java高并发系列 – 第6天:线程的基本操作

新建线程

新建线程很简单。只需要使用new关键字创建一个线程对象,然后调用它的start()启动线程即可。

Thread thread1 = new Thread1();
t1.start();

那么线程start()之后,会干什么呢?线程有个run()方法,start()会创建一个新的线程并让这个线程执行run()方法。

这里需要注意,下面代码也能通过编译,也能正常执行。但是,却不能新建一个线程,而是在当前线程中调用run()方法,将run方法只是作为一个普通的方法调用。

Thread thread1 = new Thread1();
thread1.run();

所以,希望大家注意,调用start方法和直接调用run方法的区别。

start方法是启动一个线程,run方法只会在当前线程中串行的执行run方法中的代码。

默认情况下, 线程的run方法什么都没有,启动一个线程之后马上就结束了,所以如果你需要线程做点什么,需要把您的代码写到run方法中,所以必须重写run方法。

Thread thread1 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("hello,我是一个线程!");
            }
        };
thread1.start();

上面是使用匿名内部类实现的,重写了Thread的run方法,并且打印了一条信息。我们可以通过继承Thread类,然后重写run方法,来自定义一个线程。但考虑java是单继承的,从扩展性上来说,我们实现一个接口来自定义一个线程更好一些,java中刚好提供了Runnable接口来自定义一个线程。

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

Thread类有一个非常重要的构造方法:

public Thread(Runnable target)

我们在看一下Thread的run方法:

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

当我们启动线程的start方法之后,线程会执行run方法,run方法中会调用Thread构造方法传入的target的run方法。

实现Runnable接口是比较常见的做法,也是推荐的做法。

终止线程

一般来说线程执行完毕就会结束,无需手动关闭。但是如果我们想关闭一个正在运行的线程,有什么方法呢?可以看一下Thread类中提供了一个stop()方法,调用这个方法,就可以立即将一个线程终止,非常方便。

package com.itsoku.chat01;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@Slf4j
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                log.info("start");
                boolean flag = true;
                while (flag) {
                    ;
                }
                log.info("end");
            }
        };
        thread1.setName("thread1");
        thread1.start();
        //当前线程休眠1秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //关闭线程thread1
        thread1.stop();
        //输出线程thread1的状态
        log.info("{}", thread1.getState());
        //当前线程休眠1秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //输出线程thread1的状态
        log.info("{}", thread1.getState());
    }
}

运行代码,输出:

18:02:15.312 [thread1] INFO com.itsoku.chat01.Demo01 - start
18:02:16.311 [main] INFO com.itsoku.chat01.Demo01 - RUNNABLE
18:02:17.313 [main] INFO com.itsoku.chat01.Demo01 - TERMINATED

代码中有个死循环,调用stop方法之后,线程thread1的状态变为TERMINATED(结束状态),线程停止了。

我们使用idea或者eclipse的时候,会发现这个方法是一个废弃的方法,也就是说,在将来,jdk可能就会移除该方法。

stop方法为何会被废弃而不推荐使用?stop方法过于暴力,强制把正在执行的方法停止了。

大家是否遇到过这样的场景:电力系统需要维修,此时咱们正在写代码,维修人员直接将电源关闭了,代码还没保存的,是不是很崩溃,这种方式就像直接调用线程的stop方法类似。线程正在运行过程中,被强制结束了,可能会导致一些意想不到的后果。可以给大家发送一个通知,告诉大家保存一下手头的工作,将电脑关闭。

线程中断

在java中,线程中断是一种重要的线程写作机制,从表面上理解,中断就是让目标线程停止执行的意思,实际上并非完全如此。在上面中,我们已经详细讨论了stop方法停止线程的坏处,jdk中提供了更好的中断线程的方法。严格的说,线程中断并不会使线程立即退出,而是给线程发送一个通知,告知目标线程,有人希望你退出了!至于目标线程接收到通知之后如何处理,则完全由目标线程自己决定,这点很重要,如果中断后,线程立即无条件退出,我们又会到stop方法的老问题。

Thread提供了3个与线程中断有关的方法,这3个方法容易混淆,大家注意下:

public void interrupt() //中断线程
public boolean isInterrupted() //判断线程是否被中断
public static boolean interrupted()  //判断线程是否被中断,并清除当前中断状态

interrupt()方法是一个实例方法,它通知目标线程中断,也就是设置中断标志位为true,中断标志位表示当前线程已经被中断了。isInterrupted()方法也是一个实例方法,它判断当前线程是否被中断(通过检查中断标志位)。最后一个方法interrupted()是一个静态方法,返回boolean类型,也是用来判断当前线程是否被中断,但是同时会清除当前线程的中断标志位的状态。

while (true) {
            if (this.isInterrupted()) {
                System.out.println("我要退出了!");
                break;
            }
        }
    }
};
thread1.setName("thread1");
thread1.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
thread1.interrupt();

