Java：并发笔记-01

Java：并发笔记-01

说明：这是看了 bilibili 上 黑马程序员 的课程 java并发编程 后做的笔记

1. 进程与线程

本章内容

• 进程和线程的概念
• 并行和并发的概念
• 线程基本应用

1.1 进程与线程

进程

• 程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至 CPU，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的；
• 当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程；
• 进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本、画图、浏览器等），也有的程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐、360 安全卫士等）

线程

• 一个进程之内可以分为一到多个线程。
• 一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行
• 在 Java 中，线程作为最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。
• 在 windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器

二者对比

• 进程基本上相互独立的，而线程存在于进程内，是进程的一个子集
• 进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享
• 进程间通信较为复杂
  • 同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）
  • 不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP
• 线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量
• 线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低

1.2 并行与并发

单核 cpu 下，线程实际还是 串行执行 的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 cpu 的时间片（windows下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于 cpu 在线程间（时间片很短）的切换非常快，人类感觉是同时运行的。总结为一句话就是： 微观串行，宏观并行

一般会将这种 线程轮流使用 CPU 的做法称为并发——concurrent

CPU	时间片 1	时间片 2	时间片 3	时间片 4
core	线程 1	线程 2	线程 3	线程 4

多核CPU下，每个核（core）都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的。

CPU	时间片 1	时间片 2	时间片 3	时间片 4
core 1	线程 1	线程 1	线程 3	线程 3
core 2	线程 2	线程 4	线程 2	线程 4

引用 Rob Pike 的一段描述：

• 并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力
• 并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力

例子

• 家庭主妇做饭、打扫卫生、给孩子喂奶，她一个人轮流交替做这多件事，这时就是并发
• 家庭主妇雇了个保姆，她们一起这些事，这时既有并发，也有并行（这时会产生竞争，例如锅只有一口，一个人用锅时，另一个人就得等待）
• 雇了3个保姆，一个专做饭、一个专打扫卫生、一个专喂奶，互不干扰，这时是并行

应用

应用：同步与异步

同步和异步，不需要等待结果，通过普通线程实现

没有用线程时，方法的调用是同步的：

// 同步调用
public class Sync {
    public static void main(String[] args) {
        FileReader.read(Constans.MP3_FULL_PATH);
        LoggerUtils.LOGGER.debug("do other things ...");
    }
}
// 输出："do other things ..."在最后输出

使用了线程后，方法的调用时异步的：

// 异步调用
public class Async {

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                FileReader.read(Constans.MP3_FULL_PATH);
            }
        }).start();
        LoggerUtils.LOGGER.debug("do other things ...");
    }
}
// 输出："do other things ..."不会在最后输出

上述程序中，采用了某些包，这里列出一下

package cn.util;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class FileReader {

 public static void read(String filename) {
     int idx = filename.lastIndexOf(File.separator);
     String shortName = filename.substring(idx + 1);
     try (FileInputStream in = new FileInputStream(filename)) {
         long start = System.currentTimeMillis();
         LoggerUtils.LOGGER.debug("read [{}] start ...", shortName);
         byte[] buf = new byte[1024];
         int n = -1;
         do {
             n = in.read(buf);
         } while (n != -1);
         long end = System.currentTimeMillis();
         LoggerUtils.LOGGER.debug("read [{}] end ... cost: {} ms", shortName, end - start);
     } catch (IOException e) {
         e.printStackTrace();
     }
 }
}

package cn.util;
public class LoggerUtils {
    public static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(LoggerUtils.class);
}

package cn.xyc;
public class Constans {
    public static final String MP3_FULL_PATH = "C:\\Users\\ZhuCC\\Music\\一路向北 - 周杰伦.mp3";
}

以调用方角度来讲，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

1）设计

多线程可以让方法执行变为异步的（即不要巴巴干等着）比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了 5 秒钟，如果没有线程调度机制，这 5 秒 cpu 什么都做不了，其它代码都得暂停...

