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进程与线程

进程

• 程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至 CPU，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的
• 当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程

线程

• 一个进程之内可以分为一到多个线程。
• 一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行
• Java 中，线程作为最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。 在 windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器

进程与线程的区别

• 进程基本上相互独立的，而线程存在于进程内，是进程的一个子集
• 进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享
• 进程间通信较为复杂
  • 同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）
  • 不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP
• 线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量
• 线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低

并行与并发

单核 cpu 下，线程实际还是 串行执行 的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 cpu 的时间片（windows下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于 cpu 在线程间（时间片很短）的切换非常快，人类感觉是 同时运行的 。总结为一句话就是： 微观串行，宏观并行 。一般会将这种 线程轮流使用 CPU 的做法称为并发 （concurrent）

多核 cpu下，每个 核（core） 都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的。

Java 线程

创建和运行线程

• 直接使用 Thread

package create;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.ThreadCre")
public class ThreadCre {
    public static void main(String[] args) {

        Thread t = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running");
            }
        };

        t.start();

        log.debug("running");

    }
}

• 使用 Runnable 配合 Thread

package create;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.RunnableCre")
public class RunnableCre {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running");
            }
        };

        Thread t = new Thread(r,"t2");

        t.start();
    }
}

使用 lambda 方式简化

package create;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.RunnableCre")
public class RunnableCre {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = () -> { log.debug("running"); };

        Thread t = new Thread(r,"t2");

        t.start();
    }
}

• FutureTask 配合 Thread

package create;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

@Slf4j(topic = "c.FutureTaskCre")
public class FutureTaskCre {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        FutureTask task = new FutureTask<>(new Callable() {
 @Override
 public Integer call() throws Exception {
 log.debug("running...");
 Thread.sleep(1000);
 return 100;
 }
 });

 Thread t = new Thread(task,"t1");
 t.start();

 log.debug("{}",task.get());
 }
}

Thread 与 Runnable 的关系

• 用 Runnable 更容易与线程池等高级 API 配合
• 用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活

线程运行的原理

栈与栈帧

每个线程启动后，虚拟机就会为其分配一块栈内存。

• 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
• 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

线程上下文切换

因为以下一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码

• 线程的 cpu 时间片用完
• 垃圾回收
• 有更高优先级的线程需要运行
• 线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法

当 Context Switch 发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应的概念就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条 jvm 指令的执行地址，是线程私有的

• 状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等
• Context Switch 频繁发生会影响性能

常见方法

start 与 run

调用 run

public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread("t1") {
        @Override
        public void run() {
            log.debug(Thread.currentThread().getName());
            FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH);
        }
    };

    t1.run();
    log.debug("do other things ...");
}

输出

19:39:14 [main] c.TestStart - main
19:39:14 [main] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
19:39:18 [main] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4227 ms
19:39:18 [main] c.TestStart - do other things ...

程序仍在 main 线程运行， FileReader.read() 方法调用还是同步的

总结

• 直接调用 run 是在主线程中执行了 run，没有启动新的线程
• 使用 start 是启动新的线程，通过新的线程间接执行 run 中的代码

sleep 与 yield

sleep

• 调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
• 其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛出 InterruptedException
• 睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行（抢占时间片）
• 建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性

yield

• 调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态，然后调度执行其它线程
• 具体的实现依赖于操作系统的任务调度器

线程优先级

• 线程优先级会提示（hint）调度器优先调度该线程，但它仅仅是一个提示，调度器可以忽略它
• 如果 cpu 比较忙，那么优先级高的线程会获得更多的时间片，但 cpu 闲时，优先级几乎没作用

join

等待一个线程执行结束

等待多个线程的结果

情况一：

package testJoin;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.demo1")
public class demo1 {

    static int r = 0 , r1 = 0 , r2 = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        test2();
    }

    private static void test2() throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
                r1 = 10;
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                r1 = 20;
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long start = System.currentTimeMillis();
        t1.start();
        t2.start();
        log.debug("join begin");
        t1.join();
        log.debug("t1 join end");
        t2.join();
        log.debug("t2 join end");
        long end = System.currentTimeMillis();
        log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}",r1,r2,end-start);
    }
}

输出：

14:18:02 [main] c.demo1 - join begin
14:18:03 [main] c.demo1 - t1 join end
14:18:04 [main] c.demo1 - t2 join end
14:18:04 [main] c.demo1 - r1: 20 r2: 0 cost: 2008

