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并发编程之：线程

并发编程之：线程

大家好，我是小黑，一个在互联网苟且偷生的农民工。前段时间公司面试招人，发现好多小伙伴虽然已经有两三年的工作经验，但是对于一些Java基础的知识掌握的都不是很扎实，所以小黑决定开始跟大家分享一些Java基础相关的内容。首先这一期我们从Java的多线程开始。

好了，接下来进入正题，先来看看什么是进程和线程。

进程VS线程

进程是计算机操作系统中的一个线程集合，是系统资源调度的基本单位，正在运行的一个程序，比如QQ，微信，音乐播放器等，在一个进程中至少包含一个线程。

线程是计算机操作系统中能够进行运算调度的最小单位。一条线程实际上就是一段单一顺序运行的代码。比如我们音乐播放器中的字幕展示，和声音的播放，就是两个独立运行的线程。

image

了解完进程和线程的区别，我们再来看一下并发和并行的概念。

并发VS并行

当有多个线程在操作时,如果系统只有一个CPU，假设这个CPU只有一个内核，则它根本不可能真正同时进行一个以上的线程，它只能把CPU运行时间划分成若干个时间段,再将时间段分配给各个线程执行，在一个时间段的线程代码运行时，其它线程处于挂起状。这种方式我们称之为并发(Concurrent)。

当系统有一个以上CPU或者一个CPU有多个内核时，则线程的操作有可能非并发。当一个CPU执行一个线程时，另一个CPU可以执行另一个线程，两个线程互不抢占CPU资源，可以同时进行，这种方式我们称之为并行(Parallel)。

读完上面这段话，是不是感觉好像懂了，又好像没懂？啥并发？啥并行？马什么梅？什么冬梅？

别着急，小黑先给大家用个通俗的例子解释一下并发和并行的区别，然后再看上面这段话，相信大家就都能够理解了。

你吃饭吃到一半，电话来了，你一直把饭吃完之后再去接电话，这就说明你不支持并发也不支持并行；

你吃饭吃到一半，电话来了，你去电话，然后吃一口饭，接一句电话，吃一口饭，接一句电话，这就说明你支持并发；

你吃饭吃到一半，电话来了，你妹接电话，你在一直吃饭，你妹在接电话，这就叫并行。

总结一下，并发的关键，是看你有没有处理多个任务的能力，不是同时处理；

并行的关键是看能不能同时处理多个任务，那要想处理多个任务，就要有“你妹”（另一个CPU或者内核）的存在(怎么感觉好像在骂人)。

Java中的线程

在Java作为一门高级计算机语言，同样也有进程和线程的概念。

我们用Main方法启动一个Java程序，其实就是启动了一个Java进程，在这个进程中至少包含2个线程，另一个是用来做垃圾回收的GC线程。

Java中通常通过Thread类来创建线程，接下来我们看看具体是如何来做的。

线程的创建方式

要想在Java代码中要想自定义一个线程，可以通过继承Thread类，然后创建自定义个类的对象，调用该对象的start()方法来启动。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        new MyThread().start();
    }
}
class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("这是我自定义的线程");
    }
}

或者实现java.lang.Runnable接口，在创建Thread类的对象时，将自定义java.lang.Runnable接口的实例对象作为参数传给Thread，然后调用start()方法启动。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new MyRunnable()).s
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("这是我自定义的线程");
    }
}

那在实际开发过程中，是创建Thread的子类，还是实现Runnable接口呢？其实并没有一个确定的答案，我个人更喜欢实现Runnable接口这种用法。在以后要学的线程池中也是对于Runnable接口的实例进行管理。当然我们也要根据实际场景灵活变通。

线程的启动和停止

从上面的代码中我们其实已经看到，创建线程之后通过调用start()方法就可以实现线程的启动。

new MyThread().start();

注意，我们看到从上一节的代码中看到我们自定义的Thread类是重写了父类的run()方法，那我们直接调用run()方法可不可以启动一个线程呢？答案是不可以。直接调用run()方法和普通的方法调用没有区别，不会开启一个新线程执行，这里一定要注意。

那要怎么来停止一个线程呢？我们看Thread类的方法，是有一个stop()方法的。

@Deprecated // 已经弃用了。
public final void stop() {
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    if (security != null) {
        checkAccess();
        if (this != Thread.currentThread()) {
            security.checkPermission(SecurityConstants.STOP_THREAD_PERMISSION);
        }
    }
    if (threadStatus != 0) {
        resume(); 
    }
    stop0(new ThreadDeath());
}

但是我们从这个方法上可以看到是加了@Deprecated注解的，也就是这个方法被JDK弃用了。被弃用的原因是因为通过stop()方法会强制让这个线程停止，这对于线程中正在运行的程序是不安全的，就好比你正在拉屎，别人强制不让你拉了，这个时候你是夹断还是不夹断(这个例子有点恶心，但是很形象哈哈)。所以在需要停止形成的是不不能使用stop方法。

