前言

Java中的线程是使用Thread类实现的,Thread在初学Java的时候就学过了,也在实践中用过,不过一直没从源码的角度去看过它的实现,今天从源码的角度出发,再次学习Java Thread,愿此后对Thread的实践更加得心应手。

从注释开始

相信阅读过JDK源码的同学都能感受到JDK源码中有非常详尽的注释,阅读某个类的源码应当先看看注释对它的介绍,注释原文就不贴了,以下是我对它的总结:

  • Thread是程序中执行的线程,Java虚拟机允许应用程序同时允许多个执行线程

  • 每个线程都有优先级的概念,具有较高优先级的线程优先于优先级较低的线程执行

  • 每个线程都可以被设置为守护线程

  • 当在某个线程中运行的代码创建一个新的Thread对象时,新的线程优先级跟创建线程一致

  • Java虚拟机启动的时候都会启动一个叫做main的线程,它没有守护线程,main线程会继续执行,直到以下情况发送

    • Runtime 类的退出方法exit被调用并且安全管理器允许进行退出操作
    • 所有非守护线程均已死亡,或者run方法执行结束正常返回结果,或者run方法抛出异常
  • 创建线程第一种方式:继承Thread类,重写run方法

     1//定义线程类
    2class PrimeThread extends Thread {
    3      long minPrime;
    4      PrimeThread(long minPrime) {
    5          this.minPrime = minPrime;
    6      }
    7      public void run() {
    8          // compute primes larger than minPrime
    9           . . .
    10      }
    11  }
    12//启动线程
    13PrimeThread p = new PrimeThread(143);
    14p.start();
  • 创建线程第二种方式:实现Runnable接口,重写run方法,因为Java的单继承限制,通常使用这种方式创建线程更加灵活

     1//定义线程
    2 class PrimeRun implements Runnable {
    3      long minPrime;
    4      PrimeRun(long minPrime) {
    5          this.minPrime = minPrime;
    6      }
    7      public void run() {
    8          // compute primes larger than minPrime
    9           . . .
    10      }
    11  }
    12//启动线程
    13PrimeRun p = new PrimeRun(143);
    14new Thread(p).start();
  • 创建线程时可以给线程指定名字,如果没有指定,会自动为它生成名字

  • 除非另有说明,否则将null参数传递给Thread类中的构造函数或方法将导致抛出 NullPointerException

Thread 常用属性

阅读一个Java类,先从它拥有哪些属性入手:

 1//线程名称,创建线程时可以指定线程的名称
2private volatile String name;
3
4//线程优先级,可以设置线程的优先级
5private int priority;
6
7//可以配置线程是否为守护线程,默认为false
8private boolean daemon = false;
9
10//最终执行线程任务的`Runnable`
11private Runnable target;
12
13//描述线程组的类
14private ThreadGroup group;
15
16//此线程的上下文ClassLoader
17private ClassLoader contextClassLoader;
18
19//所有初始化线程的数目,用于自动编号匿名线程,当没有指定线程名称时,会自动为其编号
20private static int threadInitNumber;
21
22//此线程请求的堆栈大小,如果创建者没有指定堆栈大小,则为0。, 虚拟机可以用这个数字做任何喜欢的事情。, 一些虚拟机会忽略它。
23private long stackSize;
24
25//线程id
26private long tid;
27
28//用于生成线程ID
29private static long threadSeqNumber;
30
31//线程状态
32private volatile int threadStatus = 0;
33
34//线程可以拥有的最低优先级
35public final static int MIN_PRIORITY = 1;
36
37//分配给线程的默认优先级。
38public final static int NORM_PRIORITY = 5;
39
40//线程可以拥有的最大优先级
41public final static int MAX_PRIORITY = 10;

所有的属性命名都很语义化,其实已看名称基本就猜到它是干嘛的了,难度不大~~

Thread 构造方法

了解了属性之后,看看Thread实例是怎么构造的?先预览下它大致有多少个构造方法:

查看每个构造方法内部源码,发现均调用的是名为init的私有方法,再看init方法有两个重载,而其核心方法如下:

