Java并發(fā)編程（三）Thread類的使用
一.線程的狀態(tài)
線程從創(chuàng)建到最終的消亡，要經歷若干個狀態(tài)。一般來說，線程包括以下這幾個狀態(tài)：創(chuàng)建(new)、就緒(runnable)、運行(running)、阻塞(blocked)、time waiting、waiting、消亡（dead）。 當需要新起一個線程來執(zhí)行某個子任務時，就創(chuàng)建了一個線程。但是線程創(chuàng)建之后，不會立即進入就緒狀態(tài)，因為線程的運行需要一些條件（比如內存資源，在前面的JVM內存區(qū)域劃分一篇博文中知道程序計數器、Java棧、本地方法棧都是線程私有的，所以需要為線程分配一定的內存空間），只有線程運行需要的所有條件滿足了，才進入就緒狀態(tài)。 當線程進入就緒狀態(tài)后，不代表立刻就能獲取CPU執(zhí)行時間，也許此時CPU正在執(zhí)行其他的事情，因此它要等待。當得到CPU執(zhí)行時間之后，線程便真正進入運行狀態(tài)。 線程在運行狀態(tài)過程中，可能有多個原因導致當前線程不繼續(xù)運行下去，比如用戶主動讓線程睡眠（睡眠一定的時間之后再重新執(zhí)行）、用戶主動讓線程等待，或者被同步塊給阻塞，此時就對應著多個狀態(tài)：time waiting（睡眠或等待一定的事件）、waiting（等待被喚醒）、blocked（阻塞）。 當由于突然中斷或者子任務執(zhí)行完畢，線程就會被消亡。
下面這副圖描述了線程從創(chuàng)建到消亡之間的狀態(tài)：
在有些教程上將blocked、waiting、time waiting統(tǒng)稱為阻塞狀態(tài)，這個也是可以的，只不過這里我想將線程的狀態(tài)和Java中的方法調用聯(lián)系起來，所以將waiting和time waiting兩個狀態(tài)分離出來。
二.上下文切換
對于單核CPU來說（對于多核CPU，此處就理解為一個核），CPU在一個時刻只能運行一個線程，當在運行一個線程的過程中轉去運行另外一個線程，這個叫做線程上下文切換（對于進程也是類似）。
由于可能當前線程的任務并沒有執(zhí)行完畢，所以在切換時需要保存線程的運行狀態(tài)，以便下次重新切換回來時能夠繼續(xù)切換之前的狀態(tài)運行。舉個簡單的例子：比如一個線程A正在讀取一個文件的內容，正讀到文件的一半，此時需要暫停線程A，轉去執(zhí)行線程B，當再次切換回來執(zhí)行線程A的時候，我們不希望線程A又從文件的開頭來讀取。
因此需要記錄線程A的運行狀態(tài)，那么會記錄哪些數據呢？因為下次恢復時需要知道在這之前當前線程已經執(zhí)行到哪條指令了，所以需要記錄程序計數器的值，另外比如說線程正在進行某個計算的時候被掛起了，那么下次繼續(xù)執(zhí)行的時候需要知道之前掛起時變量的值時多少，因此需要記錄CPU寄存器的狀態(tài)。所以一般來說，線程上下文切換過程中會記錄程序計數器、CPU寄存器狀態(tài)等數據。
說簡單點的：對于線程的上下文切換實際上就是 存儲和恢復CPU狀態(tài)的過程，它使得線程執(zhí)行能夠從中斷點恢復執(zhí)行。
雖然多線程可以使得任務執(zhí)行的效率得到提升，但是由于在線程切換時同樣會帶來一定的開銷代價，并且多個線程會導致系統(tǒng)資源占用的增加，所以在進行多線程編程時要注意這些因素。
三.Thread類中的方法
通過查看java.lang.Thread類的源碼可知：
Thread類實現了Runnable接口，在Thread類中，有一些比較關鍵的屬性，比如name是表示Thread的名字，可以通過Thread類的構造器中的參數來指定線程名字，priority表示線程的優(yōu)先級（最大值為10，最小值為1，默認值為5），daemon表示線程是否是守護線程，target表示要執(zhí)行的任務。
下面是Thread類中常用的方法：
以下是關系到線程運行狀態(tài)的幾個方法：
1）start方法
start()用來啟動一個線程，當調用start方法后，系統(tǒng)才會開啟一個新的線程來執(zhí)行用戶定義的子任務，在這個過程中，會為相應的線程分配需要的資源。
2）run方法
run()方法是不需要用戶來調用的，當通過start方法啟動一個線程之后，當線程獲得了CPU執(zhí)行時間，便進入run方法體去執(zhí)行具體的任務。注意，繼承Thread類必須重寫run方法，在run方法中定義具體要執(zhí)行的任務。
3）sleep方法
sleep方法有兩個重載版本： sleep(long millis) //參數為毫秒 sleep(long millis,int nanoseconds) //第一參數為毫秒，第二個參數為納秒 sleep相當于讓線程睡眠，交出CPU，讓CPU去執(zhí)行其他的任務。 但是有一點要非常注意，sleep方法不會釋放鎖，也就是說如果當前線程持有對某個對象的鎖，則即使調用sleep方法，其他線程也無法訪問這個對象。看下面這個例子就清楚了： public class Test { private int i = 10; private Object object = new Object(); public static void main(String[] args) throws IOException { Test test = new Test(); MyThread thread1 = test.new MyThread(); MyThread thread2 = test.new MyThread(); thread1.start(); thread2.start(); } class MyThread extends Thread{ @Override public void run() { synchronized (object) { i++; System.out.println("i:"+i); try { System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"進入睡眠狀態(tài)"); Thread.currentThread().sleep(10000); } catch (InterruptedException e) { // TODO: handle exception } System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"睡眠結束"); i++; System.out.println("i:"+i); } } } }
