了解Java线程优先级,更要知道对应操作系统的优先级,不然会踩坑

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Java 多线程系列第 6 篇。

这篇我们来看看 Java 线程的优先级。

Java 线程优先级

Thread 类中,使用如下属性来代表优先级。

private int priority;

我们可以通过 setPriority(int newPriority) 来设置新的优先级,通过 getPriority() 来获取线程的优先级。

有些资料通过下面的例子就得出了一个结论:Java 线程默认优先级是 5

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread();
    System.out.println(thread.getPriority());
}

// 打印结果:5

其实这是大错特错的,只是看到了表面,看看下面的例子,我们把当前线程的优先级改为 4,发现子线程 thread 的优先级也是 4。

public static void main(String[] args) {
    Thread.currentThread().setPriority(4);
    Thread thread = new Thread();
    System.out.println(thread.getPriority());
}

// 打印结果:4

这啪啪啪打脸了,如果是线程默认优先级是 5,我们新创建的 thread 线程,没设置优先级,理应是 5,但实际是 4。我们看看 Thread 初始化 priority 的源代码。

Thread parent = currentThread();
this.priority = parent.getPriority();

原来,线程默认的优先级是继承父线程的优先级,上面例子我们把父线程的优先级设置为 4,所以导致子线程的优先级也变成 4。

严谨一点说,子线程默认优先级和父线程一样,Java 主线程默认的优先级是 5。

Java 中定义了 3 种优先级,分别是最低优先级(1)正常优先级(5)最高优先级(10),代码如下所示。Java 优先级范围是 [1, 10],设置其他数字的优先级都会抛出 IllegalArgumentException 异常。

/**
 * The minimum priority that a thread can have.
 */
public final static int MIN_PRIORITY = 1;

/**
 * The default priority that is assigned to a thread.
 */
public final static int NORM_PRIORITY = 5;

/**
 * The maximum priority that a thread can have.
 */
public final static int MAX_PRIORITY = 10;

接下来说说线程优先级的作用。先看下面代码,代码逻辑是创建了 3000 个线程,分别是: 1000 个优先级为 1 的线程, 1000 个优先级为 5 的线程,1000 个优先级为 10 的线程。用 minTimes 来记录 1000 个 MIN_PRIORITY 线程运行时时间戳之和,用 normTimes 来记录 1000 个 NORM_PRIORITY 线程运行时时间戳之和,用 maxTimes 来记录 1000 个 MAX_PRIORITY 线程运行时时间戳之和。通过统计每个优先级的运行的时间戳之和,值越小代表的就是越优先执行。我们运行看看。

public class TestPriority {
    static AtomicLong minTimes = new AtomicLong(0);
    static AtomicLong normTimes = new AtomicLong(0);
    static AtomicLong maxTimes = new AtomicLong(0);

    public static void main(String[] args) {
        List<MyThread> minThreadList = new ArrayList<>();
        List<MyThread> normThreadList = new ArrayList<>();
        List<MyThread> maxThreadList = new ArrayList<>();

        int count = 1000;
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            MyThread myThread = new MyThread("min----" + i);
            myThread.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
            minThreadList.add(myThread);
        }
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            MyThread myThread = new MyThread("norm---" + i);
            myThread.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
            normThreadList.add(myThread);
        }
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            MyThread myThread = new MyThread("max----" + i);
            myThread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
            maxThreadList.add(myThread);
        }

        for (int i = 0; i < count; i++) {
            maxThreadList.get(i).start();
            normThreadList.get(i).start();
            minThreadList.get(i).start();
        }

        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("maxPriority 统计:" + maxTimes.get());
        System.out.println("normPriority 统计:" + normTimes.get());
        System.out.println("minPriority 统计:" + minTimes.get());
        System.out.println("普通优先级与最高优先级相差时间:" + (normTimes.get() - maxTimes.get()) + "ms");
        System.out.println("最低优先级与普通优先级相差时间:" + (minTimes.get() - normTimes.get()) + "ms");

    }

    static class MyThread extends Thread {

        public MyThread(String name) {
            super(name);
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(this.getName() + " priority: " + this.getPriority());
            switch (this.getPriority()) {
                case Thread.MAX_PRIORITY :
                    maxTimes.getAndAdd(System.currentTimeMillis());
                    break;
                case Thread.NORM_PRIORITY :
                    normTimes.getAndAdd(System.currentTimeMillis());
                    break;
                case Thread.MIN_PRIORITY :
                    minTimes.getAndAdd(System.currentTimeMillis());
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
    }
}

执行结果如下:

# 第一部分
max----0 priority: 10
norm---0 priority: 5
max----1 priority: 10
max----2 priority: 10
norm---2 priority: 5
min----4 priority: 1
.......
max----899 priority: 10
min----912 priority: 1
min----847 priority: 5
min----883 priority: 1

# 第二部分
maxPriority 统计:1568986695523243
normPriority 统计:1568986695526080
minPriority 统计:1568986695545414
普通优先级与最高优先级相差时间:2837ms
最低优先级与普通优先级相差时间:19334ms

我们一起来分析一下结果。先看看第一部分,最开始执行的线程高优先级、普通优先级、低优先级都有,最后执行的线程也都有各个优先级的,这说明了:优先级高的线程不代表一定比优先级低的线程优先执行。也可以换另一种说法:代码执行顺序跟线程的优先级无关。看看第二部分的结果,我们可以发现最高优先级的 1000 个线程执行时间戳之和最小,而最低优先级的 1000 个线程执行时间戳之和最大,因此可以得知:一批高优先级的线程会比一批低优先级的线程优先执行,即高优先级的线程大概率比低优先的线程优先获得 CPU 资源

各操作系统中真有 10 个线程等级么?