2）结论

• 比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程
• tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程
• ui 程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞 ui 线程

应用：提高效率

充分利用多核 cpu 的优势，提高运行效率。想象下面的场景，执行 3 个计算，最后将计算结果汇总。

计算1 花费10ms
计算2 花费11ms
计算3 花费9ms
汇总需要 1 ms

• 如果是串行执行，那么总共花费的时间是 10 + 11 + 9 + 1 = 31ms
• 但如果是四核 cpu，各个核心分别使用线程 1 执行计算 1，线程 2 执行计算 2，线程 3 执行计算 3，那么 3 个线程是并行的，花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间，即 11ms 最后加上汇总时间只会花费 12ms

注意：需要在多核 cpu 才能提高效率，单核仍然时是轮流执行

总结

1. 单核 cpu 下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用 cpu ，不至于一个线程总占用 cpu，别的线程没法干活
2. 多核 cpu 可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的
   • 有些任务，经过精心设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率。但不是所有计算任务都能拆分
   • 也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义
3. IO 操作不占用 cpu，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO - BIO】，这时相当于线程虽然不用 cpu，但需要一直等待 IO 结束，没能充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞 IO - NIO】和【异步 IO - AIO】优化。

2. Java 线程

本章内容

• 创建和运行线程
• 查看线程
• 线程 API
• 线程状态

2.1 创建和运行线程

方法一：直接使用 Thread

// 创建线程对象
Thread thread = new Thread(){
    @Override
    public void run(){
        // 要执行的任务
    }
};
// 启动线程
thread.start();

例如：

// 构造方法的参数是给线程指定名字，推荐
Thread thread = new Thread("t1"){
    @Override
    public void run(){
        //  要执行的任务
        System.out.println("threading...");
    }
};
thread.start();

// 输出：
11:10:06.750 cn.util.LoggerUtils [t1] - hello thread

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 可运行的任务（线程要执行的代码）

Runnable runnable = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // 要执行的任务
    }
};
// 创建线程对象
Thread thread = new Thread(runnable);
// 启动线程
thread.start();

例如：

Runnable runnable = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // 要执行的任务
        LoggerUtils.LOGGER.debug("runnable+thread");
    }
};
// 创建线程对象:参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
Thread thread = new Thread(runnable, "t2");
// 启动线程
thread.start();

// 输出：
// 11:13:12.729 cn.util.LoggerUtils [t2] - runnable+thread

Java 8 以后可以使用 lambda 精简代码

Runnable runnable = () -> {
    // 要执行的任务
    LoggerUtils.LOGGER.debug("runnable+thread");
};

Thread 与 Runnable 的关系：

分析 Thread 的源码，理清它与 Runnable 的关系...

// 1 构造函数
public Thread(Runnable target) {
    init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
}
// 2 init方法中继续传递Runnable
private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                  long stackSize) {
    init(g, target, name, stackSize, null, true);
}
private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                  long stackSize, AccessControlContext acc,
                  boolean inheritThreadLocals) {
    // ...
    this.target = target;
    // ...
}

// 最终的run方法，即调用了run方法
@Override
public void run() {
    if (target != null) {
        target.run();
    }
}

小结：

• 方法1 是把线程和任务合并在了一起，方法2 是把线程和任务分开了
• 用 Runnable 更容易与线程池等高级 API 配合
• 用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活

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> task = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        LoggerUtils.LOGGER.debug("FutureTask+Callable");
        Thread.sleep(2000);
        return 100;
    }
});

// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
new Thread(task, "t3").start();

// 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
Integer result = task.get();
LoggerUtils.LOGGER.debug("result:{}", result);

// 输出结果：
// 11:24:55.097 cn.util.LoggerUtils [t3] - FutureTask+Callable
// 11:24:57.102 cn.util.LoggerUtils [main] - result:100

2.2 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

2.3 查看进程线程的方法

windows

• 任务管理器可以查看进程和线程数，也可以用来杀死进程
• tasklist 查看进程
• taskkill 杀死进程

linux

• ps -ef 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

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
  

  • 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）

2.4 原理之线程运行

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

1. 只有主线程的情况下的Debug：

public class TestFrames {

    public static void main(String[] args) {
        method1(10);
    }

    private static void method1(int x){
        int y = x + 1;
        Object m = method2();
        System.out.println(m);
    }

    private static Object method2(){
        Object n = new Object();
        return n;
    }
}

通过Debug进行调试：

更详细的画图说明：

1. 多线程情况下的Debug

public class TestFrames {

    public static void main(String[] args) {

        Thread thread = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                method1(20);
            }
        };
        thread.setName("t1");
        thread.start();

        method1(10);
    }

    private static void method1(int x){
        int y = x + 1;
        Object m = method2();
        System.out.println(m);
    }

    private static Object method2(){
        Object n = new Object();
        return n;
    }
}