 1   /**
2     * Initializes a Thread.
3     *
4     * @param g                   线程组
5     * @param target              最终执行任务的 `run()` 方法的对象
6     * @param name                新线程的名称
7     * @param stackSize           新线程所需的堆栈大小,或者 0 表示要忽略此参数
8     * @param acc                 要继承的AccessControlContext,如果为null,则为 AccessController.getContext()
9     * @param inheritThreadLocals 如果为 true,从构造线程继承可继承的线程局部的初始值
10     */
11    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
12                      long stackSize, AccessControlContext acc,
13                      boolean inheritThreadLocals) {
14        //线程名称为空,直接抛出空指针异常
15        if (name == null) {
16            throw new NullPointerException("name cannot be null");
17        }
18        //初始化当前线程对象的线程名称
19        this.name = name;
20        //获取当前正在执行的线程为父线程
21        Thread parent = currentThread();
22        //获取系统安全管理器
23        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
24        //如果线程组为空
25        if (g == null) {
26            //如果安全管理器不为空
27            if (security != null) {
28                //获取SecurityManager中的线程组
29                g = security.getThreadGroup();
30            }
31            //如果获取的线程组还是为空
32            if (g == null) {
33                //则使用父线程的线程组
34                g = parent.getThreadGroup();
35            }
36        }
37
38        //检查安全权限
39        g.checkAccess();
40
41        //使用安全管理器检查是否有权限
42        if (security != null) {
43            if (isCCLOverridden(getClass())) {
44                security.checkPermission(SUBCLASS_IMPLEMENTATION_PERMISSION);
45            }
46        }
47
48        //线程组中标记未启动的线程数+1,这里方法是同步的,防止出现线程安全问题
49        g.addUnstarted();
50
51        //初始化当前线程对象的线程组
52        this.group = g;
53        //初始化当前线程对象的是否守护线程属性,注意到这里初始化时跟父线程一致
54        this.daemon = parent.isDaemon();
55        //初始化当前线程对象的线程优先级属性,注意到这里初始化时跟父线程一致
56        this.priority = parent.getPriority();
57        //这里初始化类加载器
58        if (security == null || isCCLOverridden(parent.getClass()))
59            this.contextClassLoader = parent.getContextClassLoader();
60        else
61            this.contextClassLoader = parent.contextClassLoader;
62        this.inheritedAccessControlContext =
63                acc != null ? acc : AccessController.getContext();
64        //初始化当前线程对象的最终执行任务对象
65        this.target = target;
66        //这里再对线程的优先级字段进行处理
67        setPriority(priority);
68        if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
69            this.inheritableThreadLocals =
70                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
71        //初始化当前线程对象的堆栈大小
72        this.stackSize = stackSize;
73
74        //初始化当前线程对象的线程ID,该方法是同步的,内部实际上是threadSeqNumber++
75        tid = nextThreadID();
76    }

另一个重载init私有方法如下,实际上内部调用的是上述init方法:

1private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
2                      long stackSize) {
3        init(g, target, name, stackSize, null, true);
4    }

接下来看看所有构造方法:

  1. 空构造方法

    1 public Thread() {
    2        init(null, null, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
    3    }

    内部调用的是init第二个重载方法,参数基本都是默认值,线程名称写死为"Thread-" + nextThreadNum()格式,nextThreadNum()为一个同步方法,内部维护一个静态属性表示线程的初始化数量+1:

    1 private static int threadInitNumber;
    2    private static synchronized int nextThreadNum() {
    3        return threadInitNumber++;
    4    }
  2. 自定义执行任务Runnable对象的构造方法

    1public Thread(Runnable target) {
    2    init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
    3}

    与第一个构造方法区别在于可以自定义Runnable对象

  3. 自定义执行任务Runnable对象和AccessControlContext对象的构造方法

    1 Thread(Runnable target, AccessControlContext acc) {
    2    init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0, acc, false);
    3}
  4. 自定义线程组ThreadGroup和执行任务Runnable对象的构造方法

    1public Thread(ThreadGroup group, Runnable target) {
    2    init(group, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
    3}
  5. 自定义线程名称name的构造方法

    1 public Thread(String name) {
    2    init(null, null, name, 0);
    3}
  6. 自定义线程组ThreadGroup和线程名称name的构造方法

    1 public Thread(ThreadGroup group, String name) {
    2    init(group, null, name, 0);
    3}
  7. 自定义执行任务Runnable对象和线程名称name的构造方法

    1 public Thread(Runnable target, String name) {
    2    init(null, target, name, 0);
    3}
  8. 自定义线程组ThreadGroup和线程名称name和执行任务Runnable对象的构造方法

