源碼進階之線程

源碼進階之線程

寫在前面
  多線程是java核心知識體系之一，也是面試中常被問到的知識點，本次我將結合源碼，學習和總結多線程的相關知識。
  首先線程是什麼？有什麼作用？
  線程（Thread）是程序執行的最小單元，它依託進程而存在。一個進程中可以包含多個線程，多線程可以共享一塊內存空間和一組系統資源，因此線程之間的切換更加節省資源、更加輕量化，也因此被稱爲輕量級的進程。同樣線程也是是併發編程的基礎。多線程可以有效地提高程序的整體運行速度。
  下面將學習線程的相關知識。
  1.線程都有哪些狀態?
  在Thread 的源碼中，它總共包含以下 6 個狀態：
  NEW，新建狀態，線程被創建出來，但尚未啓動時的線程狀態；
  RUNNABLE，就緒狀態，表示可以運行的線程狀態，它可能正在運行，或者是在排隊等待操作系統給它分配 CPU 資源；
  BLOCKED，阻塞等待鎖的線程狀態，表示處於阻塞狀態的線程正在等待監視器鎖，比如等待執行 synchronized 代碼塊或者使用 synchronized 標記的方法；
  WAITING，等待狀態，一個處於等待狀態的線程正在等待另一個線程執行某個特定的動作，比如，一個線程調用了 Object.wait() 方法，那它就在等待另一個線程調用 Object.notify() 或 Object.notifyAll() 方法；
  TIMED_WAITING，計時等待狀態，和等待狀態（WAITING）類似，它只是多了超時時間，比如調用了有超時時間設置的方法 Object.wait(long timeout) 和 Thread.join(long timeout) 等這些方法時，它纔會進入此狀態；
  TERMINATED，終止狀態，表示線程已經執行完成。
  2.線程的工作模式是什麼？
  首先先要創建線程並指定線程需要執行的業務方法，然後再調用線程的 start() 方法，此時線程就從 NEW（新建）狀態變成了 RUNNABLE（就緒）狀態，此時線程會判斷要執行的方法中有沒有 synchronized 同步代碼塊，如果有並且其他線程也在使用此鎖，那麼線程就會變爲 BLOCKED（阻塞等待）狀態，當其他線程使用完此鎖之後，線程會繼續執行剩餘的方法。
  當遇到 Object.wait() 或 Thread.join() 方法時，線程會變爲 WAITING（等待狀態）狀態，如果是帶了超時時間的等待方法，那麼線程會進入 TIMED_WAITING（計時等待）狀態，當有其他線程執行了 notify() 或 notifyAll() 方法之後，線程被喚醒繼續執行剩餘的業務方法，直到方法執行完成爲止，此時整個線程的流程就執行完畢。
  線程的執行流程圖如下所示：

  前面提到了，線程是面試中最常被問到的問題，那麼下面將結合一些面試的問題來總結下線程的相關知識點。
  1.start() 和 run() 的區別？
  首先從 Thread 源碼來看，start() 方法屬於 Thread 自身的方法，並且使用了 synchronized 來保證線程安全，源碼如下：

public synchronized void start() {
    // 狀態驗證，不等於 NEW 的狀態會拋出異常
    if (threadStatus != 0)
        throw new IllegalThreadStateException();
    // 通知線程組，此線程即將啓動
    group.add(this);
    boolean started = false;
    try {
        start0();
        started = true;
    } finally {
        try {
            if (!started) {
                group.threadStartFailed(this);
            }
        } catch (Throwable ignore) {
            // 不處理任何異常，如果 start0 拋出異常，則它將被傳遞到調用堆棧上
        }
    }
}

  run() 方法爲 Runnable 的抽象方法，必須由調用類重寫此方法，重寫的 run() 方法其實就是此線程要執行的業務方法，源碼如下：

public class Thread implements Runnable {
 // 忽略其他方法......
  private Runnable target;
  @Override
  public void run() {
      if (target != null) {
          target.run();
      }
  }
}
@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

