Java 线程
# 3. Java 线程
# 3.1 创建和运行线程
这里介绍三种创建和运行线程的方法:
- 直接使用 Thread
- 使用 Runnable 配合 Thread
- FutureTask 配合 Thread
# 方法一:直接使用 Thread
new 出来之后调用 start()
来启动线程。
// 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();
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示例:
// 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();
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输出:
可以看到,通过给 thread 指定名字,在打印日志时可以区分不同的线程。
# 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 代表可运行的任务(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();
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示例:
// 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();
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输出:19:19:00 [t2] c.ThreadStarter - hello
Java 8 中可以使用 Lambda 精简代码。因为 Runnable 接口中只有一个方法,而且被注解了 @FunctionalInterface
,是一个函数式接口,因此可以用 lambda 精简:
// 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();
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原理之 Thread 与 Runnable 的关系
分析 Thread 的源码,理清它与 Runnable 的关系:
private Runnable target;
@Override
public void run() {
if (target != null) {
target.run();
}
}
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比较推荐方法二这种方式。因为用 Runnable 更容易与线程池等高级 API 配合,同时让任务类脱离了 Thread 继承体系,更加灵活。
# 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);
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- FutureTask 接收一个实现了 Callable 接口的对象,它只有一个 call 方法,有返回值,这里使用 lambda 来实现了这个接口。
# 3.2 观察多个线程同时运行
主要是理解:
- 交替执行
- 谁先谁后,不由我们控制
# 3.3 查看进程线程的方法
# 3.3.1 Windows
- 任务管理器
tasklist
查看进程taskkill
杀死进程
# 3.3.2 Linux
ps -fe
查看所有进程ps -fT -p <PID>
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 <PID>
查看某个进程(PID)的所有线程
# 3.3.3 Java
jps
命令查看所有 Java 进程jstack <PID>
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
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- 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)
# 3.4 原理之线程调用
# 3.4.1 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
# 3.4.2 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 时间片用完了
- 垃圾回收(可能会 stop the world)
- 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
# 3.5 常见方法概述
方法名 | static | 功能说明 | 注意 |
---|---|---|---|
start() | 启动一个新线程,在新的线程运行 run 方法中的代码 | start 方法只是让线程进入就绪,里面代码不一定立刻运行(CPU 的时间片还没给它)。每个线程对象的 start 方法只能调用一次,如果调用了多次会出现 IllegalThreadStateException | |
run() | 新线程启动后会调用的方法 | 如果在构造 Thread 对象时传递了 Runnable 参数,则线程启动后会调用 Runnable 中的 run 方法,否则默认不执行任何操作。但可以创建 Thread 的子类对象,来覆盖默认行为 | |
join() | 等待线程运行结束 | ||
join(long n) | 等待线程运行结束,最多等待 n 毫秒 | ||
getId() | 获取线程长整型的 id | id 唯一 | |
getName() | 获取线程名 | ||
setName(String) | 修改线程名 | ||
getPriority() | 获取线程优先级 | ||
setPriority(int) | 修改线程优先级 | Java 中规定线程优先级是 1~10 的整数,较大的优先级能提高该线程被 CPU 调度的机率。效果其实并不明显,往往是看 OS 的做法 | |
getState() | 获取线程状态 | Java 中线程状态是用 6 个 enum 表示,分别为:NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED | |
isInterrupted() | 判断是否被打断 | 不会清除打断标记 | |
isAlive() | 线程是否存活(即线程是否还没运行完) | ||
interrupt() | 打断线程 | 如果被打断线程正在 sleep,wait,join 会导致被打断的线程抛出 InterruptedException,并清除 打断标记 ;如果打断的正在运行的线程,则会设置 打断标记 ;park 的线程被打断,也会设置 打断标记 | |
interrupted() | static | 判断当前线程是否被打断 | 会清除打断标记 |
currentThread() | static | 获取当前正在执行的线程 | |
sleep(long n) | static | 让当前执行的线程休眠n毫秒,休眠时让出 cpu 的时间片给其它线程 | |
yield() | static | 提示线程调度器让出当前线程对 CPU 的使用 | 主要是为了测试和调试 |
# 3.6 start 与 run
我可以直接调用 run()
方法而不是 start()
吗?如下代码:
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 ...");
}
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输出:
19:39:14 [main] c.TestStart - main
19:39:14 [main] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
19:39:18 [main] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4227 ms
19:39:18 [main] c.TestStart - do other things ...
