多线程篇1：java创建多线程以及线程状态

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程序三两行 2022-10-09 15:24:41 博主文章分类：javaweb开发 ©著作权

文章标签 jvm java 算法多线程等待状态 文章分类 虚拟化云计算

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一、概述

1、多任务

当我们打开电脑，可以一边打开qq音乐听歌，一边打开浏览器浏览网页，还算可以上qq聊天。电脑是同时可以执行多个任务的，

CPU执行代码都是一条一条顺序执行的，但是，即使是单核cpu，也可以同时运行多个任务。因为操作系统执行多任务实际上就是让CPU对多个任务轮流交替执行。

例如，假设我们有语文、数学、英语3门作业要做，每个作业需要30分钟。我们把这3门作业看成是3个任务，可以做1分钟语文作业，再做1分钟数学作业，再做1分钟英语作业：

这样轮流做下去，在某些人眼里看来，做作业的速度就非常快，看上去就像同时在做3门作业一样

类似的，操作系统轮流让多个任务交替执行，例如，让浏览器执行0.001秒，让QQ执行0.001秒，再让音乐播放器执行0.001秒，在人看来，CPU就是在同时执行多个任务。

2、进程和线程

计算中，把一个任务称为一个进程，如上面的qq是一个进程，浏览器也是一个进程，每个子任务称作一个线程，比如qq聊天打字的同时也可以接收消息，就是两个子任务即两个线程。

进程和线程的关系就是：一个进程可以包含一个或多个线程，但至少会有一个线程

操作系统调度的最小任务单位其实不是进程，而是线程。常用的Windows、Linux等操作系统都采用抢占式多任务，如何调度线程完全由操作系统决定，程序自己不能决定什么时候执行，以及执行多长时间。

因为同一个应用程序，既可以有多个进程，也可以有多个线程，因此，实现多任务的方法，有以下几种：

使用多进程
使用单进程多线程
使用多进程+多线程

具体采用哪种方式，要考虑到进程和线程的特点。

和多线程相比，多进程的缺点在于：

创建进程比创建线程开销大，尤其是在Windows系统上；
进程间通信比线程间通信要慢，因为线程间通信就是读写同一个变量，速度很快。

而多进程的优点在于：

多进程稳定性比多线程高，因为在多进程的情况下，一个进程崩溃不会影响其他进程，而在多线程的情况下，任何一个线程崩溃会直接导致整个进程崩溃。

3、多线程

Java语言内置了多线程支持：一个Java程序实际上是一个JVM进程，JVM进程用一个主线程来执行main()方法，在main()方法内部，我们又可以启动多个线程。此外，JVM还有负责垃圾回收的其他工作线程等。

因此，对于大多数Java程序来说，我们说多任务，实际上是说如何使用多线程实现多任务。

和单线程相比，多线程编程的特点在于：多线程经常需要读写共享数据，并且需要同步。例如，播放电影时，就必须由一个线程播放视频，另一个线程播放音频，两个线程需要协调运行，否则画面和声音就不同步。因此，多线程编程的复杂度高，调试更困难。

Java多线程编程的特点又在于：

多线程模型是Java程序最基本的并发模型；
后续读写网络、数据库、Web开发等都依赖Java多线程模型。

4、用户线程守护线程

Java中线程分为用户线程和守护线程两种。用户线程是用户自定义的线程，当主线程停止用户线程不会停止，守护线程当进程不存在或者主线程停止，守护线程也会停止，通过setDaemon(true)将一个线程设置为守护线程

5、什么是JUC

在 Java 中，线程部分是一个重点，本篇文章说的 J UC 也是关于线程的。 J UC 就是 java.util . concurrent 工具包的简称。这是一个处理线程的工具包， JDK 1 . 5 开始出现的。

6、串行、并发、并行

6.1、概念

串行：串行是一次只能取得一个任务，并执行这个任务

并发：指一个处理器同时处理多个任务。（不是真正的同时，而是看来是同时，因为cpu要在多个程序间切换）

多线程篇1：java创建多线程以及线程状态_等待状态

并行：指多个处理器或者是多核的处理器同时处理多个不同的任务。并发是逻辑上的同时发生（simultaneous），而并行是物理上的同时发生。

多线程篇1：java创建多线程以及线程状态_等待状态_02

并行，是每个cpu运行一个程序。

6.2、案例

1、并发，就像一个人（cpu）喂2个孩子（程序），轮换着每人喂一口，表面上两个孩子都在吃饭。并行，就是2个人喂2个孩子，两个孩子也同时在吃饭。

2、多个人同时做一件事，多个人同时做不同的事

二、多线程创建

1、继承Thread类

public class Test { public static void main(String[] args) { new MyThread().start(); for (int i = 0; i < 100; i++) { String log = String.format("线程%s(属于线程组%s)打印%d",Thread.currentThread().getName(), Thread.currentThread().getThreadGroup().getName(),i); System.out.println(log); } } } class MyThread extends Thread{ @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10000; i++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName()); } } }