那我们应该怎样合理地让一个线程停止呢，主要有以下2种方法：

第一种：使用标志位终止线程

class MyRunnable implements Runnable {
    private volatile boolean exit = false; // volatile关键字，保证主线程修改后当前线程能够看到被改后的值（可见性）
    @Override
    public void run() {
        while (!exit) { // 循环判断标识位，是否需要退出
            System.out.println("这是我自定义的线程");
        }
    }
    public void setExit(boolean exit) {
        this.exit = exit;
    }
}
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable runnable = new MyRunnable();
        new Thread(runnable).start();
        runnable.setExit(true); //修改标志位，退出线程
    }
}

在线程中定义一个标志位，通过判断标志位的值决定是否继续执行，在主线程中通过修改标志位的值达到让线程停止的目的。

第二种：使用interrupt()中断线程

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyRunnable runnable = new MyRunnable();
        Thread t = new Thread(runnable);
        t.start();
        Thread.sleep(10);
        t.interrupt(); // 企图让线程中断
    }
}
class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            System.out.println("线程正在执行~" + i);
        }
    }
}

这里需要注意的点，就是interrupt()方法并不会像使用标志位或者stop()方法一样，让线程马上停止，如果你运行上面这段代码会发现，线程t并不会被中断。那么如何才能让线程t停止呢？这个时候就要关注Thread类的另外两个方法。

public static boolean interrupted(); // 判断是否被中断，并清除当前中断状态
private native boolean isInterrupted(boolean ClearInterrupted); // 判断是否被中断，通过ClearInterrupted决定是否清楚中断状态

那么我们再来修改一下上面的代码。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyRunnable runnable = new MyRunnable();
        Thread t = new Thread(runnable);
        t.start();
        Thread.sleep(10);
        t.interrupt();
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            //if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
            if (Thread.interrupted()) {
                break;
            }
            System.out.println("线程正在执行~" + i);
        }
    }
}

这个时候线程t就会被中断执行。

到这里大家其实会有个疑惑，这种方式和上面的通过标志位的方式好像没有什么区别呀，都是判断一个状态，然后决定要不要结束执行，它们俩到底有啥区别呢？这里其实就涉及到另一个东西叫做线程状态，如果当线程t在sleep()或者wait()的时候，如果用标识位的方式，其实并不能立马让线程中断，只能等sleep()结束或者wait()被唤醒之后才能中断。但是用第二种方式，在线程休眠时，如果调用interrupt()方法，那么就会抛出一个异常InterruptedException，然后线程继续执行。

线程的状态

通过上面对于线程停止方法的对比，我们了解到线程除了运行和停止这两种状态意外，还有wait()，sleep()这样的方法，可以让线程进入到等待或者休眠的状态，那么线程具体都哪些状态呢？其实通过代码我们能够找到一些答案。在Thread类中有一个叫State的枚举类，这个枚举类中定义了线程的6中状态。

public enum State {
    /**
     * 尚未启动的线程的线程状态
     */
    NEW,
    /**
     * 可运行状态
     */
    RUNNABLE,
    /**
     * 阻塞状态
     */
    BLOCKED,
    /**
     * 等待状态
     */
    WAITING,
    /**
     * 超时等待状态
     */
    TIMED_WAITING,
    /**
     * 终止状态
     */
    TERMINATED;
}

那么线程中的这六种状态到底是怎么变化的呢？什么时候时RUNNABLE，什么时候BLOCKED，我们通过下面的图来展示线程见状态发生变化的情况。

image

线程状态详细说明

初始化状态（NEW）

在一个Thread实例被new出来时，这个线程对象的状态就是初始化(NEW)状态。

可运行状态（RUNNABLE）

  1. 在调用start()方法后，这个线程就到达可运行状态，注意，可运行状态并不代表一定在运行，因为操作系统的CPU资源要轮换执行(也就是最开始说的并发)，要等操作系统调度，只有被调度到才会开始执行，所以这里只是到达就绪（READY）状态，说明有资格被系统调度；
  2. 当系统调度本线程之后，本线程会到达运行中(RUNNING)状态，在这个状态如果本线程获取到的CPU时间片用完以后，或者调用yield()方法，会重新进入到就绪状态，等待下一次被调度；
  3. 当某个休眠线程被notify()，会进入到就绪状态；
  4. 被park(Thread)的线程又被unpark(Thread)，会进入到就绪状态；
  5. 超时等待的线程时间到时，会进入到就绪状态；
  6. 同步代码块或同步方法获取到锁资源时，会进入到就绪状态；

超时等待（TIMED_WAITING）

当线程调用sleep(long)，join(long)等方法，或者同步代码中锁对象调用wait(long)，以及LockSupport.arkNanos(long)，LockSupport.parkUntil(long)这些方法都会让线程进入超时等待状态。

等待（WAITING）

等待状态和超时等待状态的区别主要是没有指定等待多长的时间，像Thread.join()，锁对象调用wait(),LockSupport.park()等这些方法会让线程进入等待状态。

