线程最最基础的知识

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Java 多线程系列文章第 5 篇。

什么是线程

试想一下没有线程的程序是怎么样的?百度网盘在上传文件时就无法下载文件了,得等文件上传完成后才能下载文件。这个我们现在看起来很反人性,因为我们习惯了一个程序同时可以进行运行多个功能,而这些都是线程的功劳。

之前的文章 进程知多少 中讲到,为了实现多个程序并行执行,引入了进程概念。现在引入线程是为了让一个程序能够并发执行。

线程的组成

线程ID:线程标识符。

当前指令指针(PC):指向要执行的指令。

寄存器集合:存储单元寄存器的集合。

堆栈:暂时存放数据和地址,一般用来保护断点和现场。

线程与进程区别

线程和进程之间的区别,我觉得可以用这个例子来看出两者的不同,进程就是一栋房子,房子住着 3 个人,线程就是住在房子里的人。进程是一个独立的个体,有自己的资源,线程是在进程里的,多个线程共享着进程的资源。

线程状态

我们看到 Java 源代码里面,线程状态的枚举有如下 6 个。

public enum State {

 //新建状态
 NEW,

 //运行状态
 RUNNABLE,

 //阻塞状态
 BLOCKED,

 //等待状态
 WAITING,

 //等待状态(区别在于这个有等待的时间)
 TIMED_WAITING,

 //终止状态
 TERMINATED;
}

下面给这 6 个状态一一做下解释。

NEW:新建状态。在创建完 Thread ,还没执行 start() 之前,线程的状态一直是 NEW。可以说这个时候还没有真正的一个线程映射着,只是一个对象。

RUNNABLE:运行状态。线程对象调用 start() 之后,就进入 RUNNABLE 状态,该状态说明在 JVM 中有一个真实的线程存在。

BLOCKED:阻塞状态。线程在等待锁的释放,也就是等待获取 monitor 锁。

WAITING:等待状态。线程在这个状态的时候,不会被分配 CPU,而且需要被显示地唤醒,否则会一直等待下去。

TIMED_WAITING:超时等待状态。这个状态的线程也一样不会被分配 CPU,但是它不会无限等待下去,有时间限制,时间一到就停止等待。

TERMINATED:终止状态。线程执行完成结束,但不代表这个对象已经没有了,对象可能还是存在的,只是线程不存在了。

线程既然有这么多个状态,那肯定就有状态机,也就是在什么情况下 A 状态会变成 B 状态。下面就来简单描述一下。

结合下图,我们 new 出线程类的时候,就是 NEW 状态,调用 start() 方法,就进入了 RUNNABLE 状态,这时如果触发等待,则进入了 WAITING 状态,如果触发超时等待,则进入 TIMED_WAITING 状态,当访问需要同步的资源时,则只有一个线程能访问,其他线程就进入 BLOCKED 状态,当线程执行完后,进入 TERMINATED 状态。

图片来源于网路,侵删

其实在 JVM 中,线程是有 9 个状态,如下所示,有兴趣的同学可以深入了解一下。

javaClasses.hpp
enum ThreadStatus {
    NEW = 0,
    RUNNABLE = JVMTI_THREAD_STATE_ALIVE + // runnable / running
                               JVMTI_THREAD_STATE_RUNNABLE,
    SLEEPING = JVMTI_THREAD_STATE_ALIVE + // Thread.sleep()
                               JVMTI_THREAD_STATE_WAITING +
                               JVMTI_THREAD_STATE_WAITING_WITH_TIMEOUT +
                               JVMTI_THREAD_STATE_SLEEPING,
    IN_OBJECT_WAIT = JVMTI_THREAD_STATE_ALIVE + // Object.wait()
                               JVMTI_THREAD_STATE_WAITING +
                               JVMTI_THREAD_STATE_WAITING_INDEFINITELY +
                               JVMTI_THREAD_STATE_IN_OBJECT_WAIT,
    IN_OBJECT_WAIT_TIMED = JVMTI_THREAD_STATE_ALIVE + // Object.wait(long)
                               JVMTI_THREAD_STATE_WAITING +
                               JVMTI_THREAD_STATE_WAITING_WITH_TIMEOUT +
                               JVMTI_THREAD_STATE_IN_OBJECT_WAIT,
    PARKED = JVMTI_THREAD_STATE_ALIVE + // LockSupport.park()
                               JVMTI_THREAD_STATE_WAITING +
                               JVMTI_THREAD_STATE_WAITING_INDEFINITELY +
                               JVMTI_THREAD_STATE_PARKED,
    PARKED_TIMED = JVMTI_THREAD_STATE_ALIVE + // LockSupport.park(long)
                               JVMTI_THREAD_STATE_WAITING +
                               JVMTI_THREAD_STATE_WAITING_WITH_TIMEOUT +
                               JVMTI_THREAD_STATE_PARKED,
    BLOCKED_ON_MONITOR_ENTER = JVMTI_THREAD_STATE_ALIVE + // (re-)entering a synchronization block
                               JVMTI_THREAD_STATE_BLOCKED_ON_MONITOR_ENTER,
    TERMINATED = JVMTI_THREAD_STATE_TERMINATED
};

