介紹線程

線程是系統(tǒng)調(diào)度的最小單元，一個進程可以包含多個線程，線程是負(fù)責(zé)執(zhí)行二進制指令的。

每個線程有自己的程序計數(shù)器、棧（Stack）、寄存器（Register）、本地存儲（Thread Local）等，但是會和進程內(nèi)其他線程共享文件描述符、虛擬地址空間等。

對于任何一個進程來講，即便我們沒有主動去創(chuàng)建線程，進程也是默認(rèn)有一個主線程的。

守護線程（Daemon Thread）

有的時候應(yīng)用中需要一個長期駐留的服務(wù)程序，但是不希望這個服務(wù)程序影響應(yīng)用退出，那么我們就可以將這個服務(wù)程序設(shè)置為守護線程，如果 Java 虛擬機發(fā)現(xiàn)只有守護線程存在時，將結(jié)束進程。

在 Java 中將線程設(shè)置為守護線程，具體的實現(xiàn)代碼如下所示：

public static void main(String[] args) {
    Thread daemonThread = new Thread();
    // 必須在線程啟動之前設(shè)置
    daemonThread.setDaemon(true);
    daemonThread.start();
}

通用的線程生命周期

在操作系統(tǒng)層面，線程有生命周期。

對于有生命周期的事物，要學(xué)好它，只要能搞懂生命周期中各個節(jié)點的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機制就可以了。

通用的線程生命周期基本上可以用下圖這個 “五態(tài)模型” 來描述。這五態(tài)分別是：初始狀態(tài)、可運行狀態(tài)、運行狀態(tài)、休眠狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)。

這“五態(tài)模型”的詳細(xì)情況如下所示。

初始狀態(tài)

初始狀態(tài)，指的是線程已經(jīng)被創(chuàng)建，但是還不允許被 CPU 調(diào)度。

初始狀態(tài)屬于編程語言特有的，這里所謂的被創(chuàng)建，僅僅是在編程語言層面被創(chuàng)建，而在操作系統(tǒng)層面，真正的線程還沒有被創(chuàng)建。

在 Java 中，初始狀態(tài)相當(dāng)于是創(chuàng)建了 Thread 類的對象，但是還沒有調(diào)用 Thread#start() 方法。

可運行狀態(tài)

可運行狀態(tài)，指的是線程可以被操作系統(tǒng)調(diào)度，但是線程還沒有開始執(zhí)行。

在可運行狀態(tài)下，真正的操作系統(tǒng)線程已經(jīng)被創(chuàng)建。多個線程處于可運行狀態(tài)時，操作系統(tǒng)會根據(jù)調(diào)度算法選擇一個線程運行。

在 Java 中，可運行狀態(tài)相當(dāng)于是調(diào)用了 Thread#start() 方法，但是線程還沒有被分配 CPU 執(zhí)行。

運行狀態(tài)

當(dāng)有空閑的 CPU 時，操作系統(tǒng)會將空閑的 CPU 分配給一個處于可運行狀態(tài)的線程，被分配到 CPU 的線程的狀態(tài)就從可運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換成了運行狀態(tài)。

在 Java 中，運行狀態(tài)相當(dāng)于是調(diào)用了 Thread#start() 方法，并且線程被分配 CPU 執(zhí)行。

休眠狀態(tài)

如果運行狀態(tài)的線程調(diào)用了一個阻塞的 API（例如以阻塞的方式讀取文件）或者等待某個事件（例如條件變量），那么線程的狀態(tài)就會從運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換到休眠狀態(tài)，同時釋放 CPU 的使用權(quán)，休眠狀態(tài)的線程永遠(yuǎn)沒有機會獲得 CPU 的使用權(quán)。

當(dāng)?shù)却馁Y源或條件滿足后，線程就會從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到可運行狀態(tài)，并等待 CPU 調(diào)度。

終止?fàn)顟B(tài)

線程執(zhí)行完畢或者出現(xiàn)異常，線程就會進入終止?fàn)顟B(tài)，即線程的生命周期終止。

這五種狀態(tài)在不同編程語言里會有簡化合并。例如：

• C 語言的 POSIX Threads 規(guī)范，就把初始狀態(tài)和可運行狀態(tài)合并了；
• Java 程序設(shè)計語言把可運行狀態(tài)和運行狀態(tài)合并了，這兩個狀態(tài)在操作系統(tǒng)調(diào)度層面有用，而 Java 虛擬機層面不關(guān)心這兩個狀態(tài)，因為 Java 虛擬機把線程調(diào)度交給操作系統(tǒng)處理了。