    1  public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name) {
    2    init(group, target, name, 0);
    3}
  9. 全部属性都是自定义的构造方法

    1  public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name,
    2              long stackSize) {
    3    init(group, target, name, stackSize);
    4}

Thread提供了非常灵活的重载构造方法,方便开发者自定义各种参数的Thread对象。

常用方法

这里记录一些比较常见的方法吧,对于Thread中存在的一些本地方法,我们暂且不用管它~

设置线程名称

设置线程名称,该方法为同步方法,为了防止出现线程安全问题,可以手动调用Thread的实例方法设置名称,也可以在构造Thread时在构造方法中传入线程名称,我们通常都是在构造参数时设置

 1   public final synchronized void setName(String name) {
2         //检查安全权限
3          checkAccess();
4         //如果形参为空,抛出空指针异常
5          if (name == null) {
6              throw new NullPointerException("name cannot be null");
7          }
8        //给当前线程对象设置名称
9          this.name = name;
10          if (threadStatus != 0) {
11              setNativeName(name);
12          }
13      }

获取线程名称

内部直接返回当前线程对象的名称属性

1  public final String getName() {
2        return name;
3    }

启动线程

 1public synchronized void start() {
2        //如果不是刚创建的线程,抛出异常
3        if (threadStatus != 0)
4            throw new IllegalThreadStateException();
5
6        //通知线程组,当前线程即将启动,线程组当前启动线程数+1,未启动线程数-1
7        group.add(this);
8
9        //启动标识
10        boolean started = false;
11        try {
12            //直接调用本地方法启动线程
13            start0();
14            //设置启动标识为启动成功
15            started = true;
16        } finally {
17            try {
18                //如果启动呢失败
19                if (!started) {
20                    //线程组内部移除当前启动的线程数量-1,同时启动失败的线程数量+1
21                    group.threadStartFailed(this);
22                }
23            } catch (Throwable ignore) {
24                /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
25                  it will be passed up the call stack */
26            }
27        }
28    }

我们正常的启动线程都是调用Threadstart()方法,然后Java虚拟机内部会去调用Thredrun方法,可以看到Thread类也是实现Runnable接口,重写了run方法的:

1 @Override
2    public void run() {
3        //当前执行任务的Runnable对象不为空,则调用其run方法
4        if (target != null) {
5            target.run();
6        }
7    }

Thread的两种使用方式:

  • 继承Thread类,重写run方法,那么此时是直接执行run方法的逻辑,不会使用target.run();
  • 实现Runnable接口,重写run方法,因为Java的单继承限制,通常使用这种方式创建线程更加灵活,这里真正的执行逻辑就会交给自定义Runnable去实现

设置守护线程

本质操作是设置daemon属性

 1public final void setDaemon(boolean on) {
2        //检查是否有安全权限
3        checkAccess();
4        //本地方法,测试此线程是否存活。, 如果一个线程已经启动并且尚未死亡,则该线程处于活动状态
5        if (isAlive()) {
6            //如果线程先启动后再设置守护线程,将抛出异常
7            throw new IllegalThreadStateException();
8        }
9        //设置当前守护线程属性
10        daemon = on;
11    }

判断线程是否为守护线程

1 public final boolean isDaemon() {
2        //直接返回当前对象的守护线程属性
3        return daemon;
4    }

线程状态

先来个线程状态图:

获取线程状态:

1 public State getState() {
2        //由虚拟机实现,获取当前线程的状态
3        return sun.misc.VM.toThreadState(threadStatus);
4    }

线程状态主要由内部枚举类State组成:

 1  public enum State {
2
3        NEW,
4
5
6        RUNNABLE,
7
8
9        BLOCKED,
10
11
12        WAITING,
13
14
15        TIMED_WAITING,
16
17
18        TERMINATED;
19    }
  • NEW:刚刚创建,尚未启动的线程处于此状态
  • RUNNABLE:在Java虚拟机中执行的线程处于此状态
  • BLOCKED:被阻塞等待监视器锁的线程处于此状态,比如线程在执行过程中遇到synchronized同步块,就会进入此状态,此时线程暂停执行,直到获得请求的锁
  • WAITING:无限期等待另一个线程执行特定操作的线程处于此状态
    • 通过 wait() 方法等待的线程在等待 notify() 方法
    • 通过 join() 方法等待的线程则会等待目标线程的终止
  • TIMED_WAITING:正在等待另一个线程执行动作,直到指定等待时间的线程处于此状态
    • 通过 wait() 方法,携带超时时间,等待的线程在等待 notify() 方法
    • 通过 join() 方法,携带超时时间,等待的线程则会等待目标线程的终止
  • TERMINATED:已退出的线程处于此状态,此时线程无法再回到 RUNNABLE 状态