阻塞（BLOCKED）

阻塞状态主要发生在获取某些资源时，在获取成功之前，会进入阻塞状态，知道获取成功以后，才会进入可运行状态中的就绪状态。

终止（TERMINATED）

终止状态很好理解，就是当前线程执行结束，这个时候就进入终止状态。这个时候这个线程对象也许是存活的，但是没有办法让它再去执行。所谓“线程”死不能复生。

线程重要的方法

从上一节我们看到线程状态之间变化会有很多方法的调用，像Join()，yield()，wait()，notify()，notifyAll()，这么多方法，具体都是什么作用，我们来看一下。

上面我们讲到过的start()、run()、interrupt()、isInterrupted()、interrupted()这些方法想必都已经理解了，这里不做过多的赘述。

/**
 * sleep()方法是让当前线程休眠若干时间，它会抛出一个InterruptedException中断异常。
 * 这个异常不是运行时异常，必须捕获且处理，当线程在sleep()休眠时，如果被中断，这个异常就会产生。
 * 一旦被中断后，抛出异常，会清除标记位，如果不加处理，下一次循环开始时，就无法捕获这个中断，故一般在异常处理时再设置标记位。
 * sleep()方法不会释放任何对象的锁资源。
 */
public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;

/**
 * yield()方法是个静态方法，一旦执行，他会使当前线程让出CPU。让出CPU不代表当前线程不执行了，还会进行CPU资源的争夺。
 * 如果一个线程不重要或优先级比较低，可以用这个方法，把资源给重要的线程去做。
 */
public static native void yield();
/**
 * join()方法表示无限的等待，他会一直阻塞当前线程，只到目标线程执行完毕。
 */
public final void join() throws InterruptedException ;
/**
 * join(long millis) 给出了一个最大等待时间，如果超过给定的时间目标线程还在执行，当前线程就不等了，继续往下执行。
 */
public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException ;

以上这些方法是Thread类中的方法，从方法签名可以看出，sleep()和yield()方法是静态方法，而join()方法是成员方法。

而wait(),notify(),notifyAll()这三个方式是Object类中的方法，这三个方法主要用于在同步方法或同步代码块中，用于对共享资源有竞争的线程之间的通信。

/**
 * 使当前线程等待，直到另一个线程调用该对象的 notify()方法或 notifyAll()方法。
 */
public final void wait() throws InterruptedException
/**
 * 唤醒正在等待对象监视器的单个线程。
 */
public final native void notify();
/**
 * 唤醒正在等待对象监视器的所有线程。
 */
public final native void notifyAll();

针对wait(),notify/notifyAll() 有一个典型的案例：生产者消费者，通过这个案例能加深大家对于这三个方法的印象。

场景如下：

假设现在有一个KFC（KFC给你多少钱，我金拱门出双倍），里面有汉堡在销售，为了汉堡的新鲜呢，店员在制作时最多不会制作超过10个，然后会有顾客来购买汉堡。当汉堡数量到10个时，店员要停止制作，而当数量等于0也就是卖完了的时候，顾客得等新汉堡制作处理。

我们现在通过两个线程一个来制作，一个来购买，来模拟这个场景。代码如下：

class KFC {
    // 汉堡数量
    int hamburgerNum = 0; 
    
    public void product() {
        synchronized (this) {
            while (hamburgerNum == 10) {
                try {
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("生产一个汉堡" + (++hamburgerNum));
            this.notifyAll();
        }
    }
    
    public void consumer() {
        synchronized (this) {
            while (hamburgerNum == 0) {
                try {
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("卖出一个汉堡" + (hamburgerNum--));
            this.notifyAll();
        }
    }
}
public class ProdConsDemo {
    public static void main(String[] args) {
        KFC kfc = new KFC();
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                kfc.product();
            }
        }, "店员").start();
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                kfc.consumer();
            }
        }, "顾客").start();

    }
}

从上面的代码可以看出，这三个方法是要配合使用的。

wait()、notify/notifyAll() 方法是Object的本地final方法，无法被重写。

wait()使当前线程阻塞，前提是必须先获得锁，一般配合synchronized关键字使用。

当线程执行wait()方法时，会释放当前的锁，然后让出CPU，进入等待状态。

由于 wait()、notify/notifyAll() 在synchronized 代码块执行，说明当前线程一定是获取了锁的。只有当notify/notifyAll()被执行时，才会唤醒一个或多个正处于等待状态的线程，然后继续往下执行，直到执行完synchronized代码块的代码或是中途遇到wait() ，再次释放锁。

要注意，notify/notifyAll()唤醒沉睡的线程后，线程会接着上次的执行继续往下执行。所以在进行条件判断时候，不能使用if来判断，假设存在多个顾客来购买，当被唤醒之后如果不做判断直接去买，有可能已经被另一个顾客买完了，所以一定要用while判断，在被唤醒之后重新进行一次判断。

最后再强调一下wait()和我们上面讲到的sleep()的区别，sleep()可以随时随地执行，不一定在同步代码块中，所以在同步代码块中调用也不会释放锁，而wait()方法的调用必须是在同步代码中，并且会释放锁。

好了，今天的内容就到这里。我是小黑，我们下期见。
如果喜欢小黑也可以关注我的微信公众号黑子的学习笔记，全网同名。
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