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        • Java 线程
          • 3. Java 线程
            • 3.1 创建和运行线程
            • 3.2 观察多个线程同时运行
            • 3.3 查看进程线程的方法
            • 3.4 原理之线程调用
            • 3.5 常见方法概述
            • 3.6 start 与 run
            • 3.7 sleep 与 yield
            • 3.8 线程优先级
            • 3.9 案例 - 防止 CPU 占用 100%
            • 3.10 join 方法
            • 3.11 interrupt 方法
            • 3.12 不推荐的方法(过时的方法)
            • 3.13 主线程与守护线程
            • 3.12 五种状态(操作系统层面)
            • 3.13 六种状态(Thread.State)
            • 3.14 小结
        • 共享模型之管程 1:synchronized 和锁的优化
        • 共享模型之管程 2:wait-notify
        • 共享模型之管程 3:park、多把锁与活跃性
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2023-06-22
目录

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:

  1. 直接使用 Thread
  2. 使用 Runnable 配合 Thread
  3. 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:

20230622164944

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:

20230622212114

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:

20230623100405
  • 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:

20230623103351
  • 【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:

20230623103709
  • 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
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上次更新: 2023/06/23, 07:36:49
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共享模型之管程 1:synchronized 和锁的优化

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