线程休眠

这是一个静态的本地方法,使当前执行的线程休眠暂停执行 millis 毫秒,当休眠被中断时会抛出InterruptedException中断异常

 1    /**
2     * Causes the currently executing thread to sleep (temporarily cease
3     * execution) for the specified number of milliseconds, subject to
4     * the precision and accuracy of system timers and schedulers. The thread
5     * does not lose ownership of any monitors.
6     *
7     * @param  millis
8     *         the length of time to sleep in milliseconds
9     *
10     * @throws  IllegalArgumentException
11     *          if the value of {@code millis} is negative
12     *
13     * @throws  InterruptedException
14     *          if any thread has interrupted the current thread. The
15     *          <i>interrupted status</i> of the current thread is
16     *          cleared when this exception is thrown.
17     */
18    public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;

检查线程是否存活

本地方法,测试此线程是否存活。 如果一个线程已经启动并且尚未死亡,则该线程处于活动状态。

1    /**
2     * Tests if this thread is alive. A thread is alive if it has
3     * been started and has not yet died.
4     *
5     * @return  <code>true</code> if this thread is alive;
6     *          <code>false</code> otherwise.
7     */
8    public final native boolean isAlive();

线程优先级

  • 设置线程优先级
 1    /**
2     * Changes the priority of this thread.
3     * <p>
4     * First the <code>checkAccess</code> method of this thread is called
5     * with no arguments. This may result in throwing a
6     * <code>SecurityException</code>.
7     * <p>
8     * Otherwise, the priority of this thread is set to the smaller of
9     * the specified <code>newPriority</code> and the maximum permitted
10     * priority of the thread's thread group.
11     *
12     * @param newPriority priority to set this thread to
13     * @exception  IllegalArgumentException  If the priority is not in the
14     *               range <code>MIN_PRIORITY</code> to
15     *               <code>MAX_PRIORITY</code>.
16     * @exception  SecurityException  if the current thread cannot modify
17     *               this thread.
18     * @see        #getPriority
19     * @see        #checkAccess()
20     * @see        #getThreadGroup()
21     * @see        #MAX_PRIORITY
22     * @see        #MIN_PRIORITY
23     * @see        ThreadGroup#getMaxPriority()
24     */
25    public final void setPriority(int newPriority) {
26        //线程组
27        ThreadGroup g;
28        //检查安全权限
29        checkAccess();
30        //检查优先级形参范围
31        if (newPriority > MAX_PRIORITY || newPriority < MIN_PRIORITY) {
32            throw new IllegalArgumentException();
33        }
34        if((g = getThreadGroup()) != null) {
35            //如果优先级形参大于线程组最大线程最大优先级
36            if (newPriority > g.getMaxPriority()) {
37                //则使用线程组的优先级数据
38                newPriority = g.getMaxPriority();
39            }
40            //调用本地设置线程优先级方法
41            setPriority0(priority = newPriority);
42        }
43    }

线程中断

有一个stop()实例方法可以强制终止线程,不过这个方法因为太过于暴力,已经被标记为过时方法,不建议程序员再使用,因为强制终止线程会导致数据不一致的问题。

这里关于线程中断的方法涉及三个:

1//实例方法,通知线程中断,设置标志位
2 public void interrupt(){}
3 //静态方法,检查当前线程的中断状态,同时会清除当前线程的中断标志位状态
4 public static boolean interrupted(){}
5 //实例方法,检查当前线程是否被中断,其实是检查中断标志位
6 public boolean isInterrupted(){}