除了簡化合并，這五種狀態(tài)也有可能被細(xì)化，比如，Java 語言里就細(xì)化了休眠狀態(tài)（這個下面我們會詳細(xì)講解）。

Java 的線程生命周期

不同的程序設(shè)計語言對于操作系統(tǒng)線程進行了不同的封裝，下面我們學(xué)習(xí)一下 Java 的線程生命周期。

Java 程序設(shè)計語言中，線程共有六種狀態(tài)，分別是：

• NEW（初始狀態(tài)）
• RUNNABLE（可運行 / 運行狀態(tài)）
• BLOCKED（阻塞狀態(tài)）
• WAITING（無時限等待）
• TIMED_WAITING（有時限等待）
• TERMINATED（終止?fàn)顟B(tài)）

NEW（初始狀態(tài)）、TERMINATED（終止?fàn)顟B(tài)）和通用的線程生命周期中的語義相同。

在操作系統(tǒng)層面，Java 線程中的 BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 是一種狀態(tài)，即通用的線程生命周期中的休眠狀態(tài)。也就是說只要 Java 線程處于這三種狀態(tài)之一，那么這個線程就永遠(yuǎn)沒有機會獲得 CPU 的使用權(quán)。

所以 Java 中的線程生命周期可以簡化為下圖：

其中，可以將 BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 理解為導(dǎo)致線程處于休眠狀態(tài)的三種原因。

• 那具體是哪些情形會導(dǎo)致線程從 RUNNABLE 狀態(tài)轉(zhuǎn)換到這三種狀態(tài)呢？
• 而這三種狀態(tài)又是何時轉(zhuǎn)換回 RUNNABLE 的呢？
• 以及 NEW、TERMINATED 和 RUNNABLE 狀態(tài)是如何轉(zhuǎn)換的？

下面我們詳細(xì)講解。

Java 的線程狀態(tài)切換

從 NEW 到 RUNNABLE 狀態(tài)

剛創(chuàng)建 Thread 類的對象時，線程處于 NEW 狀態(tài)。

NEW 狀態(tài)的線程，不會被操作系統(tǒng)調(diào)度，因此不會執(zhí)行。Java 線程要執(zhí)行，就必須轉(zhuǎn)換到 RUNNABLE 狀態(tài)。

從 NEW 狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 RUNNABLE 狀態(tài)只要調(diào)用線程對象的 start() 方法就可以了，具體的實現(xiàn)代碼如下所示：

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("hello");
        }
    });
    thread.start();
}

從 RUNNABLE 到 TERMINATED 狀態(tài)

線程執(zhí)行完 Thrad#run() 方法后，會自動從 RUNNABLE 狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 TERMINATED 狀態(tài)。

如果執(zhí)行 run() 方法的時候異常了拋出，也會導(dǎo)致線程終止，進入 TERMINATED 狀態(tài) 。

1. RUNNABLE 與 BLOCKED 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

只有一種場景會觸發(fā) RUNNABLE 與 BLOCKED 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，就是線程等待 synchronized 的隱式鎖。

• 當(dāng)使用 synchronized 申請加鎖失敗時，該線程的狀態(tài)就會從 RUNNABLE 轉(zhuǎn)換到 BLOCKED 狀態(tài)。
• 當(dāng)?shù)却木€程獲得鎖時，該線程的狀態(tài)就會從 BLOCKED 狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 RUNNABLE 狀態(tài)。

如果你熟悉操作系統(tǒng)線程的生命周期的話，可能會有個疑問：線程調(diào)用阻塞式 API 時，是否會轉(zhuǎn)換到 BLOCKED 狀態(tài)呢？在操作系統(tǒng)層面，線程是會轉(zhuǎn)換到休眠狀態(tài)的，但是在 Java 虛擬機層面，Java 線程的狀態(tài)不會發(fā)生變化，也就是說 Java 線程的狀態(tài)會依然保持 RUNNABLE 狀態(tài)。

Java 虛擬機層面并不關(guān)心操作系統(tǒng)調(diào)度相關(guān)的狀態(tài)，因為在 Java 虛擬機看來，等待 CPU 的使用權(quán)（操作系統(tǒng)層面此時處于可執(zhí)行狀態(tài)）與等待 I/O（操作系統(tǒng)層面此時處于休眠狀態(tài)）沒有區(qū)別，都是在等待某個資源，所以都?xì)w入了 RUNNABLE 狀態(tài)。

而我們說的 Java 線程在調(diào)用阻塞式 API 時，線程會阻塞，指的是操作系統(tǒng)線程的狀態(tài)，并不是 Java 線程的狀態(tài)。

2. RUNNABLE 與 WAITING 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

總體來說，有三種場景會觸發(fā) RUNNABLE 與 WAITING 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