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可以看到,直接调用 run 是可以运行,但没有开启新的线程,而是还在 main 线程里运行,所以必须通过 start()
来开启线程的运行。start 会开启一个新的线程并调用 run 方法。
# 3.7 sleep 与 yield
# 3.7.1 sleep
- 调用 sleep 会让当前线程从 Running 状态进入 Timed Waiting 状态(阻塞),有时限的等待
- 其它线程可以使用
t1.interrupt()
方法打断正在睡眠的线程,这时 sleep 方法会抛出 InterruptedException - 睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行
- 建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性:
TimeUnit.SECONDS.sleep(1)
表示睡眠 1 秒。
Thread.sleep()
写哪个线程中,就是哪的线程来睡眠。
# 3.7.2 yield
- 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
- 具体的实现还是依赖于 OS 的任务调度器
- 比如当前已经没有其他任务了,尽管你想 yield,OS 也可能还是继续把时间片分给你
sleep 进入的 Timed Waiting 状态与 yield 进入的 Runnable 状态有什么不一样?CPU 在分时间片的时候,不会考虑把时间片分给阻塞状态的线程,但可能分给 Runnable 的线程。
# 3.8 线程优先级
Thread 可以设置优先级,一共有 1-10。
- 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。
可以用下面这段代码来尝试一下优先级:
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);
t1.start();
t2.start();
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开启其中的 yield 和 setPriority 的注释后,你可以看一下,会发现低优先级的 task 会被执行的时间片更少一些。
# 3.9 案例 - 防止 CPU 占用 100%
# 3.9.1 sleep 实现
在没有利用 cpu 来计算时,不要让 while(true) 空转浪费 cpu,这时可以使用 yield 或 sleep 来让出 cpu 的使用权给其他程序:
while(true) {
try {
Thread.sleep(50);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
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- 可以用 wait 或 条件变量达到类似的效果
- 不同的是,后两种都需要加锁,并且需要相应的唤醒操作,一般适用于要进行同步的场景
- sleep 适用于无需锁同步的场景
# 3.9.2 wait 实现
synchronized(锁对象) {
while(条件不满足) {
try {
锁对象.wait();
} catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// do sth...
}
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# 3.9.3 条件变量实现
lock.lock();
try {
while(条件不满足) {
try {
条件变量.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// do sth...
} finally {
lock.unlock();
}
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# 3.10 join 方法
# 3.10.1 无时效的 join
t1.join()
会同步等待线程 t1 运行结束。
示例:
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);
}
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运行过程如下图:
注意,从调用方的角度来看,如果
- 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
# 3.10.2 有失效的 join
下面是一个 join 没等够时间的例子:
static int r1 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test3();
}
public static void test3() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
sleep(2);
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: {}, cost: {}", r1, end - start);
}
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输出:20:52:15.623 [main] c.TestJoin - r1: 0, cost: 1502
# 3.11 interrupt 方法
# 3.11.1 打断 sleep、wait、join 的线程
sleep、wait、join 这几个方法会让线程进行阻塞状态。interrupt 可以打断(打醒)阻塞的线程,被阻塞的进程在 sleep/wait/join 的地方抛出 InterruptedException。
如下是一个 sleep 的示例:
private static void test1() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(()->{
sleep(1);
}, "t1");
t1.start();
sleep(0.5); // 等 t1 进入睡眠状态
t1.interrupt();
log.debug(" 打断标记: {}", t1.isInterrupted());
}
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输出:
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
at java.lang.Thread.sleep(Thread.java:340)
at java.util.concurrent.TimeUnit.sleep(TimeUnit.java:386)
at cn.itcast.n2.util.Sleeper.sleep(Sleeper.java:8)
at cn.itcast.n4.TestInterrupt.lambda$test1$3(TestInterrupt.java:59)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
21:18:10.374 [main] c.TestInterrupt - 打断标记: false
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当一个 thread 被打断后,会有一个 boolean 类型的打断标记,可以通过 t1.isInterrupted()
来获得此标记。
- 但像 sleep、wait、join 中的 thread 被打断后,这个标记仍会被置为 false,表示假打断;
- 正常执行的线程被打断,该标记才被置为 true,表示真打断。
# 3.11.1 打断正常运行的线程
打断正常运行的线程, 会置打断标记为 true。注意,正常运行的线程(指没有处于 sleep/wait/join 的阻塞状态)被打断只是说打断标记被置为 true,但不会中断程序的运行,线程的代码需要检查打断标记来自行退出。
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();
}
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输出:20:57:37.964 [t2] c.TestInterrupt - 打断状态: true
interrupt 可以说是让一个 thread 比较优雅的停下来,因为可以让这个 thread 自己去做一些善后的工作,比如上例 t2 被打断后海可以
log.debug
一下。
# 3.11.3 案例 —— 设计模式之两阶段终止
Two Phase Termination,想要的是在一个线程 T1 中如何“优雅”地终止线程 T2?这里的【优雅】指的是给 T2 一个料理后事的机会。
错误的思路有:
- 使用线程对象的
stop()
方法停止线程- stop 方法会真正杀死线程,如果这时线程锁住了共享资源,那么当它被杀死后就再也没有机会释放锁,其它线程将永远无法获取锁.