interrupt() 方法解析

 1/**
2     * Interrupts this thread.
3     *
4     * <p> Unless the current thread is interrupting itself, which is
5     * always permitted, the {@link #checkAccess() checkAccess} method
6     * of this thread is invoked, which may cause a {@link
7     * SecurityException} to be thrown.
8     *
9     * <p> If this thread is blocked in an invocation of the {@link
10     * Object#wait() wait()}, {@link Object#wait(long) wait(long)}, or {@link
11     * Object#wait(long, int) wait(long, int)} methods of the {@link Object}
12     * class, or of the {@link #join()}, {@link #join(long)}, {@link
13     * #join(long, int)}, {@link #sleep(long)}, or {@link #sleep(long, int)},
14     * methods of this class, then its interrupt status will be cleared and it
15     * will receive an {@link InterruptedException}.
16     *
17     * <p> If this thread is blocked in an I/O operation upon an {@link
18     * java.nio.channels.InterruptibleChannel InterruptibleChannel}
19     * then the channel will be closed, the thread's interrupt
20     * status will be set, and the thread will receive a {@link
21     * java.nio.channels.ClosedByInterruptException}.
22     *
23     * <p> If this thread is blocked in a {@link java.nio.channels.Selector}
24     * then the thread's interrupt status will be set and it will return
25     * immediately from the selection operation, possibly with a non-zero
26     * value, just as if the selector's {@link
27     * java.nio.channels.Selector#wakeup wakeup} method were invoked.
28     *
29     * <p> If none of the previous conditions hold then this thread's interrupt
30     * status will be set. </p>
31     *
32     * <p> Interrupting a thread that is not alive need not have any effect.
33     *
34     * @throws  SecurityException
35     *          if the current thread cannot modify this thread
36     *
37     * @revised 6.0
38     * @spec JSR-51
39     */
40    public void interrupt() {
41        //检查是否是自身调用
42        if (this != Thread.currentThread())
43            //检查安全权限,这可能导致抛出{@link * SecurityException}。
44            checkAccess();
45
46        //同步代码块
47        synchronized (blockerLock) {
48            Interruptible b = blocker;
49            //检查是否是阻塞线程调用
50            if (b != null) {
51                //设置线程中断标志位
52                interrupt0(); 
53                //此时抛出异常,将中断标志位设置为false,此时我们正常会捕获该异常,重新设置中断标志位
54                b.interrupt(this);
55                return;
56            }
57        }
58        //如无意外,则正常设置中断标志位
59        interrupt0();
60    }
  • 线程中断方法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,有人希望你退出啦~
  • 只能由自身调用,否则可能会抛出 SecurityException
  • 调用中断方法是由目标线程自己决定是否中断,而如果同时调用了wait,join,sleep等方法,会使当前线程进入阻塞状态,此时有可能发生InterruptedException异常
  • 被阻塞的线程再调用中断方法是不合理的
  • 中断不活动的线程不会产生任何影响

检查线程是否被中断:

 1    /**
2     * Tests whether this thread has been interrupted.  The <i>interrupted
3     * status</i> of the thread is unaffected by this method.
4
5     测试此线程是否已被中断。, 线程的<i>中断*状态</ i>不受此方法的影响。
6     *
7     * <p>A thread interruption ignored because a thread was not alive
8     * at the time of the interrupt will be reflected by this method
9     * returning false.
10     *
11     * @return  <code>true</code> if this thread has been interrupted;
12     *          <code>false</code> otherwise.
13     * @see     #interrupted()
14     * @revised 6.0
15     */
16    public boolean isInterrupted() {
17        return isInterrupted(false);
18    }

静态方法,会清空当前线程的中断标志位:

 1   /**
2     *测试当前线程是否已被中断。, 此方法清除线程的* <i>中断状态</ i>。, 换句话说,如果要连续两次调用此方法,则* second调用将返回false(除非当前线程再次被中断,在第一次调用已清除其中断的*状态   之后且在第二次调用已检查之前), 它)
3     *
4     * <p>A thread interruption ignored because a thread was not alive
5     * at the time of the interrupt will be reflected by this method
6     * returning false.
7     *
8     * @return  <code>true</code> if the current thread has been interrupted;
9     *          <code>false</code> otherwise.
10     * @see #isInterrupted()
11     * @revised 6.0
12     */
13    public static boolean interrupted() {
14        return currentThread().isInterrupted(true);
15    }

总结

记录自己阅读Thread类源码的一些思考,不过对于其中用到的很多本地方法只能望而却步,还有一些代码没有看明白,暂且先这样吧,如果有不足之处,请留言告知我,谢谢!后续会在实践中对Thread做出更多总结记录。

最后

由于篇幅较长,暂且先记录这些吧,后续会不定期更新原创文章,欢迎关注公众号 「张少林同学」!

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