2、实现Runbable接口

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //也可以直接使用lamda表达式
        Thread thread = new Thread(new MyThread(),"myThread");
        thread.start();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            String log = String.format("线程%s(属于线程组%s)打印%d",Thread.currentThread().getName(),
                    Thread.currentThread().getThreadGroup().getName(),i);
            System.out.println(log);
        }
    }
}
class MyThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        }
    }
}

Thread类常用的方法

currentThread()：静态⽅法，返回对当前正在执⾏的线程对象的引⽤；

start()：开始执⾏线程的⽅法，java虚拟机会调⽤线程内的run()⽅法；

yield()：yield在英语⾥有放弃的意思，同样，这⾥的yield()指的是当前线程愿意让出对当前处理器的占⽤。这⾥需要注意的是，就算当前线程调⽤了yield() ⽅法，程序在调度的时候，也还有可能继续运⾏这个线程的；

sleep()：静态⽅法，使当前线程睡眠⼀段时间；

Thread.setPriority(int n) // 1~10, 默认值5 可以对线程设定优先级，优先级高的线程被操作系统调度的优先级较高，操作系统对高优先级线程可能调度更频繁，但我们决不能通过设置优先级来确保高优先级的线程一定会先执行。

两种方式比较：

由于Java“单继承，多实现”的特性，Runnable接⼝使⽤起来⽐Thread更灵活。

Runnable接⼝出现更符合⾯向对象，将线程单独进⾏对象的封装。

Runnable接⼝出现，降低了线程对象和线程任务的耦合性。如果使⽤线程时不需要使⽤Thread类的诸多⽅法，显然使⽤Runnable接⼝更为轻量。

所以，我们通常优先使⽤“实现 Runnable 接⼝”这种⽅式来⾃定义线程类

三、线程状态

1、线程状态概述

在Java程序中，一个线程对象只能调用一次start()方法启动新线程，并在新线程中执行run()方法。一旦run()方法执行完毕，线程就结束了。因此，Java线程的状态有以下几种：

New：新创建的线程，尚未执行；
Runnable：运行中的线程，正在执行run()方法的Java代码；
Blocked：运行中的线程，因为某些操作被阻塞而挂起；
Waiting：运行中的线程，因为某些操作在等待中；
Timed Waiting：运行中的线程，因为执行sleep()方法正在计时等待；
Terminated：线程已终止，因为run()方法执行完毕。

其实java中关于线程状态在thread类是有一个枚举的，如下

public enum State {
 NEW,
 RUNNABLE,
 BLOCKED,
 WAITING,
 TIMED_WAITING,
 TERMINATED;
}

用一个状态转移图表示如下：

┌─────────────┐
         │     New     │
         └─────────────┘
                │
                ▼
┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐
 ┌─────────────┐ ┌─────────────┐
││  Runnable   │ │   Blocked   ││
 └─────────────┘ └─────────────┘
│┌─────────────┐ ┌─────────────┐│
 │   Waiting   │ │Timed Waiting│
│└─────────────┘ └─────────────┘│
 ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─
                │
                ▼
         ┌─────────────┐
         │ Terminated  │
         └─────────────┘

当线程启动后，它可以在Runnable、Blocked、Waiting和Timed Waiting这几个状态之间切换，直到最后变成Terminated状态，线程终止。

线程终止的原因有：

线程正常终止：run()方法执行到return语句返回；
线程意外终止：run()方法因为未捕获的异常导致线程终止；
对某个线程的Thread实例调用stop()方法强制终止（强烈不推荐使用）。

一个线程还可以等待另一个线程直到其运行结束。例如，main线程在启动t线程后，可以通过t.join()等待t线程结束后再继续运行：

public class Main {
     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
         Thread t = new Thread(() -> {
             System.out.println("hello");
         });
         System.out.println("start");
         t.start();
         t.join();
         System.out.println("end");
     }
 }

当main线程对线程对象t调用join()方法时，主线程将等待变量t表示的线程运行结束，即join就是指等待该线程结束，然后才继续往下执行自身线程。所以，上述代码打印顺序可以肯定是main线程先打印start，t线程再打印hello，main线程最后再打印end。

