源码进阶之线程
写在前面
多线程是java核心知识体系之一,也是面试中常被问到的知识点,本次我将结合源码,学习和总结多线程的相关知识。
首先线程是什么?有什么作用?
线程(Thread)是程序执行的最小单元,它依托进程而存在。一个进程中可以包含多个线程,多线程可以共享一块内存空间和一组系统资源,因此线程之间的切换更加节省资源、更加轻量化,也因此被称为轻量级的进程。同样线程也是是并发编程的基础。多线程可以有效地提高程序的整体运行速度。
下面将学习线程的相关知识。
1.线程都有哪些状态?
在Thread 的源码中,它总共包含以下 6 个状态:
NEW,新建状态,线程被创建出来,但尚未启动时的线程状态;
RUNNABLE,就绪状态,表示可以运行的线程状态,它可能正在运行,或者是在排队等待操作系统给它分配 CPU 资源;
BLOCKED,阻塞等待锁的线程状态,表示处于阻塞状态的线程正在等待监视器锁,比如等待执行 synchronized 代码块或者使用 synchronized 标记的方法;
WAITING,等待状态,一个处于等待状态的线程正在等待另一个线程执行某个特定的动作,比如,一个线程调用了 Object.wait() 方法,那它就在等待另一个线程调用 Object.notify() 或 Object.notifyAll() 方法;
TIMED_WAITING,计时等待状态,和等待状态(WAITING)类似,它只是多了超时时间,比如调用了有超时时间设置的方法 Object.wait(long timeout) 和 Thread.join(long timeout) 等这些方法时,它才会进入此状态;
TERMINATED,终止状态,表示线程已经执行完成。
2.线程的工作模式是什么?
首先先要创建线程并指定线程需要执行的业务方法,然后再调用线程的 start() 方法,此时线程就从 NEW(新建)状态变成了 RUNNABLE(就绪)状态,此时线程会判断要执行的方法中有没有 synchronized 同步代码块,如果有并且其他线程也在使用此锁,那么线程就会变为 BLOCKED(阻塞等待)状态,当其他线程使用完此锁之后,线程会继续执行剩余的方法。
当遇到 Object.wait() 或 Thread.join() 方法时,线程会变为 WAITING(等待状态)状态,如果是带了超时时间的等待方法,那么线程会进入 TIMED_WAITING(计时等待)状态,当有其他线程执行了 notify() 或 notifyAll() 方法之后,线程被唤醒继续执行剩余的业务方法,直到方法执行完成为止,此时整个线程的流程就执行完毕。
线程的执行流程图如下所示:
前面提到了,线程是面试中最常被问到的问题,那么下面将结合一些面试的问题来总结下线程的相关知识点。
1.start() 和 run() 的区别?
首先从 Thread 源码来看,start() 方法属于 Thread 自身的方法,并且使用了 synchronized 来保证线程安全,源码如下:
public synchronized void start() {
// 状态验证,不等于 NEW 的状态会抛出异常
if (threadStatus != 0)
throw new IllegalThreadStateException();
// 通知线程组,此线程即将启动
group.add(this);
boolean started = false;
try {
start0();
started = true;
} finally {
try {
if (!started) {
group.threadStartFailed(this);
}
} catch (Throwable ignore) {
// 不处理任何异常,如果 start0 抛出异常,则它将被传递到调用堆栈上
}
}
}
run() 方法为 Runnable 的抽象方法,必须由调用类重写此方法,重写的 run() 方法其实就是此线程要执行的业务方法,源码如下:
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();
}
从执行的效果来说,start() 方法可以开启多线程,让线程从 NEW 状态转换成 RUNNABLE 状态,而 run() 方法只是一个普通的方法。
其次,它们可调用的次数不同,start() 方法不能被多次调用,否则会抛出 java.lang.IllegalStateException;而 run() 方法可以进行多次调用,因为它只是一个普通的方法而已。
2.BLOCKED 和 WAITING 的区别
虽然 BLOCKED 和 WAITING 都有等待的含义,但二者有着本质的区别;
首先它们状态形成的调用方法不同,
其次 BLOCKED 可以理解为当前线程还处于活跃状态,只是在阻塞等待其他线程使用完某个锁资源;而 WAITING 则是因为自身调用了 Object.wait() 或着是 Thread.join() 又或者是 LockSupport.park() 而进入等待状态,只能等待其他线程执行某个特定的动作才能被继续唤醒,比如当线程因为调用了 Object.wait() 而进入 WAITING 状态之后,则需要等待另一个线程执行 Object.notify() 或 Object.notifyAll() 才能被唤醒。
3.线程执行的优先级是怎样的?