上面代码中有个死循环,interrupt()方法被调用之后,线程的中断标志将被置为true,循环体中通过检查线程的中断标志是否为ture(this.isInterrupted())来判断线程是否需要退出了。

再看一种中断的方法:

static volatile boolean isStop = false;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread thread1 = new Thread() {
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                if (isStop) {
                    System.out.println("我要退出了!");
                    break;
                }
            }
        }
    };
    thread1.setName("thread1");
    thread1.start();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    isStop = true;
}

代码中通过一个变量isStop来控制线程是否停止。

通过变量控制和线程自带的interrupt方法来中断线程有什么区别呢?

如果一个线程调用了sleep方法,一直处于休眠状态,通过变量控制,还可以中断线程么?大家可以思考一下。

此时只能使用线程提供的interrupt方法来中断线程了。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread thread1 = new Thread() {
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                //休眠100秒
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("我要退出了!");
                break;
            }
        }
    };
    thread1.setName("thread1");
    thread1.start();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    thread1.interrupt();
}

调用interrupt()方法之后,线程的sleep方法将会抛出InterruptedException异常

Thread thread1 = new Thread() {
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            //休眠100秒
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            if (this.isInterrupted()) {
                System.out.println("我要退出了!");
                break;
            }
        }
    }
};

运行上面的代码,发现程序无法终止。为什么?

代码需要改为:

Thread thread1 = new Thread() {
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            //休眠100秒
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                this.interrupt();
                e.printStackTrace();
            }
            if (this.isInterrupted()) {
                System.out.println("我要退出了!");
                break;
            }
        }
    }
};

上面代码可以终止。

注意:sleep方法由于中断而抛出异常之后,线程的中断标志会被清除(置为false),所以在异常中需要执行this.interrupt()方法,将中断标志位置为true

等待(wait)和通知(notify)

为了支持多线程之间的协作,JDK提供了两个非常重要的方法:等待wait()方法和通知notify()方法。这2个方法并不是在Thread类中的,而是在Object类中定义的。这意味着所有的对象都可以调用者两个方法。

public final void wait() throws InterruptedException;
public final native void notify();

当在一个对象实例上调用wait()方法后,当前线程就会在这个对象上等待。这是什么意思?比如在线程A中,调用了obj.wait()方法,那么线程A就会停止继续执行,转为等待状态。等待到什么时候结束呢?线程A会一直等到其他线程调用obj.notify()方法为止,这时,obj对象成为了多个线程之间的有效通信手段。

那么wait()方法和notify()方法是如何工作的呢?如图2.5展示了两者的工作过程。如果一个线程调用了object.wait()方法,那么它就会进出object对象的等待队列。这个队列中,可能会有多个线程,因为系统可能运行多个线程同时等待某一个对象。当object.notify()方法被调用时,它就会从这个队列中随机选择一个线程,并将其唤醒。这里希望大家注意一下,这个选择是不公平的,并不是先等待线程就会优先被选择,这个选择完全是随机的。

除notify()方法外,Object独享还有一个nofiyAll()方法,它和notify()方法的功能类似,不同的是,它会唤醒在这个等待队列中所有等待的线程,而不是随机选择一个。

这里强调一点,Object.wait()方法并不能随便调用。它必须包含在对应的synchronize语句汇总,无论是wait()方法或者notify()方法都需要首先获取目标独享的一个监视器。图2.6显示了wait()方法和nofiy()方法的工作流程细节。其中T1和T2表示两个线程。T1在正确执行wait()方法钱,必须获得object对象的监视器。而wait()方法在执行后,会释放这个监视器。这样做的目的是使其他等待在object对象上的线程不至于因为T1的休眠而全部无法正常执行。

线程T2在notify()方法调用前,也必须获得object对象的监视器。所幸,此时T1已经释放了这个监视器,因此,T2可以顺利获得object对象的监视器。接着,T2执行了notify()方法尝试唤醒一个等待线程,这里假设唤醒了T1。T1在被唤醒后,要做的第一件事并不是执行后续代码,而是要尝试重新获得object对象的监视器,而这个监视器也正是T1在wait()方法执行前所持有的那个。如果暂时无法获得,则T1还必须等待这个监视器。当监视器顺利获得后,T1才可以在真正意义上继续执行。

给大家上个例子:

package com.itsoku.chat01;

public class Demo06 {
    static Object object = new Object();

    public static class T1 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":T1 start!");
                try {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":T1 wait for object");
                    object.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":T1 end!");
            }
        }
    }

    public static class T2 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":T2 start,notify one thread! ");
                object.notify();
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":T2 end!");
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new T1().start();
        new T2().start();
    }
}

运行结果:

1562934497212:T1 start!
1562934497212:T1 wait for object
1562934497212:T2 start,notify one thread! 
1562934497212:T2 end!
1562934499213:T1 end!

