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Java 核心知识体系 - 并发与多线程:线程基础

作者:EquatorCoco
  • 2024-09-05
    福建
  • 本文字数:6361 字

    阅读完需:约 21 分钟

1 先导


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Java 线程基础主要包含如下知识点,相信我们再面试的过程中,经常会遇到类似的提问。


1、线程有哪几种状态? 线程之间如何转变?

2、线程有哪几种实现方式? 各优缺点?

3、线程的基本操作(线程管理机制)有哪些?

4、线程如何中断?

5、线程有几种互斥同步方式? 如何选择?

6、线程之间的协作方式(通信和协调)?


下面我们 一 一 解读。


2 线程的状态和流转


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2.1 新建(New)


如上图,创建完线程,但尚未启动。


2.2 可运行(Runnable)


如上图,处于可运行阶段,正在运行,或者正在等待 CPU 时间片。包含了 Running 和 Ready 两种线程状态。


2.3 阻塞(Blocking)


如上图,正被 Lock 住,等待获取一个排它锁,如果其他的线程释放了锁,该状态就会结束。


2.4 无限期等待(Waiting)


如上图,处在无限期等待阶段,等待其它线程显式地唤醒,否则不会被分配 CPU 时间片。主要有两种方式进行释放:


  • 调用方的线程执行完成

  • 使用 Object.notify() / Object.notifyAll()进行显性唤醒


2.5 限期等待(Timed Waiting)


如上图,因为有时间控制,所以无需等待其它线程显式地唤醒,一定时间之后,系统会自动唤醒。所以他有三种方式进行释放:主要有两种方式进行释放:


  • 调用方的线程执行完成

  • 使用 Object.notify() / Object.notifyAll()进行显性唤醒

  • 时间到结束 Thread.sleep()Object.wait() 方法,带 Timeout 参数 Thread.join() 方法,带 Timeout 参数


2.6 死亡(Terminated)


  • 线程结束任务之后结束

  • 产生了异常并结束


3 线程实现方式


在 Java 中,线程的实现方式主要有两种:继承Thread类和实现Runnable接口。此外,Java 5 开始,引入了java.util.concurrent包,提供了更多的并发工具,如Callable接口与Future接口,它们主要用于任务执行。


3.1 继承 Thread 类


通过继承Thread类来创建线程是最基本的方式。你需要创建一个扩展自Thread类的子类,并重写其run()方法。然后,可以创建该子类的实例来创建新的线程。


class MyThread extends Thread {    public void run() {        System.out.println("线程运行中");    }}
public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { MyThread t = new MyThread(); t.start(); // 调用start()方法来启动线程 }}
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3.2 实现 Runnable 接口


另一种方式是让你的类实现Runnable接口,并实现run()方法。然后,你可以创建Thread类的实例,将实现了Runnable接口的类的实例作为构造参数传递给它。


class MyRunnable implements Runnable {    public void run() {        System.out.println("线程运行中");    }}
public class RunnableDemo { public static void main(String[] args) { Thread t = new Thread(new MyRunnable()); t.start(); // 调用start()方法来启动线程 }}
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3.3 使用 Callable 和 Future


虽然CallableFuture不是直接用于创建线程的,但它们提供了一种更灵活的方式来处理线程执行的结果。Callable类似于Runnable,但它可以返回一个结果,并且可以抛出异常。Future用于获取Callable执行的结果。


import java.util.concurrent.*;
class MyCallable implements Callable<String> { public String call() throws Exception { return "任务完成"; }}
public class CallableDemo { public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor(); Future<String> future = executor.submit(new MyCallable()); System.out.println(future.get()); // 阻塞等待获取结果 executor.shutdown(); }}
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3.4 优缺点解读


  • 继承 Thread 类:简单直观,但 Java 不支持多重继承,如果类已经继承了其他类,则不能再用这种方式。另外继承整个 Thread 类开销过大,太重了。

  • 实现 Runnable 接口:更加灵活,推荐的方式。

  • Callable 和 Future:提供了更为强大的功能,例如返回执行结果和抛出异常,但通常用于与ExecutorService等高级并发工具一起使用。


4 线程管理机制


Java 中的线程管理机制非常强大,涵盖了从简单的线程创建到复杂的线程池管理等多个方面。


4.1 Executor 框架


Executor 框架是 Java 并发包(java.util.concurrent)中的一个关键组件,它提供了一种更高级别的抽象来管理线程池。通过使用 Executor,你可以更容易地控制线程的创建、执行、调度、生命周期等。它主要有三种类型:


  1. CachedThreadPool: 一个任务创建一个线程

  2. FixedThreadPool: 所有任务只能使用固定大小的线程

  3. SingleThreadExecutor: 单个线程,相当于大小为 1 的 FixedThreadPool。


  • 优点:提高程序性能和响应速度,通过复用线程来减少线程创建和销毁的开销,简化并发编程。

  • 使用示例


ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);for (int i = 0; i < 10; i++) {    Runnable worker = new WorkerThread("" + i);    executor.execute(worker);}executor.shutdown();
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4.2 守护线程(Daemon Threads)


守护线程是一种特殊的线程,它主要用于程序中“后台”任务的支持。守护线程与普通线程的区别在于,当程序中所有非守护线程结束时,JVM 会自动退出,即使还有守护线程在运行。守护线程常用于垃圾回收、JVM 内部的监控等任务。设置守护线程:通过调用线程对象的 setDaemon(true) 方法,在启动线程之前将其设置为守护线程。


 Thread thread = new Thread(new MyRunnable()); thread.setDaemon(true);
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4.3 sleep() 方法


sleep() 方法是 Thread 类的一个静态方法,用于让当前正在执行的线程暂停执行指定的时间(毫秒),以毫秒为单位。在指定的时间过去后,线程将回到可运行状态,等待 CPU 的调度。


  • 用途:常用于线程间的简单同步。

  • 注意sleep() 方法不会释放锁(如果当前线程持有锁的话)。

  • 示例


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


yield() 方法也是 Thread 类的一个静态方法,它告诉调度器当前线程愿意放弃当前处理器的使用,但这并不意味着线程会立即停止执行或进入等待/阻塞状态。调度器可以忽略这个提示,继续让当前线程运行。


  • 用途:提示调度器让出 CPU 时间,但具体是否让出取决于调度器的实现。

  • 注意yield() 方法不会使线程进入阻塞状态,也不会释放锁(如果持有的话),类似仅建议。

  • 示例

Thread.yield();
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5 线程中断方式


在 Java 中,线程中断是一种重要的线程间通信机制,用于通知线程应该停止当前正在执行的任务。线程中断的方式主要有以下几种:


5.1 使用interrupt()方法


interrupt()方法是 Java 推荐的线程中断方式。它并不会直接停止线程,而是设置线程的中断状态为 true。线程需要定期检查这个中断状态(通过isInterrupted()方法),并根据需要自行决定如何响应中断请求,比如退出循环、释放资源等。


  • 优点:安全、灵活,符合 Java 的并发编程理念。

  • 示例


Thread thread = new Thread(() -> {    while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {        // 执行任务    }    // 线程中断后的清理工作});thread.start();// 稍后中断线程thread.interrupt()
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5.2 使用Executor的中断操作


  1. 调用 Executor 的 shutdown() 方法,会等待线程都执行完毕之后再关闭

  2. 调用 Executor 的 shutdownNow() 方法,则相当于直接调用具体线程的 interrupt() 方法


6 线程互斥同步方式


Java 中的线程互斥同步是并发编程中的一个重要概念,用于保证多个线程在访问共享资源时的互斥性,即同一时间只有一个线程能够访问某个资源。Java 提供了多种机制来实现线程的互斥同步,主要包括以下几种方式:


6.1 synchronized 关键字


1. 基本概念

synchronized 是 Java 中最基本的同步机制,它可以用来修饰方法或代码块。当一个线程访问一个被 synchronized 修饰的方法或代码块时,其他试图访问该方法或代码块的线程将被阻塞,直到当前线程执行完毕释放锁。


2. 使用方法

  • 修饰方法:直接在方法声明上加上 synchronized 关键字,例如public synchronized void method() {...}

  • 修饰代码块:将需要同步的代码放在 synchronized(对象) {...}中,这里的对象就是锁对象,例如synchronized(this) {...}synchronized(某个对象) {...}


3. 特性

  • 可见性:synchronized 不仅保证了互斥性,还保证了变量的可见性。当一个线程释放锁时,会将锁变量的值刷新到主存储器中,从而使其他线程可以看到最新的变量值。

  • 可重入性:synchronized 支持可重入性,即同一个线程可以多次获取同一个锁,而不会导致死锁。


4. 示例


public class Counter {      private int count = 0;        // synchronized修饰方法      public synchronized void increment() {          count++;      }        public synchronized int getCount() {          return count;      }  }    public class TestSynchronized {      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {          Counter counter = new Counter();            Thread t1 = new Thread(() -> {              for (int i = 0; i < 10; i++) {                  counter.increment();              }          });            Thread t2 = new Thread(() -> {              for (int i = 0; i < 10; i++) {                  counter.increment();              }          });            t1.start();          t2.start();            t1.join();          t2.join();            System.out.println("Final count: " + counter.getCount());      }  }
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6.2 ReentrantLock 类


