【Java】多線程其實可以設置優先級

Java優先級

Java提供一個線程調度器來監視和控制Runnable狀態的線程。線程的調度策略採用搶佔式，優先級高的線程比優先級低的線程優先執行。在優先級相同的情況下，按照“先到先服務”的原則。

每個Java程序都有一個默認的主線程，就是通過JVM啓動的第一個線程。對於應用程序，主線程執行的是main()方法。對於Applet主線程是指瀏覽器加載並執行小應用程序的那一個線程。

子線程是由應用程序創建的線程。

還有一種線程稱爲守護現成（Daemon），這是一種用於監視其他線程工作的服務線程，優先級爲最低。

Thread 類中，使用如下屬性來代表優先級。

private int priority;

我們可以通過 setPriority(int newPriority) 來設置新的優先級，通過 getPriority() 來獲取線程的優先級。

有些資料通過下面的例子就得出了一個結論：Java 線程默認優先級是 5。

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

 打印結果：

5

其實這是大錯特錯的，只是看到了表面，看看下面的例子，我們把當前線程的優先級改爲 4，發現子線程 thread 的優先級也是 4。

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

打印結果：

4

這啪啪啪打臉了，如果是線程默認優先級是 5，我們新創建的 thread 線程，沒設置優先級，理應是 5，但實際是 4。我們看看 Thread 初始化 priority 的源代碼。

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

原來，線程默認的優先級是繼承父線程的優先級，上面例子我們把父線程的優先級設置爲 4，所以導致子線程的優先級也變成 4。

嚴謹一點說，子線程默認優先級和父線程一樣，Java 主線程默認的優先級是 5。

Java 中定義了 3 種優先級，分別是最低優先級（1）、正常優先級（5）、最高優先級（10），代碼如下所示。Java 優先級範圍是 [1, 10]，設置其他數字的優先級都會拋出 IllegalArgumentException 異常。

/**
 * 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;

接下來說說線程優先級的作用。先看下面代碼，代碼邏輯是創建了 3000 個線程，分別是： 1000 個優先級爲 1 的線程， 1000 個優先級爲 5 的線程，1000 個優先級爲 10 的線程。用 minTimes 來記錄 1000 個 MIN_PRIORITY 線程運行時時間戳之和，用 normTimes 來記錄 1000 個 NORM_PRIORITY 線程運行時時間戳之和，用 maxTimes 來記錄 1000 個 MAX_PRIORITY 線程運行時時間戳之和。通過統計每個優先級的運行的時間戳之和，值越小代表的就是越優先執行。我們運行看看。

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 統計：" + maxTimes.get());
        System.out.println("normPriority 統計：" + normTimes.get());
        System.out.println("minPriority 統計：" + minTimes.get());
        System.out.println("普通優先級與最高優先級相差時間：" + (normTimes.get() - maxTimes.get()) + "ms");
        System.out.println("最低優先級與普通優先級相差時間：" + (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;
            }
        }
    }
}

執行結果如下：

# 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 統計：1568986695523243
normPriority 統計：1568986695526080
minPriority 統計：1568986695545414
普通優先級與最高優先級相差時間：2837ms
最低優先級與普通優先級相差時間：19334ms

我們一起來分析一下結果。先看看第一部分，最開始執行的線程高優先級、普通優先級、低優先級都有，最後執行的線程也都有各個優先級的，這說明了：優先級高的線程不代表一定比優先級低的線程優先執行。也可以換另一種說法：代碼執行順序跟線程的優先級無關。看看第二部分的結果，我們可以發現最高優先級的 1000 個線程執行時間戳之和最小，而最低優先級的 1000 個線程執行時間戳之和最大，因此可以得知：一批高優先級的線程會比一批低優先級的線程優先執行，即高優先級的線程大概率比低優先的線程優先獲得 CPU 資源。

各操作系統中真有 10 個線程等級麼？

Java 作爲跨平臺語言，線程有 10 個等級，但是映射到不同操作系統的線程優先級值不一樣。接下來教大家怎麼在 OpenJDK 源碼中查各個操作系統中線程優先級映射的值。

1.看到 Thread 源代碼，設置線程優先級最終調用了本地方法 setPriority0()；

private native void setPriority0(int newPriority);

2.接着我們在 OpenJDK 的 Thread.c 代碼中找到 setPriority0() 對應的方法 JVM_SetThreadPriority；

static JNINativeMethod methods[] = {
    ...
    {"setPriority0",     "(I)V",       (void *)&JVM_SetThreadPriority},
    ...
};

3.我們根據 JVM_SetThreadPriority 找到 jvm.cpp 中對應的代碼段；

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

4.根據第 3 步中的代碼，我們可以發現關鍵是 java_lang_Thread::set_Priority() 這段代碼，繼續找 thread.cpp 代碼中的 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);
}

5.發現上面代碼最終調用的是 os::set_priority()，接着繼續找出 os.cpp 的 set_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;
  }
}

6.終於發現了最終轉換爲各操作系統的優先級代碼 java_to_os_priority[p]，接下來就是找各個操作系統下的該數組的值。比如下面是 Linux 系統的優先級值。

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，大家應該知道怎麼找出 Java 線程優先級 [1,10] 一一對應各個操作系統中的優先級值。下面給大家統計一下。

Java 線程優先級	Linux	Windows	Apple	Bsd	Solaris
1	4	THREAD_PRIORITY_LOWEST(-2)	27	0	0
2	3	THREAD_PRIORITY_LOWEST(-2)	28	3	32
3	2	THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL(-1)	29	6	64
4	1	THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL(-1)	30	10	96
5	0	THREAD_PRIORITY_NORMAL(0)	31	15	127
6	-1	THREAD_PRIORITY_NORMAL(0)	32	18	127
7	-2	THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL(1)	33	21	127
8	-3	THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL(1)	34	25	127
9	-4	THREAD_PRIORITY_HIGHEST(2)	35	28	127
10	-5	THREAD_PRIORITY_HIGHEST(2)	36	31	127

 

我們從這個表格中也可以發現一些問題，即使我們在 Java 代碼中設置了比較高的優先級，其實映射到操作系統的線程裏面，並不一定比設置了低優先級的線程高，很有可能是相同的優先級。看看 Solaris 操作系統 這個極端的例子，優先級 5 到 10 映射的是相同的線程等級。

回頭想想上面的例子爲什麼 3000 個線程，MAX_PRIORITY 優先級的 1000 個線程會優先執行呢？因爲我們的 3 個優先級分別映射到 Windows 操作系統線程的 3 個不同的等級，所以纔會生效。假設將 1、5、10 改成 5、6、7，運行結果那就不大一樣了。