輸出結果：
從上面輸出結果可以看出，當Thread-0進入睡眠狀態(tài)之后，Thread-1并沒有去執(zhí)行具體的任務。只有當Thread-0執(zhí)行完之后，此時Thread-0釋放了對象鎖，Thread-1才開始執(zhí)行。
注意，如果調用了sleep方法，必須捕獲InterruptedException異常或者將該異常向上層拋出。當線程睡眠時間滿后，不一定會立即得到執(zhí)行，因為此時可能CPU正在執(zhí)行其他的任務。所以說調用sleep方法相當于讓線程進入阻塞狀態(tài)。
4）yield方法
調用yield方法會讓當前線程交出CPU權限，讓CPU去執(zhí)行其他的線程。它跟sleep方法類似，同樣不會釋放鎖。但是yield不能控制具體的交出CPU的時間，另外，yield方法只能讓擁有相同優(yōu)先級的線程有獲取CPU執(zhí)行時間的機會。
注意，調用yield方法并不會讓線程進入阻塞狀態(tài)，而是讓線程重回就緒狀態(tài)，它只需要等待重新獲取CPU執(zhí)行時間，這一點是和sleep方法不一樣的。
5）join方法
join方法有三個重載版本： join() join(long millis) //參數為毫秒 join(long millis,int nanoseconds) //第一參數為毫秒，第二個參數為納秒 假如在main線程中，調用thread.join方法，則main方法會等待thread線程執(zhí)行完畢或者等待一定的時間。如果調用的是無參join方法，則等待thread執(zhí)行完畢，如果調用的是指定了時間參數的join方法，則等待一定的事件。 看下面一個例子： public class Test { public static void main(String[] args) throws IOException { System.out.println("進入線程"+Thread.currentThread().getName()); Test test = new Test(); MyThread thread1 = test.new MyThread(); thread1.start(); try { System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"等待"); thread1.join(); System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"繼續(xù)執(zhí)行"); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } class MyThread extends Thread{ @Override public void run() { System.out.println("進入線程"+Thread.currentThread().getName()); try { Thread.currentThread().sleep(5000); } catch (InterruptedException e) { // TODO: handle exception } System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"執(zhí)行完畢"); } } }
輸出結果：
可以看出，當調用thread1.join()方法后，main線程會進入等待，然后等待thread1執(zhí)行完之后再繼續(xù)執(zhí)行。
實際上調用join方法是調用了Object的wait方法，這個可以通過查看源碼得知：
1 public final void join(long millis) throws InterruptedException { 2 synchronized(lock) { 3 long base = System.currentTimeMillis(); 4 long now = 0; 5 6 if (millis < 0) { 7 throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative"); 8 } 9 10 if (millis == 0) { 11 while (isAlive()) { 12 lock.wait(0); 13 } 14 } else { 15 while (isAlive()) { 16 long delay = millis - now; 17 if (delay <= 0) { 18 break; 19 } 20 lock.wait(delay); 21 now = System.currentTimeMillis() - base; 22 } 23 } 24 } 25 }
wait方法會讓線程進入阻塞狀態(tài)，并且會釋放線程占有的鎖，并交出CPU執(zhí)行權限。
由于wait方法會讓線程釋放對象鎖，所以join方法同樣會讓線程釋放對一個對象持有的鎖。具體的wait方法使用在后面文章中給出。
6）interrupt方法
interrupt，顧名思義，即中斷的意思。單獨調用interrupt方法可以使得處于阻塞狀態(tài)的線程拋出一個異常，也就說，它可以用來中斷一個正處于阻塞狀態(tài)的線程；另外，通過interrupt方法和isInterrupted()方法來停止正在運行的線程。 下面看一個例子： public class Test { public static void main(String[] args) throws IOException { Test test = new Test(); MyThread thread = test.new MyThread(); thread.start(); try { Thread.currentThread().sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { } thread.interrupt(); } class MyThread extends Thread{ @Override public void run() { try { System.out.println("進入睡眠狀態(tài)"); Thread.currentThread().sleep(10000); System.out.println("睡眠完畢"); } catch (InterruptedException e) { System.out.println("得到中斷異常"); } System.out.println("run方法執(zhí)行完畢"); } } }