  • 基本概念:ReentrantLock 是 java.util.concurrent.locks 包中的一个可重入锁,它提供了比 synchronized 更灵活的锁定机制。


  • 使用方法:创建锁对象:ReentrantLock lock = new ReentrantLock();加锁:lock.lock();释放锁:通常将释放锁的代码放在 finally 块中,以确保锁一定会被释放,例如try {...} finally { lock.unlock(); }


  • 特性:支持公平锁和非公平锁:通过构造器参数可以指定使用哪种锁,默认是非公平锁。支持尝试获取锁:提供了tryLock()等方法,尝试获取锁,如果获取不到则不会阻塞线程。支持中断锁定的线程:与 synchronized 不同,ReentrantLock 的锁可以被中断。


import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;    public class CounterWithLock {      private int count = 0;      private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 创建ReentrantLock对象        public void increment() {          lock.lock(); // 加锁          try {              count++;          } finally {              lock.unlock(); // 释放锁,放在finally块中确保一定会被释放          }      }        public int getCount() {          lock.lock(); // 加锁          try {              return count;          } finally {              lock.unlock(); // 释放锁          }      }  }    public class TestReentrantLock {      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {          CounterWithLock counter = new CounterWithLock();            Thread t1 = new Thread(() -> {              for (int i = 0; i < 10000; i++) {                  counter.increment();              }          });            Thread t2 = new Thread(() -> {              for (int i = 0; i < 10000; i++) {                  counter.increment();              }          });            t1.start();          t2.start();            t1.join();          t2.join();            System.out.println("Final count: " + counter.getCount());      }  }
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6.3 对比


对于大多数简单场景,synchronized 关键字是最直接、最简单的选择;而对于需要更灵活控制锁的场景,则可以考虑使用 ReentrantLock 等高级同步机制。


7 线程协作(通信)方案


Java 中线程之间的协作主要可以通过多种机制实现,其中等待/通知机制(wait/notify/notifyAll)和join方法是两种常用的方式。下面我将分别给出这两种方式的简单代码示例。


7.1 等待/通知机制(wait/notify/notifyAll)


等待/通知机制依赖于 Java 中的Object类,因为wait()notify(), 和 notifyAll() 方法都定义在Object类中。这些方法必须在同步块或同步方法中被调用,因为它们是用来控制对某个对象的访问的。

示例代码


public class WaitNotifyExample {    private final Object lock = new Object();    private boolean ready = false;
public void doWait() { synchronized (lock) { while (!ready) { try { lock.wait(); // 当前线程等待 } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); // 保持中断状态 } } // 当ready为true时,继续执行 } }
public void doNotify() { synchronized (lock) { ready = true; lock.notify(); // 唤醒在此对象监视器上等待的单个线程 // 或者使用 lock.notifyAll(); 唤醒所有等待的线程 } }
public static void main(String[] args) { WaitNotifyExample example = new WaitNotifyExample();
Thread t1 = new Thread(() -> { System.out.println("Thread 1 is waiting"); example.doWait(); System.out.println("Thread 1 is proceeding"); });
Thread t2 = new Thread(() -> { try { Thread.sleep(1000); // 假设t2需要一些时间来完成准备工作 } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } System.out.println("Thread 2 is notifying"); example.doNotify(); });
t1.start(); t2.start(); }}
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在这个例子中,t1线程在doWait()方法中等待,直到t2线程调用doNotify()方法并设置readytruet2线程模拟了一些准备工作,并在之后唤醒t1


7.2 Join 方法


join方法是Thread类的一个方法,用于让当前线程等待另一个线程完成其执行。

示例代码


public class JoinExample {    public static void main(String[] args) {        Thread t1 = new Thread(() -> {            try {                Thread.sleep(1000); // 假设t1执行需要一些时间            } catch (InterruptedException e) {                Thread.currentThread().interrupt();            }            System.out.println("Thread 1 completed");        });
t1.start();
try { t1.join(); // 当前线程(main线程)等待t1完成 } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); }
System.out.println("Thread 1 has joined, continuing main thread"); }}
复制代码


在这个例子中,main线程启动了一个新线程t1,并通过调用t1.join()等待t1完成。t1线程在完成后会打印一条消息,而main线程会在t1完成后继续执行并打印另一条消息。


文章转载自:Hello-Brand

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