通过Debug进行调试：

注：在Debug调试的断点模式需要选择为Thread，默认为ALL（在断点上右击选择）

更详细的画图说明：

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
• 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，程序计数器是线程私有的

• 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

2.5 常见方法

方法名	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的时间片还没分给它）。 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	在调用的线程中，等待调用join的线程结束后，继续执行后面的语句； 即A线程中调用B.join()，则A线程阻塞到B线程执行完毕时继续执行。
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。
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（还没有运行完毕）
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()	判断当前线程是否被打断	调用后会清除打断标记 static方法
currentThread()	获取当前正在执行的线程	static方法
sleep(long n)	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	static方法
yield()	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 static方法

2.6 start 与 run

调用 run

public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread("t1") {
        @Override
        public void run() {
            LoggerUtils.LOGGER.debug(Thread.currentThread().getName());
            FileReader.read(Constans.MP3_FULL_PATH);
        }
    };
    t1.run();
    LoggerUtils.LOGGER.debug("do other things ...");
}

// 输出：
12:44:09.646 cn.util.LoggerUtils [main] - main
12:44:09.650 cn.util.LoggerUtils [main] - read [一路向北 - 周杰伦.mp3] start ...
12:44:09.689 cn.util.LoggerUtils [main] - read [一路向北 - 周杰伦.mp3] end ... cost: 38 ms
12:44:09.689 cn.util.LoggerUtils [main] - do other things ...

程序仍在 main 线程运行， FileReader.read() 方法调用还是同步的。

调用 start

将上述代码的 t1.run() 改为 t1.start();

输出：

12:45:32.460 cn.util.LoggerUtils [main] - do other things ...
12:45:32.460 cn.util.LoggerUtils [t1] - t1
12:45:32.464 cn.util.LoggerUtils [t1] - read [一路向北 - 周杰伦.mp3] start ...
12:45:32.503 cn.util.LoggerUtils [t1] - read [一路向北 - 周杰伦.mp3] end ... cost: 39 ms

程序在 t1 线程运行，FileReader.read() 方法调用是异步的

小结

• 直接调用 run 是在主线程中执行了 run，没有启动新的线程
• 使用 start 是启动新的线程，通过新的线程间接执行 run 中的代码

2.7 sleep 与 yield

sleep

1. 调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）

   public static void main(String[] args) {
       Thread t1 = new Thread("t1") {
           @Override
           public void run() {
               try {
                   Thread.sleep(2000);
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           }
       };
   
       LoggerUtils.LOGGER.debug("t1 state: {}", t1.getState());
       t1.start();
       LoggerUtils.LOGGER.debug("t1 state: {}", t1.getState());
   
       // 主线程休眠
       try {
           Thread.sleep(500);
       } catch (InterruptedException e) {
           e.printStackTrace();
       }
       LoggerUtils.LOGGER.debug("t1 state: {}", t1.getState());
   }
   
   // 输出结果：
   // 13:30:10.290 cn.util.LoggerUtils [main] - t1 state: NEW
   // 13:30:10.294 cn.util.LoggerUtils [main] - t1 state: RUNNABLE
   // 13:30:10.795 cn.util.LoggerUtils [main] - t1 state: TIMED_WAITING
   

2. 其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛出 InterruptedException

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       Thread t1 = new Thread("t1") {
           @Override
           public void run() {
               LoggerUtils.LOGGER.debug("enter sleep...");
               try {
                   Thread.sleep(2000);
               } catch (InterruptedException e) {
                   LoggerUtils.LOGGER.debug("wake up...");
                   e.printStackTrace();
               }
           }
       };
       t1.start();
   
       Thread.sleep(1000);  // 让主线程休眠
       LoggerUtils.LOGGER.debug("interrupt...");
       t1.interrupt();  // 打断线程
   }
   
   // 输出结果：
   // 13:34:57.140 cn.util.LoggerUtils [t1] - enter sleep...
   // 13:34:57.911 cn.util.LoggerUtils [main] - interrupt...
   // 13:34:57.911 cn.util.LoggerUtils [t1] - wake up...
   // java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
   

3. 睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行

4. 建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性

   TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
   TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
   

yield

1. 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
2. 具体的实现依赖于操作系统的任务调度器

线程优先级

• 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

public static void main(String[] args) {
    Runnable task1 = () -> {
        int count = 0;
        for (;;) {
            System.out.println("---->1 " + count++);
        }
    };
    Runnable task2 = () -> {
        int count = 0;
        for (;;) {
            // 交出对CPU的控制
            // Thread.yield();
            System.out.println("              ---->2 " + count++);
        }
    };
    Thread t1 = new Thread(task1, "t1");
    Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
    // 设定优先级
    t1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
    t2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
    t1.start();
    t2.start();
}