第一種場景，獲得 synchronized 隱式鎖的線程，調(diào)用無參數(shù)的 Object#wait() 方法。

這里應(yīng)該調(diào)用的是鎖對象的 wait() 方法，具體的實現(xiàn)代碼如下所示：

public void method() throws InterruptedException {
    synchronized (this) {
        this.wait();
    }
}

• 當(dāng)調(diào)用 wait() 方法時，調(diào)用方法的線程的狀態(tài)從 RUNNABLE 狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 WAITING 狀態(tài)
• 當(dāng)調(diào)用 notify() 方法時，被喚醒的線程的狀態(tài)從 WAITING 狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 RUNNABLE 狀態(tài)

第二種場景，調(diào)用無參數(shù)的 Thread#join() 方法。

join() 是一種線程同步方法，例如有一個線程對象 thread A：

• 當(dāng)調(diào)用 A.join() 方法時，執(zhí)行這條語句的線程會等待 thread A 執(zhí)行完，而等待中的這個線程，其狀態(tài)會從 RUNNABLE 轉(zhuǎn)換到 WAITING。
• 當(dāng)線程 thread A 執(zhí)行完，原來等待它的線程又會從 WAITING 狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 RUNNABLE。

Thread#join() 方法的實現(xiàn)基于 Object#wait()。

第三種場景，調(diào)用 LockSupport#park() 方法。

LockSupport 類，也許你有點陌生，其實 Java 并發(fā)包中鎖的實現(xiàn)都用到了 LockSupport#park() / unpark()。

• 當(dāng)調(diào)用 LockSupport.park() 方法時，調(diào)用方法的線程的狀態(tài)從 RUNNABLE 轉(zhuǎn)換到 WAITING。
• 當(dāng)調(diào)用 LockSupport.unpark(Thread thread) 方法時，被喚醒的線程的狀態(tài)從 WAITING 狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 RUNNABLE 狀態(tài)

總結(jié)來說：Object#wait() 和 LockSupport#park() 方法使線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 WAITING。

3. RUNNABLE 與 TIMED_WAITING 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

總體來說，有五種場景會觸發(fā) RUNNABLE 與 TIMED_WAITING 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換：

• 獲得 synchronized 隱式鎖的線程，調(diào)用帶超時參數(shù)的 Object#wait(long timeout) 方法；
• 調(diào)用帶超時參數(shù)的 Thread#join(long millis) 方法；（底層調(diào)用 Object#wait(long timeout) ）
• 調(diào)用帶超時參數(shù)的 LockSupport.parkNanos(Object blocker, long deadline) 方法；
• 調(diào)用帶超時參數(shù)的 LockSupport.parkUntil(long deadline) 方法。
• 調(diào)用帶超時參數(shù)的 Thread.sleep(long millis) 方法；

這里你會發(fā)現(xiàn)：

• TIMED_WAITING 和 WAITING 狀態(tài)的區(qū)別，僅僅是觸發(fā)條件多了超時參數(shù)。
• 與 RUNNABLE 與 WAITING 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換 相比，多了一個 Thread.sleep() 場景。

Java 線程 API 的使用

線程的創(chuàng)建

創(chuàng)建線程的幾種方式：

• 繼承 Thread 類，重寫 run() 方法。
• 實現(xiàn) Runnable 接口，實現(xiàn)其中的 run() 方法。將該實現(xiàn)類的對象作為參數(shù)傳遞到 Thread 類的構(gòu)造器中，創(chuàng)建 Thread 類的對象。
• 實現(xiàn) Callable 接口，實現(xiàn)其中的 call() 方法。將該實現(xiàn)類的對象作為參數(shù)傳遞到 FutureTask 類的構(gòu)造器中，創(chuàng)建FutureTask 類的對象。將 FutureTask 類的對象作為參數(shù)傳遞到 Thread 類的構(gòu)造器中，創(chuàng)建 Thread 類的對象。Callable 它解決了 Runnable 無法返回結(jié)果的困擾。

「實現(xiàn) Runnable 接口」VS「繼承 Thread 類」

• 通過實現(xiàn)（implements）的方式?jīng)]有類的單繼承性的局限性
• 實現(xiàn)的方式更適合處理多個線程有共享數(shù)據(jù)的情況

「實現(xiàn) Callable 接口」VS「實現(xiàn) Runnable 接口」

• call() 可以有返回值
• call() 可以拋出異常被外面的操作捕獲，獲取異常的信息
• 「實現(xiàn) Callable 接口」支持泛型

// 自定義線程對象
class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // 線程需要執(zhí)行的代碼
        ......
    }
}

// 創(chuàng)建線程對象
MyThread myThread = new MyThread();

// 實現(xiàn)Runnable接口
class Runner implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 線程需要執(zhí)行的代碼
        ......
    }
}

