Java 线程运行方法和原理
发布时间：2023年12月18日
线程运行
原理
栈与栈帧：
Java 虚拟机栈会为每个启动的线程分配一块栈内存，其中存储着栈帧（Frame）
- 每个栈由多个栈帧组成，栈帧对应调用方法（函数）所占用的内存
- 每个栈只有一个活动栈，对应当前正在执行的方法
单线程示例：
main, method1, method2 各自对应这一个栈帧，存储在一个栈中：
public class d1_Frame {
public static void main(String[] args) {
method1(10); // 调用method1
}
public static void method1(int x){
int y = x + 1;
Object obj = method2(); // 调用 method2
}
public static Object method2(){
Object obj = new Object();
return obj;
}
}
多线程示例：
包含两个线程 main 和 t1 ，分别创建两个独立的栈，每个栈里包含各自的栈帧
main线程的栈：
t1 线程的栈：
public class d1_Frame {
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread() {
@Override
public void run() {
method1(20); // t1 线程调用 method1
}
};
t1.setName("t1");
t1.start();
method1(10); // main 调用method1
}
public static void method1(int x){
int y = x + 1;
Object obj = method2(); // 调用 method2
}
public static Object method2(){
Object obj = new Object();
return obj;
}
}
线程上下文切换（Thread Context Switch）
线程上下文切换是指：CPU不再执行当前线程，转而执行其他线程的代码的过程
发生 Context Switch 的原因：
- 线程的 cpu 时间片用完
- 垃圾回收
- 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
线程运行的常见方法
run与start
run调用：直接调用 run 方法，则是 main 主线程执行的，并没有创建一个新线程执行
start调用：创建一个新的线程 t1 ，t1 线程与 main 线程是同时进行的。调用后，线程的状态也会发生改变
@Slf4j(topic = "c.d2_run_start")
public class d2_run_start {
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread("t1") {
@Override
public void run() {
log.debug("running");
}
};
t1.run();
// 14:25:50 [main] c.d2_run_start - running
System.out.println(t1.getState()); //NEW
t1.start();
// 14:28:11 [t1] c.d2_run_start - running
System.out.println(t1.getState()); // RUNNABLE
}
}
sleep
- sleep 的对线程状态的影响：调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
@Slf4j(topic = "c.d3_sleep_yield")
public class d3_sleep_yield {
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread("t1"){
@Override
public void run() {
log.debug("running");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
log.debug("t1 state: {}", t1.getState()); // NEW
t1.start();
log.debug("t1 state: {}", t1.getState()); // RUNNABLE
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug("t1 state: {}", t1.getState()); // TIMED_WAITING
}
}
- 其它线程可以使用 interrupt 方法中断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛出
InterruptedException异常
@Slf4j(topic = "c.d3_sleep_yield")
public class d3_sleep_yield {
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread("t1"){
@Override
public void run() {
log.debug("enter sleep");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
log.debug("wake up ...");
e.printStackTrace();
}
}
};
t1.start();
try {
Thread.sleep(1000); // 当前 main 线程睡眠1s
log.debug("interrupt...");
t1.interrupt(); // 打断 t1 的 sleep
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
/**
* 输出：
* 14:45:29 [t1] c.d3_sleep_yield - enter sleep
* 14:45:30 [main] c.d3_sleep_yield - interrupt...
* 14:45:30 [t1] c.d3_sleep_yield - wake up ...
