  3. 详细介绍了线程的生命周期
  4. 分析了start()方法源码；
    读汪文君《java高并发编程详解》

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