Java 线程实现

下面讲一讲在 Java 中如何创建一个线程。众所周知,实现 Java 线程有 2 种方式:继承 Thread 类和实现 Runnable 接口。

继承 Thread 类

继承 Thread 类,重写 run() 方法。

class MyThread extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyThread");
    }

}

实现 Runnable 接口

实现 Runnable 接口,实现 run() 方法。

class MyRunnable implements Runnable {

    public void run() {
        System.out.println("MyRunnable");
    }

}

这 2 种线程的启动方式也不一样。MyThread 是一个线程类,所以可以直接 new 出一个对象出来,接着调用 start() 方法来启动线程;而 MyRunnable 只是一个普通的类,需要 new 出线程基类 Thread 对象,将 MyRunnable 对象传进去。

下面是启动线程的方式。

public class ThreadImpl {

    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread();
        Thread myRunnable = new Thread(new MyRunnable());
        System.out.println("main Thread begin");
        myThread.start();
        myRunnable.start();
        System.out.println("main Thread end");
    }

}

打印结果如下:

main Thread begin
main Thread end
MyThread
MyRunnable

看这结果,不像咱们之前的串行执行依次打印,主线程不会等待子线程执行完。

敲重点:不能直接调用 run(),直接调用 run() 不会创建线程,而是主线程直接执行 run() 的内容,相当于执行普通函数。这时就是串行执行的。看下面代码。

public class ThreadImpl {

    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread();
        Thread myRunnable = new Thread(new MyRunnable());
        System.out.println("main Thread begin");
        myThread.run();
        myRunnable.run();
        System.out.println("main Thread end");
    }

}

打印结果:

main Thread begin
MyThread
MyRunnable
main Thread end

从结果看出只是串行的,但看不出没有线程,我们看下面例子来验证直接调用 run() 方法没有创建新的线程,使用 VisualVM 工具来观察线程情况。

我们对代码做一下修改,加上 Thread.sleep(1000000) 让它睡眠一段时间,这样方便用工具查看线程情况。

调用 run() 的代码:

public class ThreadImpl {

    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread();
        myThread.setName("MyThread");
        Thread myRunnable = new Thread(new MyRunnable());
        myRunnable.setName("MyRunnable");
        System.out.println("main Thread begin");
        myThread.run();
        myRunnable.run();
        System.out.println("main Thread end");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

class MyThread extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyThread");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

class MyRunnable implements Runnable {

    public void run() {
        System.out.println("MyRunnable");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

运行结果:

main Thread begin
MyThread

只打印出 2 句日志,观察线程时也只看到 main 线程,没有看到 MyThreadMyRunnable 线程,印证了上面咱们说的:直接调用 run() 方法,没有创建线程

下面我们来看看有
调用 start() 的代码:

public class ThreadImpl {

    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread();
        myThread.setName("MyThread");
        Thread myRunnable = new Thread(new MyRunnable());
        myRunnable.setName("MyRunnable");
        System.out.println("main Thread begin");
        myThread.start();
        myRunnable.start();
        System.out.println("main Thread end");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
	
}

运行结果:

main Thread begin
main Thread end
MyThread
MyRunnable

所有日志都打印出来了,并且通过 VisualVM 工具可以看到 MyThreadMyRunnable 线程。看到了这个结果,切记创建线程要调用 start() 方法。

今天就先讲到这,继续关注后面的内容。

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