- 使用 System.exit(int) 方法停止线程
- 目的仅是停止一个线程,但这种做法会让整个程序都停止
stop()
方法已经被 deprecated 了
假设我们要实现一个一直运行的 monitor 程序,下面是使用 interrupt 实现两阶段终止的思路:
- monitor 在
while(true)
一直运行,每轮循环会检查一下是否被打断,如果被打断就料理一下后事,没有的话就去干一下监控的任务。
实现代码:
class TPTInterrupt {
private Thread thread;
public void start(){
thread = new Thread(() -> {
while(true) {
Thread current = Thread.currentThread();
if(current.isInterrupted()) {
log.debug("料理后事");
break;
}
try {
Thread.sleep(2000); // 如果在这里被打断,是不会被设置打断标记的
log.debug("将结果保存");
} catch (InterruptedException e) {
current.interrupt(); // 重新打断一下,这样才能设置打断标记
}
// 执行监控操作
}
},"监控线程");
thread.start();
}
public void stop() {
thread.interrupt();
}
}
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调用方:
TPTInterrupt t = new TPTInterrupt();
t.start();
Thread.sleep(3500);
log.debug("stop");
t.stop();
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结果:
11:49:42.915 c.TwoPhaseTermination [监控线程] - 将结果保存
11:49:44.919 c.TwoPhaseTermination [监控线程] - 将结果保存
11:49:46.919 c.TwoPhaseTermination [监控线程] - 将结果保存
11:49:47.413 c.TestTwoPhaseTermination [main] - stop
11:49:48.413 c.TwoPhaseTermination [监控线程] - 料理后事
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# 3.11.4 打断 park 进程
LockSupport.park()
也是会让一个线程停下来。
打断 park 线程, 不会清空打断状态,也就是打断标记为 true:
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();
}
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输出:
21:11:52.795 [t1] c.TestInterrupt - park...
21:11:53.295 [t1] c.TestInterrupt - unpark...
21:11:53.295 [t1] c.TestInterrupt - 打断状态:true
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注意,如果打断标记为 true,那么 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();
}
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输出:
21:13:48.783 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.809 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态:true
21:13:49.812 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态:true
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态:true
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态:true
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态:true
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提示:可以使用 Thread.interrupted()
清除打断状态。
# 3.12 不推荐的方法(过时的方法)
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:
方法名 | static | 功能说明 |
---|---|---|
stop() | 停止线程运行 | |
suspend() | 挂起(暂停)线程运行 | |
resume() | 恢复线程运行 |
# 3.13 主线程与守护线程
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...");
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输出:
08:26:38.123 [main] c.TestDaemon - 开始运行...
08:26:38.213 [daemon] c.TestDaemon - 开始运行...
08:26:39.215 [main] c.TestDaemon - 运行结束...
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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
# 3.12 五种状态(操作系统层面)
这是从操作系统层面来描述的:
- 【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
# 3.13 六种状态(Thread.State)
这是从 Java API 层面来描述的,根据 Thread.State 枚举,分为六种状态:
- 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 , WAITING , TIMED_WAITING 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
# 3.14 小结
本章的重点在于掌握:
- 线程创建
- 线程重要 api,如 start,run,sleep,join,interrupt 等
- 线程状态
- 应用方面
- 异步调用:主线程执行期间,其它线程异步执行耗时操作
- 提高效率:并行计算,缩短运算时间
- 同步等待:join
- 统筹规划:合理使用线程,得到最优效果
- 原理方面
- 线程运行流程:栈、栈帧、上下文切换、程序计数器
- Thread 两种创建方式 的源码
- 模式方面
- 终止模式之两阶段终止