輸出結果：
1 從這里可以看出，通過interrupt方法可以中斷處于阻塞狀態(tài)的線程。那么能不能中斷處于非阻塞狀態(tài)的線程呢？看下面這個例子： 2 3 public class Test { 4 5 public static void main(String[] args) throws IOException { 6 Test test = new Test(); 7 MyThread thread = test.new MyThread(); 8 thread.start(); 9 try { 10 Thread.currentThread().sleep(2000); 11 } catch (InterruptedException e) { 12 13 } 14 thread.interrupt(); 15 } 16 17 class MyThread extends Thread{ 18 @Override 19 public void run() { 20 int i = 0; 21 while(i<Integer.MAX_VALUE){ 22 System.out.println(i+" while循環(huán)"); 23 i++; 24 } 25 } 26 } 27 } 28 29 運行該程序會發(fā)現，while循環(huán)會一直運行直到變量i的值超出Integer.MAX_VALUE。所以說直接調用interrupt方法不能中斷正在運行中的線程。 30 31 但是如果配合isInterrupted()能夠中斷正在運行的線程，因為調用interrupt方法相當于將中斷標志位置為true，那么可以通過調用isInterrupted()判斷中斷標志是否被置位來中斷線程的執(zhí)行。比如下面這段代碼： 32 33 public class Test { 34 35 public static void main(String[] args) throws IOException { 36 Test test = new Test(); 37 MyThread thread = test.new MyThread(); 38 thread.start(); 39 try { 40 Thread.currentThread().sleep(2000); 41 } catch (InterruptedException e) { 42 43 } 44 thread.interrupt(); 45 } 46 47 class MyThread extends Thread{ 48 @Override 49 public void run() { 50 int i = 0; 51 while(!isInterrupted() && i<Integer.MAX_VALUE){ 52 System.out.println(i+" while循環(huán)"); 53 i++; 54 } 55 } 56 } 57 } 58 59 運行會發(fā)現，打印若干個值之后，while循環(huán)就停止打印了。 60 61 但是一般情況下不建議通過這種方式來中斷線程，一般會在MyThread類中增加一個屬性 isStop來標志是否結束while循環(huán)，然后再在while循環(huán)中判斷isStop的值。 62 63 class MyThread extends Thread{ 64 private volatile boolean isStop = false; 65 @Override 66 public void run() { 67 int i = 0; 68 while(!isStop){ 69 i++; 70 } 71 } 72 73 public void setStop(boolean stop){ 74 this.isStop = stop; 75 } 76 } 77 78 那么就可以在外面通過調用setStop方法來終止while循環(huán)。
7）stop方法
stop方法已經是一個廢棄的方法，它是一個不安全的方法。因為調用stop方法會直接終止run方法的調用，并且會拋出一個ThreadDeath錯誤，如果線程持有某個對象鎖的話，會完全釋放鎖，導致對象狀態(tài)不一致。所以stop方法基本是不會被用到的。
8）destroy方法
destroy方法也是廢棄的方法。基本不會被使用到。 以下是關系到線程屬性的幾個方法： 1）getId 用來得到線程ID 2）getName和setName 用來得到或者設置線程名稱。 3）getPriority和setPriority 用來獲取和設置線程優(yōu)先級。 4）setDaemon和isDaemon 用來設置線程是否成為守護線程和判斷線程是否是守護線程。 守護線程和用戶線程的區(qū)別在于：守護線程依賴于創(chuàng)建它的線程，而用戶線程則不依賴。舉個簡單的例子：如果在main線程中創(chuàng)建了一個守護線程，當main方法運行完畢之后，守護線程也會隨著消亡。而用戶線程則不會，用戶線程會一直運行直到其運行完畢。在JVM中，像垃圾收集器線程就是守護線程。 Thread類有一個比較常用的靜態(tài)方法currentThread()用來獲取當前線程。 在上面已經說到了Thread類中的大部分方法，那么Thread類中的方法調用到底會引起線程狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化呢？下面一幅圖就是在上面的圖上進行改進而來的：
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