应用：限制对 CPU 的使用

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();
      }
  }
  

• 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

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...
}

条件变量实现

lock.lock();  // 上锁
try {
    while(条件不满足) {
        try {
            条件变量.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    // do sth...
} finally {
    lock.unlock();  // 释放锁
}

2.8 join 方法详解

为什么需要 join

下面的代码执行，打印 r 是什么？

static int r = 0;

public static void main(String[] args) {
    test1();
}

private static void test1(){
    LoggerUtils.LOGGER.debug("开始");

    Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            LoggerUtils.LOGGER.debug("开始");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            LoggerUtils.LOGGER.debug("结束");
            r = 10;
        }
    });
    t1.start();
    LoggerUtils.LOGGER.debug("结果为:{}", r);
    LoggerUtils.LOGGER.debug("结束");
}

分析

• 因为主线程和线程 t1 是并行执行的，t1 线程需要 1 秒之后才能算出 r=10
• 而主线程一开始就要打印 r 的结果，所以只能打印出 r=0

解决方法：

• 用 sleep 行不行？为什么？可以是可以，但是 t1 线程运行时间存在不确定性；

• 用 join，加在 t1.start() 之后即可

  t1.start();
  t1.join();
  

static int r = 0;
LoggerUtils.LOGGER.debug("开始");

Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        LoggerUtils.LOGGER.debug("开始");
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        LoggerUtils.LOGGER.debug("结束");
        r = 10;
    }
});
t1.start();
t1.join();
LoggerUtils.LOGGER.debug("结果为:{}", r);
LoggerUtils.LOGGER.debug("结束");

// 输出：
// 21:56:48.998 cn.util.LoggerUtils [main] - 开始
// 21:56:49.018 cn.util.LoggerUtils [Thread-0] - 开始
// 21:56:50.062 cn.util.LoggerUtils [Thread-0] - 结束
// 21:56:50.063 cn.util.LoggerUtils [main] - 结果为:10
// 21:56:50.064 cn.util.LoggerUtils [main] - 结束

评价：

• 需要外部共享变量 r，不符合面向对象封装的思想
• 必须等待线程结束，不能配合线程池使用

以调用方角度来讲，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

等待多个结果

问：下面代码 cost 大约多少秒？

public class Test2 {
    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(() -> {
            Sleeper.sleep(1);
            r1 = 10;
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            Sleeper.sleep(2);
            r2 = 20;
        });

        long start = System.currentTimeMillis();
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        long end = System.currentTimeMillis();
        LoggerUtils.LOGGER.debug("r1:{} r2:{} cost:{}", r1, r2, end-start);
    }
}

分析如下

• 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

如果颠倒两个 join 呢？答：最终都是输出

15:19:54.777 cn.util.LoggerUtils [main] - r1:10 r2:20 cost:2005

有时效的 join——join(long n)，最多等待n毫秒

1. 等够时间

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test3();
}

private static void test3() throws InterruptedException {

    Thread t1 = new Thread(() -> {
        Sleeper.sleep(1);
        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();
    LoggerUtils.LOGGER.debug("r1:{} r2:{} cost:{}", r1, r2, end-start);
}

//结果：15:25:22.137 cn.util.LoggerUtils [main] - r1:10 r2:0 cost:1002

1. 没等够时间

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test3();
}

private static void test3() throws InterruptedException {

    Thread t1 = new Thread(() -> {
        Sleeper.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();
    LoggerUtils.LOGGER.debug("r1:{} r2:{} cost:{}", r1, r2, end-start);
}

// 结果：15:26:04.903 cn.util.LoggerUtils [main] - r1:0 r2:0 cost:1501

2.9 interrupt 方法详解

• interrupt 可以打断 sleep，wait，join 的线程

• 上述的这几个方法都会让线程进入阻塞状态

• 打断 sleep 的线程, 会清空打断状态，以 sleep 为例：

public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(()->{
        LoggerUtils.LOGGER.debug("sleep...");
        Sleeper.sleep(5);
    }, "t1");

    t1.start();
    Sleeper.sleep(1);
    LoggerUtils.LOGGER.debug("interrupt");
    t1.interrupt();
    LoggerUtils.LOGGER.debug("打断标记:{}", t1.isInterrupted());
}