// 創(chuàng)建線程對象
Thread thread = new Thread(new Runner());

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    MyTask task = new MyTask();
    // FutureTask 用于接收運算結(jié)果
    FutureTask futureTask = new FutureTask<>(task);
    Thread thread = new Thread(futureTask);

    thread.start();
	// FutureTask 可用于線程間同步 (當(dāng)前線程等待其他線程執(zhí)行完成之后，當(dāng)前線程才繼續(xù)執(zhí)行)
    // get() 返回值即為 FutureTask 構(gòu)造器參數(shù) Callable 實現(xiàn)類實現(xiàn)的 call() 的返回值
    System.out.println(futureTask.get());
}

public class MyTask implements Callable {
    @Override
    public String call() {
        // 若不需要返回值，可 return null;
        return "ok";
    }
}

線程的執(zhí)行

創(chuàng)建好 Thread 類的對象后，通過調(diào)用 Thread#start() 方法創(chuàng)建線程執(zhí)行任務(wù)。

線程執(zhí)行要調(diào)用 start() 而不是直接調(diào)用 run()，直接調(diào)用 run() 方法只會在當(dāng)前線程上同步執(zhí)行 run() 方法的內(nèi)容，而不會啟動新線程。調(diào)用 start() 方法的作用：

• 啟動一個新的線程
• 新的線程調(diào)用 run() 方法

線程的停止

有時候我們需要強制中斷 run() 方法的執(zhí)行，例如 run() 方法訪問一個很慢的網(wǎng)絡(luò)，我們等不下去了，想終止怎么辦呢？Java 的 Thread 類里面倒是有個 stop() 方法，不過已經(jīng)標(biāo)記為 @Deprecated，所以不建議使用了。正確的方式是調(diào)用 interrupt() 方法。Thread#interrupt() 配合合適的代碼，即可優(yōu)雅的實現(xiàn)線程的終止。

stop() 和 interrupt() 方法的區(qū)別。

• stop() 方法會真的殺死線程，不給線程喘息的機會，如果線程持有 ReentrantLock 鎖，被 stop() 的線程并不會自動調(diào)用 ReentrantLock 的 unlock() 去釋放鎖，那其他線程就再也沒機會獲得 ReentrantLock 鎖，這實在是太危險了。所以該方法就不建議使用了，類似的方法還有 suspend() 和 resume() 方法，這兩個方法同樣也都不建議使用了。
• interrupt() 方法僅僅是通知線程，線程有機會執(zhí)行一些后續(xù)操作，線程也可以無視這個通知。被 interrupt 的線程，是怎么收到通知的呢？一種是異常，另一種是主動檢測。

異常

當(dāng)線程 A 處于 WAITING、TIMED_WAITING 狀態(tài)時，如果其他的線程調(diào)用線程 A 的 interrupt() 方法，會使線程 A 返回到 RUNNABLE 狀態(tài)，同時線程 A 的代碼會觸發(fā) InterruptedException 異常。

上面我們提到轉(zhuǎn)換到 WAITING、TIMED_WAITING 狀態(tài)的觸發(fā)條件，都是調(diào)用了類似 wait()、join()、sleep() 這樣的方法，我們看這些方法的簽名，發(fā)現(xiàn)都會 throws InterruptedException 這個異常。這個異常的觸發(fā)條件就是：其他的線程調(diào)用了該線程的 interrupt() 方法。

當(dāng)線程 A 處于 RUNNABLE 狀態(tài)時：

• 當(dāng)線程 A 處于 RUNNABLE 狀態(tài)，并且阻塞在 java.nio.channels.InterruptibleChannel 上時，如果其他的線程調(diào)用線程 A 的 interrupt() 方法，線程 A 會觸發(fā) java.nio.channels.ClosedByInterruptException 這個異常；
• 當(dāng)線程 A 處于 RUNNABLE 狀態(tài)，并且阻塞在 java.nio.channels.Selector 上時，如果其他的線程調(diào)用線程 A 的 interrupt() 方法，線程 A 的 java.nio.channels.Selector 會立即返回。

上面這兩種情況屬于被中斷的線程通過異常的方式獲得了通知。

主動檢測

還有一種是主動檢測，如果線程處于 RUNNABLE 狀態(tài)，并且沒有阻塞在某個 I/O 操作上，例如中斷計算圓周率的線程 A，這時就得依賴線程 A 主動檢測中斷狀態(tài)了。如果其他的線程調(diào)用線程 A 的 interrupt() 方法，那么線程 A 可以通過 isInterrupted() 方法，檢測是不是自己被中斷了。

以上就是一文帶你學(xué)習(xí)Java中的線程的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java 線程的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！