* java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
*/
}
}
-
睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行。睡眠结束后的线程仅仅是被唤醒了，还需要等待CPU分配时间片才能执行
-
TimeUnit的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性
iimport java.util.concurrent.TimeUnit;
// 该方法实际上是封装的 Thread.sleep 方法
TimeUnit.SECONDS.sleep(1); // 睡眠 1 s
yield
yield（让出）：让出当前线程 CPU 的使用权给其他线程
-
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
-
具体的实现依赖于操作系统的任务调度器
线程优先级 set/getPriority
- 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，任务调度器可以忽略它
- 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
public class d4_thread_priority {
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(()->{
int count = 0;
while(true){
System.out.println("---> 1 " + count++);
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(()->{
int count = 0;
while(true){
// Thread.yield();
System.out.println(" ---> 2 " + count++);
}
}, "t2");
// 设置线程优先级（默认优先级为5）
t1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
t2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
t1.start();
t2.start();
}
}
- 设置 yield 会将当前线程占用的CPU时间片让给其他线程，所以
t1的 count 会比t2的大 - 设置优先级，优先级越大的线程可以获得更多的时间片，所以
t2的 count 会比t1的大
防止 CPU 占用100%
join
等待当前线程运行完毕
单线程等待：主线程 main 在同步等待 t1 线程
@Slf4j(topic = "c.d5_join")
public class d5_join {
static int r = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test1();
}
private static void test1() throws InterruptedException {
log.debug("开始");
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("开始");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug("结束");
r = 10;
});
t1.start();
t1.join(); // 等待 t1 完成，再获取 r的结果
log.debug("结果为:{}", r);
log.debug("结束");
}
}
多线程等待：
@Slf4j(topic = "c.d5_join")
public class d5_join {
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(() -> {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
r1 = 10;
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
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);
// 15:23:57 [main] c.d5_join - r1: 10 r2: 20 cost: 2014
}
先调用 t1 的 join 再调用 t2 的join，等待时间为 2s
- 第一个 join：等待 t1 时, t2 并没有停止, 而在运行
- 第二个 join：1s 后, 执行到此, t2 也运行了 1s, 因此也只需再等待 1s
颠倒两个 join 最终都是输出 2s
- 因为 t2等待运行完成的时候，t1 也在运行
- t2 完成后已经等待了 2s，此时t1已经运行完毕，不需要再等待了
有时效的 join：
t1.join(1500); // 等待1.5后继续当前线程
// 如果 t1 仅需要 1s 完成，则join也会提前结束
interrupt
- 用于打断 sleep, wait, join的线程
打断后的打断标记为 false （认为对 sleep,wait,join的线程进行打断不算打断）
@Slf4j(topic = "c.d6_interrupt")
public class d6_interrupt {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test1();
}
private static void test1() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(()->{
log.debug("sleep...");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}, "t1");
t1.start();
Thread.sleep(500);
log.debug("interrupt...");
t1.interrupt();
log.debug(" 打断状态: {}", t1.isInterrupted());
/** 输出：
* 15:36:35 [t1] c.d6_interrupt - sleep...
* 15:36:36 [main] c.d6_interrupt - interrupt...
* 15:36:36 [main] c.d6_interrupt - 打断状态: false
*/
}
}
- 打断正常运行的线程
打断后的打断标记为 true。但是被打断的线程并不会停止运行
这样可以通过一个标记让该线程获取自己被其他线程打断了，以便进行后续处理并决定是否停止当前线程
@Slf4j(topic = "c.d6_interrupt")
public class d6_interrupt {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test2();
}
private static void test2() throws InterruptedException {
Thread t2 = new Thread(()->{
while(true) {
// 获取当前线程的打断标记
Thread current = Thread.currentThread();
boolean interrupted = current.isInterrupted();
// 自己决定是否退出当前线程
if(interrupted) {
log.debug(" 打断状态: {}", interrupted);
// 15:39:55 [t2] c.d6_interrupt - 打断状态: true
break;
}
}
}, "t2");
t2.start();
Thread.sleep(500);
t2.interrupt();
}
}
模式之两阶段终止
Two Phase Termination
在一个线程 T1 中如何“优雅”终止线程 T2？这里的【优雅】指的是给 T2 一个料理后事的机会。
- 错误方法
- 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
- 两阶段终止模式
利用 isInterrupted
注意事项：
sleep过程中被打断会重置打断标记为false，所以需要重新设置打断标记为 true，以便在上面的if里判断标记，进行后续处理
如果不重新设置打断标记为 true，则不会进行料理后事的处理
class Test{
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
d7_two_phase_termination tpt = new d7_two_phase_termination();
tpt.start();
Thread.sleep(3500);
tpt.stop();
/** 输出：
* 16:07:57 [Thread-0] c.d7_two_phase_termination - 执行监控记录
* 16:07:58 [Thread-0] c.d7_two_phase_termination - 执行监控记录
* 16:07:59 [Thread-0] c.d7_two_phase_termination - 执行监控记录
* java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
* at java.base/java.lang.Thread.sleep0(Native Method)
* at java.base/java.lang.Thread.sleep(Thread.java:509)
* at com.rainsun.d2_run_thread.d7_two_phase_termination.lambda$start$0(d7_two_phase_termination.java:30)
* at java.base/java.lang.Thread.run(Thread.java:1583)
* 16:08:00 [Thread-0] c.d7_two_phase_termination - 释放资源，锁，料理后事...