Java 作为跨平台语言,线程有 10 个等级,但是映射到不同操作系统的线程优先级值不一样。接下来教大家怎么在 OpenJDK 源码中查各个操作系统中线程优先级映射的值。

  1. 看到 Thread 源代码,设置线程优先级最终调用了本地方法 setPriority0()
private native void setPriority0(int newPriority);
  1. 接着我们在 OpenJDKThread.c 代码中找到 setPriority0() 对应的方法 JVM_SetThreadPriority
static JNINativeMethod methods[] = {
    ...
    {"setPriority0",     "(I)V",       (void *)&JVM_SetThreadPriority},
    ...
};
  1. 我们根据 JVM_SetThreadPriority 找到 jvm.cpp 中对应的代码段;
JVM_ENTRY(void, JVM_SetThreadPriority(JNIEnv* env, jobject jthread, jint prio))
  JVMWrapper("JVM_SetThreadPriority");
  // Ensure that the C++ Thread and OSThread structures aren't freed before we operate
  MutexLocker ml(Threads_lock);
  oop java_thread = JNIHandles::resolve_non_null(jthread);
  java_lang_Thread::set_priority(java_thread, (ThreadPriority)prio);
  JavaThread* thr = java_lang_Thread::thread(java_thread);
  if (thr != NULL) {                  // Thread not yet started; priority pushed down when it is
    Thread::set_priority(thr, (ThreadPriority)prio);
  }
JVM_END
  1. 根据第 3 步中的代码,我们可以发现关键是 java_lang_Thread::set_Priority() 这段代码,继续找 thread.cpp 代码中的 set_Priority() 方法;
void Thread::set_priority(Thread* thread, ThreadPriority priority) {
  trace("set priority", thread);
  debug_only(check_for_dangling_thread_pointer(thread);)
  // Can return an error!
  (void)os::set_priority(thread, priority);
}
  1. 发现上面代码最终调用的是 os::set_priority(),接着继续找出 os.cppset_priority() 方法;
OSReturn os::set_priority(Thread* thread, ThreadPriority p) {
#ifdef ASSERT
  if (!(!thread->is_Java_thread() ||
         Thread::current() == thread  ||
         Threads_lock->owned_by_self()
         || thread->is_Compiler_thread()
        )) {
    assert(false, "possibility of dangling Thread pointer");
  }
#endif

  if (p >= MinPriority && p <= MaxPriority) {
    int priority = java_to_os_priority[p];
    return set_native_priority(thread, priority);
  } else {
    assert(false, "Should not happen");
    return OS_ERR;
  }
}
  1. 终于发现了最终转换为各操作系统的优先级代码 java_to_os_priority[p],接下来就是找各个操作系统下的该数组的值。比如下面是 Linux 系统的优先级值。
int os::java_to_os_priority[CriticalPriority + 1] = {
  19,              // 0 Entry should never be used

   4,              // 1 MinPriority
   3,              // 2
   2,              // 3

   1,              // 4
   0,              // 5 NormPriority
  -1,              // 6

  -2,              // 7
  -3,              // 8
  -4,              // 9 NearMaxPriority

  -5,              // 10 MaxPriority

  -5               // 11 CriticalPriority
};

好了,大家应该知道怎么找出 Java 线程优先级 [1,10] 一一对应各个操作系统中的优先级值。下面给大家统计一下。

Java 线程优先级LinuxWindowsAppleBsdSolaris
14THREAD_PRIORITY_LOWEST(-2)2700
23THREAD_PRIORITY_LOWEST(-2)28332
32THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL(-1)29664
41THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL(-1)301096
50THREAD_PRIORITY_NORMAL(0)3115127
6-1THREAD_PRIORITY_NORMAL(0)3218127
7-2THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL(1)3321127
8-3THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL(1)3425127
9-4THREAD_PRIORITY_HIGHEST(2)3528127
10-5THREAD_PRIORITY_HIGHEST(2)3631127

Windows 系统的在 OpenJDK 源码中只找到上面的常量,值是通过微软提供的函数接口文档查到的,链接在这:setthreadpriority

我们从这个表格中也可以发现一些问题,即使我们在 Java 代码中设置了比较高的优先级,其实映射到操作系统的线程里面,并不一定比设置了低优先级的线程高,很有可能是相同的优先级。看看 Solaris 操作系统 这个极端的例子,优先级 5 到 10 映射的是相同的线程等级。

回头想想上面的例子为什么 3000 个线程,MAX_PRIORITY 优先级的 1000 个线程会优先执行呢?因为我们的 3 个优先级分别映射到 Windows 操作系统线程的 3 个不同的等级,所以才会生效。假设将 1、5、10 改成 5、6、7,运行结果那就不大一样了。

最后记住:切莫把线程优先级当做银弹,优先级高的线程不一定比优先级低的线程优先执行

这篇线程优先级文章也告段落了,朋友们看完觉得有用麻烦帮点个在看,推荐给身边朋友看看,原创不易。

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