// 输出结果：
// 15:50:38.890 cn.util.LoggerUtils [t1] - sleep...
// 15:50:39.660 cn.util.LoggerUtils [main] - interrupt
// java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
// 15:50:39.660 cn.util.LoggerUtils [main] - 打断标记:false

打断正常运行的线程

• 打断正常运行的线程, 不会清空打断状态，即打断状态为 true；

• 而打断sleep，wait，join这种阻塞线程，会通过异常提示，而打断标记被清除，即为false

public static void main(String[] args) {
    Thread t2 = new Thread(()->{
        while (true){
            // 获取当前线程
            Thread current = Thread.currentThread();
            boolean interrupted = current.isInterrupted();
            if(interrupted){
                LoggerUtils.LOGGER.debug("打断状态:{}", interrupted);
                break;
            }
        }
    }, "t2");

    t2.start();
    Sleeper.sleep(1);
    LoggerUtils.LOGGER.debug("interrupt");
    t2.interrupt();
    LoggerUtils.LOGGER.debug("打断标记:{}", t2.isInterrupted());
}

// 输出：
// 15:55:33.884 cn.util.LoggerUtils [main] - interrupt
// 15:55:33.886 cn.util.LoggerUtils [t2] - 打断状态:true
// 15:55:33.886 cn.util.LoggerUtils [main] - 打断标记:true

打断 park 线程

• 打断 park 线程, 不会清空打断状态

public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(()->{
        LoggerUtils.LOGGER.debug("park...");
        LockSupport.park();  // 不打断则会一直停留在此
        LoggerUtils.LOGGER.debug("uppark...");
        LoggerUtils.LOGGER.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
    }, "t1");
    t1.start();

    Sleeper.sleep(4);
    t1.interrupt();
}

// 输出
// 18:35:26.987 cn.util.LoggerUtils [t1] - park...
// 18:35:30.730 cn.util.LoggerUtils [t1] - uppark...
// 18:35:30.730 cn.util.LoggerUtils [t1] - 打断状态：true

如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效

public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            LoggerUtils.LOGGER.debug("park...");
            LockSupport.park();
            LoggerUtils.LOGGER.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
        }
    });
    t1.start();
    Sleeper.sleep(4);
    t1.interrupt();
}

// 输出：
// 18:37:02.132 cn.util.LoggerUtils [Thread-0] - park...
// 18:37:05.913 cn.util.LoggerUtils [Thread-0] - 打断状态：true
// 18:37:05.919 cn.util.LoggerUtils [Thread-0] - park...
// 18:37:05.920 cn.util.LoggerUtils [Thread-0] - 打断状态：true
// 18:37:05.920 cn.util.LoggerUtils [Thread-0] - park...
// 18:37:05.920 cn.util.LoggerUtils [Thread-0] - 打断状态：true
// 18:37:05.920 cn.util.LoggerUtils [Thread-0] - park...
// 18:37:05.920 cn.util.LoggerUtils [Thread-0] - 打断状态：true
// 18:37:05.920 cn.util.LoggerUtils [Thread-0] - park...
// 18:37:05.920 cn.util.LoggerUtils [Thread-0] - 打断状态：true

提示：

可以使用 Thread.interrupted() 清除打断状态，清楚打断标记后，park又能生效了

模式：终止模式之两阶段终止

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。

错误思路

• 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

interrupt 可以打断正在执行的线程，无论这个线程是在 sleep，wait，join，还是正常运行

public class TwoPhaseTermination {

    private Thread thread;

    public void start(){
        thread = new Thread(()->{
            while (true){
                Thread current = Thread.currentThread();
                if(current.isInterrupted()){
                    LoggerUtils.LOGGER.debug("料理后事");
                    break;
                }
                try {
                    Thread.sleep(1000);  // 情况1
                    LoggerUtils.LOGGER.debug("执行监控");  // 情况2
                } catch (InterruptedException e) {
                    // 情况1的时候，再把打断标志置位
                    current.interrupt();
                }
            }
        }, "监控线程");
        thread.start();
    }

    public void stop(){
        thread.interrupt();
    }
}

// 调用：
TwoPhaseTermination tpt = new TwoPhaseTermination();
tpt.start();
Thread.sleep(3500);
LoggerUtils.LOGGER.debug("stop");
tpt.stop();