如果t线程已经结束，对实例t调用join()会立刻返回。此外，join(long)的重载方法也可以指定一个等待时间，超过等待时间后就不再继续等待。

2、具体转换

线程之间的具体转成如下表示

多线程篇1：java创建多线程以及线程状态_jvm_03

NEW

处于NEW状态的线程此时尚未启动。这⾥的尚未启动指的是还没调⽤Thread实例的start()⽅法

private void testStateNew() {
 Thread thread = new Thread(() -> {});
 System.out.println(thread.getState()); // 输出 NEW 
}

从上⾯可以看出，只是创建了线程⽽并没有调⽤start()⽅法，此时线程处于NEW状态。

关于start()的两个引申问题

1. 反复调⽤同⼀个线程的start()⽅法是否可⾏？

2. 假如⼀个线程执⾏完毕（此时处于TERMINATED状态），再次调⽤这个线程的start()⽅法是否可⾏？

public synchronized void start() {
        if (threadStatus != 0)
            throw new IllegalThreadStateException();
        group.add(this);

        boolean started = false;
        try {
            start0();
            started = true;
        } finally {
            try {
                if (!started) {
                    group.threadStartFailed(this);
                }
            } catch (Throwable ignore) {
               
            }
        }
    }

我们可以看到，在start()内部，这⾥有⼀个threadStatus的变量。如果它不等于0，调⽤start()是会直接抛出异常的。

我们接着往下看，有⼀个native的 start0() ⽅法。这个⽅法⾥并没有对 threadStatus的处理。到了这⾥我们仿佛就拿这个threadStatus没辙了，我们通过 debug的⽅式再看⼀下:

@Test
public void testStartMethod() {
 Thread thread = new Thread(() -> {});
 thread.start(); // 第⼀次调⽤
 thread.start(); // 第⼆次调⽤
}

我是在start()⽅法内部的最开始打的断点，叙述下在我这⾥打断点看到的结果：第⼀次调⽤时threadStatus的值是0。第⼆次调⽤时threadStatus的值不为0。查看当前线程状态的源码：

// Thread.getState⽅法源码：
public State getState() {
 // get current thread state
 return sun.misc.VM.toThreadState(threadStatus);
}
// sun.misc.VM 源码：
public static State toThreadState(int var0) {
 if ((var0 & 4) != 0) {
 return State.RUNNABLE;
 } else if ((var0 & 1024) != 0) {
 return State.BLOCKED;
 } else if ((var0 & 16) != 0) {
 return State.WAITING;
 } else if ((var0 & 32) != 0) {
 return State.TIMED_WAITING;
 } else if ((var0 & 2) != 0) {
 return State.TERMINATED;
 } else {
 return (var0 & 1) == 0 ? State.NEW : State.RUNNABLE;
 }
}

两个问题的答案都是不可⾏，在调⽤⼀次start()之后，threadStatus的值会改变（threadStatus !=0），此时再次调⽤start()⽅法会抛出 IllegalThreadStateException异常。⽐如，threadStatus为2代表当前线程状态为TERMINATED。

RUNNABLE

表示当前线程正在运⾏中。处于RUNNABLE状态的线程在Java虚拟机中运⾏，也有可能在等待其他系统资源（⽐如I/O）。

Java线程的RUNNABLE状态其实是包括了传统操作系统线程的ready和 running两个状态的。

BLOCKED

阻塞状态。处于BLOCKED状态的线程正等待锁的释放以进⼊同步区。我们⽤BLOCKED状态举个⽣活中的例⼦：

假如今天你下班后准备去⻝堂吃饭。你来到⻝堂仅有的⼀个窗⼝，发现前⾯已经有个⼈在窗⼝前了，此时你必须得等前⾯的⼈从窗⼝离开才⾏。假设你是线程t2，你前⾯的那个⼈是线程t1。此时t1占有了锁（⻝堂唯⼀的窗⼝），t2正在等待锁的释放，所以此时t2就处于BLOCKED状态。

WAITING

等待状态。处于等待状态的线程变成RUNNABLE状态需要其他线程唤醒。调⽤如下3个⽅法会使线程进⼊等待状态： Object.wait()：使当前线程处于等待状态直到另⼀个线程唤醒它；

Thread.join()：等待线程执⾏完毕，底层调⽤的是Object实例的wait⽅法；

LockSupport.park()：除⾮获得调⽤许可，否则禁⽤当前线程进⾏线程调度。

你等了好⼏分钟现在终于轮到你了，突然你们有⼀个“不懂事”的经理突然来了。你看到他你就有⼀种不祥的预感，果然，他是来找你的。他把你拉到⼀旁叫你待会⼉再吃饭，说他下午要去作报告，赶紧来找你了解⼀下项⽬的情况。你⼼⾥虽然有⼀万个不愿意但是你还是从⻝堂窗⼝⾛开了。此时，假设你还是线程t2，你的经理是线程t1。虽然你此时都占有锁（窗⼝）了，“不速之客”来了你还是得释放掉锁。此时你t2的状态就是 WAITING。然后经理t1获得锁，进⼊RUNNABLE状态。要是经理t1不主动唤醒你t2（notify、notifyAll..），可以说你t2只能⼀直等待了。