在 Thread 源码中和线程优先级相关的属性有 3 个:
// 线程可以拥有的最小优先级
public final static int MIN_PRIORITY = 1;
// 线程默认优先级
public final static int NORM_PRIORITY = 5;
// 线程可以拥有的最大优先级
public final static int MAX_PRIORITY = 10
线程的优先级可以理解为线程抢占 CPU 时间片的概率,优先级越高的线程优先执行的概率就越大,但并不能保证优先级高的线程一定先执行。
在程序中我们可以通过 Thread.setPriority() 来设置优先级,setPriority() 源码如下:
public final void setPriority(int newPriority) {
ThreadGroup g;
checkAccess();
// 先验证优先级的合理性
if (newPriority > MAX_PRIORITY || newPriority < MIN_PRIORITY) {
throw new IllegalArgumentException();
}
if((g = getThreadGroup()) != null) {
// 优先级如果超过线程组的最高优先级,则把优先级设置为线程组的最高优先级
if (newPriority > g.getMaxPriority()) {
newPriority = g.getMaxPriority();
}
setPriority0(priority = newPriority);
}
}
4.说说线程有哪些常用的方法?
(1)join()
在一个线程中调用 other.join() ,这时候当前线程会让出执行权给 other 线程,直到 other 线程执行完或者过了超时时间之后再继续执行当前线程,join() 源码如下:
public final synchronized void join(long millis)
throws InterruptedException {
long base = System.currentTimeMillis();
long now = 0;
// 超时时间不能小于 0
if (millis < 0) {
throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
}
// 等于 0 表示无限等待,直到线程执行完为之
if (millis == 0) {
// 判断子线程 (其他线程) 为活跃线程,则一直等待
while (isAlive()) {
wait(0);
}
} else {
// 循环判断
while (isAlive()) {
long delay = millis - now;
if (delay <= 0) {
break;
}
wait(delay);
now = System.currentTimeMillis() - base;
}
}
}
从源码中可以看出 join() 方法底层还是通过 wait() 方法来实现的。
(2)yield()
看 Thread 的源码可以知道 yield() 为本地方法,也就是说 yield() 是由 C 或 C++ 实现的,源码如下:
public static native void yield();
yield() 方法表示给线程调度器一个当前线程愿意出让 CPU 使用权的暗示,但是线程调度器可能会忽略这个暗示。
5.sleep()和yield()方法的区别
sleep()和yield()都是Thread类中的静态方法,都会使得当前处于运行状态的线程放弃CPU,但是两者的区别还是有比较大的:
sleep使当前线程(即调用sleep方法的线程暂停一段时间),给其它的线程运行的机会,而且是不考虑其它线程的优先级且不释放资源锁,也就是说如果有synchronized同步块,其它线程仍然是不能访问共享数据的;yeild只会让位给优先级一样或者比它优先级高的线程,而且不能由用户指定暂停多长时间
当线程执行了sleep方法之后,线程将转入到睡眠状态,直到时间结束,而执行yield方法,直接转入到就绪状态。这些对线程的生命周期会造成影响的。
sleep方法需要抛出或者捕获异常,因为线程在睡眠中可能被打断,而yield方法则没异常。