// 结果：
// 16:31:28.031 cn.util.LoggerUtils [监控线程] - 执行监控
// 16:31:29.033 cn.util.LoggerUtils [监控线程] - 执行监控
// 16:31:30.034 cn.util.LoggerUtils [监控线程] - 执行监控
// 16:31:30.818 cn.util.LoggerUtils [main] - stop
// 16:31:30.818 cn.util.LoggerUtils [监控线程] - 料理后事

利用停止标记

// 停止标记用 volatile 是为了保证该变量在多个线程之间的可见性
// 我们的例子中，即主线程把它修改为 true 对 t1 线程可见
public class TwoPhaseTermination {

    private Thread thread;
    private volatile boolean stop = false;

    public void start(){
        thread = new Thread(()->{
            while (true){
                Thread current = Thread.currentThread();
                if(stop){
                    LoggerUtils.LOGGER.debug("料理后事");
                    break;
                }
                Sleeper.sleep(1);
                LoggerUtils.LOGGER.debug("将结果保存");
            }
        }, "监控线程");
        thread.start();
    }

    public void stop(){
        stop = true;
        thread.interrupt();
    }
}

// 调用：
public static void main(String[] args) {
    TwoPhaseTermination t = new TwoPhaseTermination();
    t.start();
    Sleeper.sleep(3.5);
    LoggerUtils.LOGGER.debug("stop");
    t.stop();
}

// 输出：
// 20:19:09.271 cn.util.LoggerUtils [监控线程] - 将结果保存
// 20:19:10.273 cn.util.LoggerUtils [监控线程] - 将结果保存
// 20:19:11.274 cn.util.LoggerUtils [监控线程] - 将结果保存
// 20:19:11.588 cn.util.LoggerUtils [main] - stop
// 20:19:11.592 cn.util.LoggerUtils [监控线程] - 将结果保存
// 20:19:11.592 cn.util.LoggerUtils [监控线程] - 料理后事

2.10 不推荐的方法

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	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

2.11 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。

LoggerUtils.LOGGER.debug("开始运行...");
Thread t1 = new Thread(()->{
    LoggerUtils.LOGGER.debug("开始运行");
    Sleeper.sleep(2);
    LoggerUtils.LOGGER.debug("运行结束...");
}, "deamon");
// 设置该线程为守护进程
t1.setDaemon(true);
t1.start();

Sleeper.sleep(1);
LoggerUtils.LOGGER.debug("主线程结束...");

// 结果：
// 19:49:15.083 cn.util.LoggerUtils [main] - 开始运行...
// 19:49:15.123 cn.util.LoggerUtils [deamon] - 开始运行
// 19:49:16.125 cn.util.LoggerUtils [main] - 主线程结束...

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

2.12 五种状态

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，正在运行中的状态
  • 而当 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

2.13 六种状态

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

六种状态演示代码：

public class TestState {

    public static void main(String[] args) {

        Thread t1 = new Thread("t1") {
            @Override
            public void run() {
                // 不start该线程，new状态
                LoggerUtils.LOGGER.debug("running...");
            }
        };

        Thread t2 = new Thread("t2") {
            @Override
            public void run() {
                while(true) {
                    // 线程一直运行，为runnable状态
                }
            }
        };
        t2.start();

        Thread t3 = new Thread("t3") {
            @Override
            public void run() {
                // 运行完结束，为TERMINATED 状态
                LoggerUtils.LOGGER.debug("running...");
            }
        };
        t3.start();

        Thread t4 = new Thread("t4") {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (TestState.class) {
                    try {
                        Thread.sleep(1000000); // timed_waiting
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        t4.start();

        Thread t5 = new Thread("t5") {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    t2.join(); // waiting  无限制等待
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        t5.start();

        Thread t6 = new Thread("t6") {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (TestState.class) {
                    // blocked  因为对象锁被t4给拿着，t6拿不到锁
                    try {
                        Thread.sleep(1000000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        t6.start();

        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        LoggerUtils.LOGGER.debug("t1 state {}", t1.getState());
        LoggerUtils.LOGGER.debug("t2 state {}", t2.getState());
        LoggerUtils.LOGGER.debug("t3 state {}", t3.getState());
        LoggerUtils.LOGGER.debug("t4 state {}", t4.getState());
        LoggerUtils.LOGGER.debug("t5 state {}", t5.getState());
        LoggerUtils.LOGGER.debug("t6 state {}", t6.getState());
    }
}