注意下打印结果,T2调用notify方法之后,T1并不能立即继续执行,而是要等待T2释放objec投递锁之后,T1重新成功获取锁后,才能继续执行。因此最后2行日志相差了2秒(因为T2调用notify方法后休眠了2秒)。

注意:Object.wait()方法和Thread.sleeep()方法都可以让现场等待若干时间。除wait()方法可以被唤醒外,另外一个主要的区别就是wait()方法会释放目标对象的锁,而Thread.sleep()方法不会释放锁。

再给大家讲解一下wait(),notify(),notifyAll(),加深一下理解:

可以这么理解,obj对象上有2个队列,如图1,q1:等待队列,q2:准备获取锁的队列;两个队列都为空。

obj.wait()过程:

synchronize(obj){
    obj.wait();
}

假如有3个线程,t1、t2、t3同时执行上面代码,t1、t2、t3会进入q2队列,如图2,进入q2的队列的这些线程才有资格去争抢obj的锁,假设t1争抢到了,那么t2、t3机型在q2中等待着获取锁,t1进入代码块执行wait()方法,此时t1会进入q1队列,然后系统会通知q2队列中的t2、t3去争抢obj的锁,抢到之后过程如t1的过程。最后t1、t2、t3都进入了q1队列,如图3。

上面过程之后,又来了线程t4执行了notify()方法,如下:**

synchronize(obj){
    obj.notify();
}

t4会获取到obj的锁,然后执行notify()方法,系统会从q1队列中随机取一个线程,将其加入到q2队列,假如t2运气比较好,被随机到了,然后t2进入了q2队列,如图4,进入q2的队列的锁才有资格争抢obj的锁,t4线程执行完毕之后,会释放obj的锁,此时队列q2中的t2会获取到obj的锁,然后继续执行,执行完毕之后,q1中包含t1、t3,q2队列为空,如图5

接着又来了个t5队列,执行了notifyAll()方法,如下:

synchronize(obj){
    obj.notifyAll();
}

2.调用obj.wait()方法,当前线程会加入队列queue1,然后会释放obj对象的锁

t5会获取到obj的锁,然后执行notifyAll()方法,系统会将队列q1中的线程都移到q2中,如图6,t5线程执行完毕之后,会释放obj的锁,此时队列q2中的t1、t3会争抢obj的锁,争抢到的继续执行,未增强到的带锁释放之后,系统会通知q2中的线程继续争抢索,然后继续执行,最后两个队列中都为空了。

挂起(suspend)和继续执行(resume)线程

Thread类中还有2个方法,即线程挂起(suspend)继续执行(resume),这2个操作是一对相反的操作,被挂起的线程,必须要等到resume()方法操作后,才能继续执行。系统中已经标注着2个方法过时了,不推荐使用。

系统不推荐使用suspend()方法去挂起线程是因为suspend()方法导致线程暂停的同时,并不会释放任何锁资源。此时,其他任何线程想要访问被它占用的锁时,都会被牵连,导致无法正常运行(如图2.7所示)。直到在对应的线程上进行了resume()方法操作,被挂起的线程才能继续,从而其他所有阻塞在相关锁上的线程也可以继续执行。但是,如果resume()方法操作意外地在suspend()方法前就被执行了,那么被挂起的线程可能很难有机会被继续执行了。并且,更严重的是:它所占用的锁不会被释放,因此可能会导致整个系统工作不正常。而且,对于被挂起的线程,从它线程的状态上看,居然还是Runnable状态,这也会影响我们队系统当前状态的判断。

上个例子:

public class Demo07 {
static Object object = new Object();

public static class T1 extends Thread {
public T1(String name) {
super(name);
}

@Override
public void run()
{
synchronized (object) {
System.out.println("in " + this.getName());
Thread.currentThread().suspend();
}
}
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T1 t1 = new T1("t1");
t1.start();
Thread.sleep(100);
T1 t2 = new T1("t2");
t2.start();
t1.resume();
t2.resume();
t1.join();
t2.join();
}
}