*/
}
}
@Slf4j(topic = "c.d7_two_phase_termination")
public class d7_two_phase_termination {
private Thread monitor;
// 启动监控程序
public void start(){
monitor = new Thread(()->{
while (true){
Thread currentThread = Thread.currentThread();
if(currentThread.isInterrupted()){
log.debug("释放资源，锁，料理后事...");
break;
}
try {
Thread.sleep(1000); // 情况一：sleep过程被打断
log.debug("执行监控记录"); // 情况二：执行其他过程被打断
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
// sleep过程中被打断会重置打断标记为false
// 这里需要重新设置打断标记为 true，以便在上面的if里判断标记，进行后续处理
currentThread.interrupt();
}
}
});
monitor.start();
}
public void stop(){
monitor.interrupt();
}
}
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。
- 例如：两个线程
t1，main，main线程结束了，t1线程没结束则Java进程会继续运行
- 例如：两个线程
-
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。
- 设置一个线程为守护线程：
t1.setDaemon(true)
- 设置一个线程为守护线程：
t1 2s才运行完，但是 t1 被设置为守护线程，当其他线程 1s后运行完后，t1 线程也被迫停止了
@Slf4j(topic = "c.d8_daemon")
public class d8_daemon {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
log.debug("开始运行...");
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("开始运行...");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
log.debug("运行结束...");
}, "daemon");
// 设置该线程为守护线程
t1.setDaemon(true);
t1.start();
Thread.sleep(1000);
log.debug("运行结束...");
/**
* 16:22:39 [main] c.d8_daemon - 开始运行...
* 16:22:39 [daemon] c.d8_daemon - 开始运行...
* 16:22:40 [main] c.d8_daemon - 运行结束...
*/
}
}
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
操作系统层面的五种状态
- 【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
Java API 层面的六种状态
- 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
六种状态的演示：
@Slf4j(topic = "c.d9_thread_state")
public class d9_thread_state {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(()->{
log.debug("running..."); // NEW
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(()->{
while (true){ // RUNNABLE
}
}, "t2");
t2.start();
Thread t3 = new Thread(()->{
log.debug("running..."); // TERMINATED
}, "t3");
t3.start();
Thread t4 = new Thread(()->{
synchronized (d9_thread_state.class){
try {
Thread.sleep(1000000); // timed_waiting
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}
}, "t4");
t4.start();
Thread t5 = new Thread(()->{
try {
t2.join(); // t5等待t2完成，t2为死循环，所以是 waiting状态
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "t5");
t5.start();
Thread t6 = new Thread(()->{
// 这个锁已经被t4占据了，所以t6拿不到这个锁。陷入 blocked状态
synchronized (d9_thread_state.class){
try {
Thread.sleep(1000000);
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}
}, "t6");
t6.start();
Thread.sleep(500);
log.debug("t1 state {}", t1.getState());
log.debug("t2 state {}", t2.getState());
log.debug("t3 state {}", t3.getState());
log.debug("t4 state {}", t4.getState());
log.debug("t5 state {}", t5.getState());
log.debug("t6 state {}", t6.getState());
/** 输出：
* 16:47:45 [t3] c.d9_thread_state - running...
* 16:47:46 [main] c.d9_thread_state - t1 state NEW
* 16:47:46 [main] c.d9_thread_state - t2 state RUNNABLE
* 16:47:46 [main] c.d9_thread_state - t3 state TERMINATED
* 16:47:46 [main] c.d9_thread_state - t4 state TIMED_WAITING
* 16:47:46 [main] c.d9_thread_state - t5 state WAITING
* 16:47:46 [main] c.d9_thread_state - t6 state BLOCKED
*/
}
}
文章来源:https://blog.csdn.net/qq_45364953/article/details/134999787
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