// 结果：
// 20:10:54.823 cn.util.LoggerUtils [t3] - running...
// 20:10:55.088 cn.util.LoggerUtils [main] - t1 state NEW
// 20:10:55.090 cn.util.LoggerUtils [main] - t2 state RUNNABLE
// 20:10:55.090 cn.util.LoggerUtils [main] - t3 state TERMINATED
// 20:10:55.090 cn.util.LoggerUtils [main] - t4 state TIMED_WAITING
// 20:10:55.090 cn.util.LoggerUtils [main] - t5 state WAITING
// 20:10:55.090 cn.util.LoggerUtils [main] - t6 state BLOCKED

应用：统筹（烧水泡茶）

阅读华罗庚《统筹方法》，给出烧水泡茶的多线程解决方案，提示

• 参考图二，用两个线程（两个人协作）模拟烧水泡茶过程
  • 文中办法乙、丙都相当于任务串行
  • 而图一相当于启动了 4 个线程，有点浪费
• 用 sleep(n) 模拟洗茶壶、洗水壶等耗费的时间

附：华罗庚《统筹方法》

统筹方法，是一种安排工作进程的数学方法。它的实用范围极广泛，在企业管理和基本建设中，以及关系复杂的科研项目的组织与管理中，都可以应用。

怎样应用呢？主要是把工序安排好。

比如，想泡壶茶喝。当时的情况是：开水没有；水壶要洗，茶壶、茶杯要洗；火已生了，茶叶也有了。怎么办？

• 办法甲：洗好水壶，灌上凉水，放在火上；在等待水开的时间里，洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶；等水开
  
  了，泡茶喝。
• 办法乙：先做好一些准备工作，洗水壶，洗茶壶茶杯，拿茶叶；一切就绪，灌水烧水；坐待水开了，泡茶喝。
• 办法丙：洗净水壶，灌上凉水，放在火上，坐待水开；水开了之后，急急忙忙找茶叶，洗茶壶茶杯，泡茶喝。

哪一种办法省时间？我们能一眼看出，第一种办法好，后两种办法都窝了工。

这是小事，但这是引子，可以引出生产管理等方面有用的方法来。

水壶不洗，不能烧开水，因而洗水壶是烧开水的前提。没开水、没茶叶、不洗茶壶茶杯，就不能泡茶，因而这些又是泡茶的前提。它们的相互关系，可以用下边的箭头图来表示：

从这个图上可以一眼看出，办法甲总共要16分钟（而办法乙、丙需要20分钟）。如果要缩短工时、提高工作效率，应当主要抓烧开水这个环节，而不是抓拿茶叶等环节。同时，洗茶壶茶杯、拿茶叶总共不过4分钟，大可利用“等水开”的时间来做。

是的，这好像是废话，卑之无甚高论。有如走路要用两条腿走，吃饭要一口一口吃，这些道理谁都懂得。但稍有变化，临事而迷的情况，常常是存在的。在近代工业的错综复杂的工艺过程中，往往就不是像泡茶喝这么简单了。任务多了，几百几千，甚至有好几万个任务。关系多了，错综复杂，千头万绪，往往出现“万事俱备，只欠东风”的情况。由于一两个零件没完成，耽误了一台复杂机器的出厂时间。或往往因为抓的不是关键，连夜三班，急急忙忙，完成这一环节之后，还得等待旁的环节才能装配。

洗茶壶，洗茶杯，拿茶叶，或先或后，关系不大，而且同是一个人的活儿，因而可以合并成为：

看来这是“小题大做”，但在工作环节太多的时候，这样做就非常必要了。

这里讲的主要是时间方面的事，但在具体生产实践中，还有其他方面的许多事。这种方法虽然不一定能直接解决所有问题，但是，我们利用这种方法来考虑问题，也是不无裨益的。

解法1：join

public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        LoggerUtils.LOGGER.debug("洗水壶");
        Sleeper.sleep(1);
        LoggerUtils.LOGGER.debug("烧开水");
        Sleeper.sleep(5);
    },"老王");