  從執行的效果來說，start() 方法可以開啓多線程，讓線程從 NEW 狀態轉換成 RUNNABLE 狀態，而 run() 方法只是一個普通的方法。
  其次，它們可調用的次數不同，start() 方法不能被多次調用，否則會拋出 java.lang.IllegalStateException；而 run() 方法可以進行多次調用，因爲它只是一個普通的方法而已。

  2.BLOCKED 和 WAITING 的區別
  雖然 BLOCKED 和 WAITING 都有等待的含義，但二者有着本質的區別;
  首先它們狀態形成的調用方法不同，
  其次 BLOCKED 可以理解爲當前線程還處於活躍狀態，只是在阻塞等待其他線程使用完某個鎖資源；而 WAITING 則是因爲自身調用了 Object.wait() 或着是 Thread.join() 又或者是 LockSupport.park() 而進入等待狀態，只能等待其他線程執行某個特定的動作才能被繼續喚醒，比如當線程因爲調用了 Object.wait() 而進入 WAITING 狀態之後，則需要等待另一個線程執行 Object.notify() 或 Object.notifyAll() 才能被喚醒。
  3.線程執行的優先級是怎樣的?
  在 Thread 源碼中和線程優先級相關的屬性有 3 個：

// 線程可以擁有的最小優先級
public final static int MIN_PRIORITY = 1;
// 線程默認優先級
public final static int NORM_PRIORITY = 5;
// 線程可以擁有的最大優先級
public final static int MAX_PRIORITY = 10

  線程的優先級可以理解爲線程搶佔 CPU 時間片的概率，優先級越高的線程優先執行的概率就越大，但並不能保證優先級高的線程一定先執行。
在程序中我們可以通過 Thread.setPriority() 來設置優先級，setPriority() 源碼如下：

public final void setPriority(int newPriority) {
    ThreadGroup g;
    checkAccess();
    // 先驗證優先級的合理性
    if (newPriority > MAX_PRIORITY || newPriority < MIN_PRIORITY) {
        throw new IllegalArgumentException();
    }
    if((g = getThreadGroup()) != null) {
        // 優先級如果超過線程組的最高優先級，則把優先級設置爲線程組的最高優先級
        if (newPriority > g.getMaxPriority()) {
            newPriority = g.getMaxPriority();
        }
        setPriority0(priority = newPriority);
    }
}

  4.說說線程有哪些常用的方法？
  （1）join()
  在一個線程中調用 other.join() ，這時候當前線程會讓出執行權給 other 線程，直到 other 線程執行完或者過了超時時間之後再繼續執行當前線程，join() 源碼如下：

public final synchronized void join(long millis)
throws InterruptedException {
    long base = System.currentTimeMillis();
    long now = 0;
    // 超時時間不能小於 0
    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }
    // 等於 0 表示無限等待，直到線程執行完爲之
    if (millis == 0) {
        // 判斷子線程 (其他線程) 爲活躍線程，則一直等待
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {
        // 循環判斷
        while (isAlive()) {
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}

  從源碼中可以看出 join() 方法底層還是通過 wait() 方法來實現的。

  （2）yield()

  看 Thread 的源碼可以知道 yield() 爲本地方法，也就是說 yield() 是由 C 或 C++ 實現的，源碼如下：

public static native void yield();

  yield() 方法表示給線程調度器一個當前線程願意出讓 CPU 使用權的暗示，但是線程調度器可能會忽略這個暗示。

  5.sleep()和yield()方法的區別
  sleep()和yield()都是Thread類中的靜態方法，都會使得當前處於運行狀態的線程放棄CPU，但是兩者的區別還是有比較大的：
  sleep使當前線程（即調用sleep方法的線程暫停一段時間），給其它的線程運行的機會，而且是不考慮其它線程的優先級且不釋放資源鎖，也就是說如果有synchronized同步塊，其它線程仍然是不能訪問共享數據的；yeild只會讓位給優先級一樣或者比它優先級高的線程，而且不能由用戶指定暫停多長時間
  當線程執行了sleep方法之後，線程將轉入到睡眠狀態，直到時間結束，而執行yield方法，直接轉入到就緒狀態。這些對線程的生命週期會造成影響的。
  sleep方法需要拋出或者捕獲異常，因爲線程在睡眠中可能被打斷，而yield方法則沒異常。