情况二：

package testJoin;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.demo1")
public class demo1 {

    static int r = 0 , r1 = 0 , r2 = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        test2();
    }

    private static void test2() throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
                r1 = 10;
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                r1 = 20;
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long start = System.currentTimeMillis();
        t1.start();
        t2.start();
        log.debug("join begin");
        t2.join();
        log.debug("t2 join end");
        t1.join();
        log.debug("t1 join end");
        long end = System.currentTimeMillis();
        log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}",r1,r2,end-start);
    }
}

输出：

14:19:19 [main] c.demo1 - join begin
14:19:21 [main] c.demo1 - t2 join end
14:19:21 [main] c.demo1 - t1 join end
14:19:21 [main] c.demo1 - r1: 20 r2: 0 cost: 2006

另外 join 也可以带参数，是有时效的等待。当到设定时间线程还未给出结果，直接向下运行，不再等待。如果设定时间还没到但是线程已经执行完毕，则直接向下执行，不再等待。

interrupt

打断 sleep，wait，join 的线程

这几个方法都会让线程进入阻塞状态

打断 sleep 的线程, 会清空打断状态，以 sleep 为例

package testInterrupt;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.demo1")
public class demo1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("sleep...");
            try {
                Thread.sleep(5000);
                //注意：sleep，wait，join等被打断并以异常形式表现出来后
                // 会把打断标记重新置为 false（未打断状态）
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"t1");

        t1.start();
        Thread.sleep(1000);
        log.debug("interrupt");
        t1.interrupt();
        log.debug("打断标记：{}",t1.isInterrupted());
    }
}

输出：

15:08:12 [t1] c.demo1 - sleep...
15:08:13 [main] c.demo1 - interrupt
15:08:13 [main] c.demo1 - 打断标记：false
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at testInterrupt.demo1.lambda$main$0(demo1.java:11)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

Process finished with exit code 0

打断正常运行的线程打断标记置为：true

package testInterrupt;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.demo2")
public class demo2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while (true){
                boolean interrupted = Thread.currentThread().isInterrupted();
                if(interrupted){
                    log.debug("被打断了，退出循环");
                    break;
                }
            }
        },"t1");
        t1.start();

        Thread.sleep(1000);
        log.debug("interrupt");
        t1.interrupt();
    }
}

输出：

15:17:40 [main] c.demo2 - interrupt
15:17:40 [t1] c.demo2 - 被打断了，退出循环

打断 park 线程

package testInterrupt;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

@Slf4j(topic = "c.demo4")
public class demo4 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("park...");
            LockSupport.park();
            log.debug("unpark...");
            log.debug("打断状态：{}",Thread.currentThread().isInterrupted());
        },"t1");

        t1.start();

        Thread.sleep(1000);
        t1.interrupt();
    }
}

输出：

14:16:21 [t1] c.demo4 - park...
14:16:22 [t1] c.demo4 - unpark...
14:16:22 [t1] c.demo4 - 打断状态：true

两阶段终止模式

package testInterrupt;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.demo3")
public class demo3 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TwoPhaseTermination tpt = new TwoPhaseTermination();
        tpt.start();
        Thread.sleep(3500);
        tpt.stop();
    }
}

@Slf4j(topic = "c.TwoPhaseTermination")
class TwoPhaseTermination{
    private Thread monitor;

    //启动监控线程
    public void start(){
        monitor = new Thread(() -> {
            while (true){
                Thread current = Thread.currentThread();
                if(current.isInterrupted()){
                    log.debug("料理后事");
                    break;
                }
                try {
                    Thread.sleep(1000);//情况1
                    log.debug("执行监控记录");//情况2
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                    //重新设置打断标记
                    current.interrupt();
                }
            }
        });

        monitor.start();
    }

    //终止监控线程
    public void stop(){

        monitor.interrupt();
    }
}

输出：

15:33:02 [Thread-0] c.TwoPhaseTermination - 执行监控记录
15:33:03 [Thread-0] c.TwoPhaseTermination - 执行监控记录
15:33:04 [Thread-0] c.TwoPhaseTermination - 执行监控记录
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at testInterrupt.TwoPhaseTermination.lambda$start$0(demo3.java:29)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
15:33:04 [Thread-0] c.TwoPhaseTermination - 料理后事

Process finished with exit code 0

不推荐的方法

还有一些不推荐使用的方法，这些方法已过时，容易破坏同步代码块，造成线程死锁

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