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        LoggerUtils.LOGGER.debug("洗茶壶");
        Sleeper.sleep(1);
        LoggerUtils.LOGGER.debug("洗茶杯");
        Sleeper.sleep(2);
        LoggerUtils.LOGGER.debug("拿茶叶");
        Sleeper.sleep(1);
        try {
            t1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        LoggerUtils.LOGGER.debug("泡茶");
    },"小王");

    t1.start();
    t2.start();
}

// 20:19:15.605 cn.util.LoggerUtils [老王] - 洗水壶
// 20:19:15.605 cn.util.LoggerUtils [小王] - 洗茶壶
// 20:19:16.608 cn.util.LoggerUtils [小王] - 洗茶杯
// 20:19:16.608 cn.util.LoggerUtils [老王] - 烧开水
// 20:19:18.609 cn.util.LoggerUtils [小王] - 拿茶叶
// 20:19:21.609 cn.util.LoggerUtils [小王] - 泡茶

解法1 的缺陷：

• 上面模拟的是小王等老王的水烧开了，小王泡茶，如果反过来要实现老王等小王的茶叶拿来了，老王泡茶呢？代码最好能适应两种情况
• 上面的两个线程其实是各执行各的，如果要模拟老王把水壶交给小王泡茶，或模拟小王把茶叶交给老王泡茶呢？

解法2：wait/notify

static String kettle = "冷水";
static String tea = null;
static final Object lock = new Object();
static boolean maked = false;

public static void makeTea(){
    new Thread(()->{
        LoggerUtils.LOGGER.debug("洗水壶");
        Sleeper.sleep(1);
        LoggerUtils.LOGGER.debug("烧开水");
        Sleeper.sleep(5);
        synchronized (lock){
            kettle = "开水";
            lock.notifyAll();
            while (tea == null){
                try {
                    lock.wait();
                }catch (InterruptedException e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            if(!maked){
                LoggerUtils.LOGGER.debug("拿({})泡({})", kettle, tea);
                maked = true;
            }
        }
    }, "老王").start();

    new Thread(()->{
        LoggerUtils.LOGGER.debug("洗茶壶");
        Sleeper.sleep(1);
        LoggerUtils.LOGGER.debug("洗茶杯");
        Sleeper.sleep(2);
        LoggerUtils.LOGGER.debug("拿茶叶");
        Sleeper.sleep(1);
        synchronized (lock){
            tea = "花茶";
            lock.notifyAll();
            while (kettle.equals("冷水")){
                try {
                    lock.wait();
                }catch (InterruptedException e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            if(!maked){
                LoggerUtils.LOGGER.debug("拿({})泡({})", kettle, tea);
                maked = true;
            }
        }
    }, "小王").start();
}

// 输出：
21:55:35.705 cn.util.LoggerUtils [小王] - 洗茶壶
21:55:35.706 cn.util.LoggerUtils [老王] - 洗水壶
21:55:36.710 cn.util.LoggerUtils [小王] - 洗茶杯
21:55:36.710 cn.util.LoggerUtils [老王] - 烧开水
21:55:38.711 cn.util.LoggerUtils [小王] - 拿茶叶
21:55:41.711 cn.util.LoggerUtils [老王] - 拿(开水)泡(花茶)

解法2 解决了解法1 的问题，不过老王和小王需要相互等待，不如他们只负责各自的任务，泡茶交给第三人来做

解法3：第三者协调

public static void makeTea(){

    static final Object lock = new Object();

    new Thread(()->{
        LoggerUtils.LOGGER.debug("洗水壶");
        Sleeper.sleep(1);
        LoggerUtils.LOGGER.debug("烧开水");
        Sleeper.sleep(5);
        synchronized (lock){
            kettle = "开水";
            lock.notifyAll();
        }
    }, "老王").start();

    new Thread(()->{
        LoggerUtils.LOGGER.debug("洗茶壶");
        Sleeper.sleep(1);
        LoggerUtils.LOGGER.debug("洗茶杯");
        Sleeper.sleep(2);
        LoggerUtils.LOGGER.debug("拿茶叶");
        Sleeper.sleep(1);
        synchronized (lock){
            tea = "花茶";
            lock.notifyAll();
        }
    }, "小王").start();

    new Thread(() -> {
        synchronized (lock) {
            while (kettle.equals("冷水") || tea == null) {
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            LoggerUtils.LOGGER.debug("拿({})泡({})", kettle, tea);
        }
    }, "王夫人").start();
}

// 输出：
20:13:18.202 c.S3 [小王] - 洗茶壶
20:13:18.202 c.S3 [老王] - 洗水壶
20:13:19.206 c.S3 [小王] - 洗茶杯
20:13:19.206 c.S3 [老王] - 烧开水
20:13:21.206 c.S3 [小王] - 拿茶叶
20:13:24.207 c.S3 [王夫人] - 拿(开水)泡(花茶)

本章小结

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