运行代码输出:

in t1
in t2

我们会发现程序不会结束,线程t2被挂起了,导致程序无法结束,使用jstack命令查看线程堆栈信息可以看到:

"t2" #13 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000002796c000 nid=0xa3c runnable [0x000000002867f000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
        at java.lang.Thread.suspend0(Native Method)
        at java.lang.Thread.suspend(Thread.java:1029)
        at com.itsoku.chat01.Demo07$T1.run(Demo07.java:20)
        - locked <0x0000000717372fc0> (a java.lang.Object)

发现t2线程在suspend0处被挂起了,t2的状态竟然还是RUNNABLE状态,线程明明被挂起了,状态还是运行中容易导致我们队当前系统进行误判,代码中已经调用resume()方法了,但是由于时间先后顺序的缘故,resume并没有生效,这导致了t2永远滴被挂起了,并且永远占用了object的锁,这对于系统来说可能是致命的。

等待线程结束(join)和谦让(yeild)

很多时候,一个线程的输入可能非常依赖于另外一个或者多个线程的输出,此时,这个线程就需要等待依赖的线程执行完毕,才能继续执行。jdk提供了join()操作来实现这个功能。如下所示,显示了2个join()方法:

public final void join() throws InterruptedException;
public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException;

第1个方法表示无限等待,它会一直只是当前线程。知道目标线程执行完毕。

第2个方法有个参数,用于指定等待时间,如果超过了给定的时间目标线程还在执行,当前线程也会停止等待,而继续往下执行。

比如:线程T1需要等待T2、T3完成之后才能继续执行,那么在T1线程中需要分别调用T2和T3的join()方法。

上个示例:

public class Demo08 {
static int num = 0;

public static class T1 extends Thread {
public T1(String name) {
super(name);
}

@Override
public void run()
{
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ",start " + this.getName());
for (int i = 0; i < 10; i++) {
num++;
try {
Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ",end " + this.getName());
}
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T1 t1 = new T1("t1");
t1.start();
t1.join();
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ",num = " + num);
}
}

执行结果:

1562939889129,start t1
1562939891134,end t1
1562939891134,num = 10

num的结果为10,1、3行的时间戳相差2秒左右,说明主线程等待t1完成之后才继续执行的。

看一下jdk1.8中Thread.join()方法的实现:

public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException {
    long base = System.currentTimeMillis();
    long now = 0;

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

    if (millis == 0) {
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {
        while (isAlive()) {
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}

从join的代码中可以看出,在被等待的线程上使用了synchronize,调用了它的wait()方法,线程最后执行完毕之后,系统会自动调用它的notifyAll()方法,唤醒所有在此线程上等待的其他线程。

注意:被等待的线程执行完毕之后,系统自动会调用该线程的notifyAll()方法。所以一般情况下,我们不要去在线程对象上使用wait()、notify()、notifyAll()方法。

另外一个方法是Thread.yield(),他的定义如下:

public static native void yield();

yield是谦让的意思,这是一个静态方法,一旦执行,它会让当前线程出让CPU,但需要注意的是,出让CPU并不是说不让当前线程执行了,当前线程在出让CPU后,还会进行CPU资源的争夺,但是能否再抢到CPU的执行权就不一定了。因此,对Thread.yield()方法的调用好像就是在说:我已经完成了一些主要的工作,我可以休息一下了,可以让CPU给其他线程一些工作机会了。

如果觉得一个线程不太重要,或者优先级比较低,而又担心此线程会过多的占用CPU资源,那么可以在适当的时候调用一下Thread.yield()方法,给与其他线程更多的机会。

总结

  1. 创建线程的2中方式:继承Thread类;实现Runnable接口
  2. 启动线程:调用线程的start()方法
  3. 终止线程:调用线程的stop()方法,方法已过时,建议不要使用
  4. 线程中断相关的方法:调用线程实例interrupt()方法将中断标志置为true;使用线程实例方法isInterrupted()获取中断标志;调用Thread的静态方法interrupted()获取线程是否被中断,此方法调用之后会清除中断标志(将中断标志置为false了)
  5. wait、notify、notifyAll方法,这块比较难理解,可以回过头去再理理
  6. 线程挂起使用线程实例方法suspend(),恢复线程使用线程实例方法resume(),这2个方法都过时了,不建议使用
  7. 等待线程结束:调用线程实例方法join()
  8. 出让cpu资源:调用线程静态方法yeild()

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