TIMED_WAITING

超时等待状态。线程等待⼀个具体的时间，时间到后会被⾃动唤醒。调⽤如下⽅法会使线程进⼊超时等待状

1、Thread.sleep(long millis)：使当前线程睡眠指定时间

2、Object.wait(long timeout)：线程休眠指定时间，等待期间可以通过 notify()/notifyAll()唤醒；

3、Thread.join(long millis)：等待当前线程最多执⾏millis毫秒，如果millis为0，则会⼀直执⾏；

4、LockSupport.parkNanos(long nanos)：除⾮获得调⽤许可，否则禁⽤当前线程进⾏线程调度指定时间

5、LockSupport.parkUntil(long deadline)：同上，也是禁⽌线程进⾏调度指定时间；

到了第⼆天中午，⼜到了饭点，你还是到了窗⼝前。突然间想起你的同事叫你等他⼀起，他说让你等他⼗分钟他改个bug。好吧，你说那你就等等吧，你就离开了窗⼝。很快⼗分钟过去了，你⻅他还没来，你想都等了这么久了还不来，那你还是先去吃饭好了。这时你还是线程t1，你改bug的同事是线程t2。t2让t1等待了指定时间，t1先主动释放了锁。此时t1等待期间就属于TIMED_WATING状态。 t1等待10分钟后，就⾃动唤醒，拥有了去争夺锁的资格。

TERMINATED

终⽌状态。此时线程已执⾏完毕。

四、线程中断

当执行一个很耗时的任务时，比如下载文件，用户随时可能取消下载，当前取消下载，我们应在服务端中断当前下载文件的线程。

中断线程就是其他线程给该线程发一个信号，该线程收到信号后结束执行run()方法，使得自身线程能立刻结束运行。

中断一个线程非常简单，只需要在其他线程中对目标线程调用interrupt()方法，目标线程需要反复检测自身状态是否是interrupted状态，如果是，就立刻结束运行。

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1); // 暂停1毫秒
        t.interrupt(); // 中断t线程
        t.join(); // 等待t线程结束
        System.out.println("end");
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        int n = 0;
        while (! isInterrupted()) {
            n ++;
            System.out.println(n + " hello!");
        }
    }
}

仔细看上述代码，main线程通过调用t.interrupt()方法中断t线程，但是要注意，interrupt()方法仅仅向t线程发出了“中断请求”，至于t线程是否能立刻响应，要看具体代码。而t线程的while循环会检测isInterrupted()，所以上述代码能正确响应interrupt()请求，使得自身立刻结束运行run()方法。

如果线程处于等待状态，例如，t.join()会让main线程进入等待状态，此时，如果对main线程调用interrupt()，join()方法会立刻抛出InterruptedException，因此，目标线程只要捕获到join()方法抛出的InterruptedException，就说明有其他线程对其调用了interrupt()方法，通常情况下该线程应该立刻结束运行。

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        t.interrupt(); // 中断t线程
        t.join(); // 等待t线程结束
        System.out.println("end");
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        Thread hello = new HelloThread();
        hello.start(); // 启动hello线程
        try {
            hello.join(); // 等待hello线程结束
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("interrupted!");
        }
        hello.interrupt();
    }
}

class HelloThread extends Thread {
    public void run() {
        int n = 0;
        while (!isInterrupted()) {
            n++;
            System.out.println(n + " hello!");
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                break;
            }
        }
    }
}

main线程通过调用t.interrupt()从而通知t线程中断，而此时t线程正位于hello.join()的等待中，此方法会立刻结束等待并抛出InterruptedException。由于我们在t线程中捕获了InterruptedException，因此，就可以准备结束该线程。在t线程结束前，对hello线程也进行了interrupt()调用通知其中断。如果去掉这一行代码，可以发现hello线程仍然会继续运行，且JVM不会退出。

另一个常用的中断线程的方法是设置标志位。我们通常会用一个running标志位来标识线程是否应该继续运行，在外部线程中，通过把HelloThread.running置为false，就可以让线程结束：

public class Main {
    public static void main(String[] args)  throws InterruptedException {
        HelloThread t = new HelloThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1);
        t.running = false; // 标志位置为false
    }
}

class HelloThread extends Thread {
    public volatile boolean running = true;
    public void run() {
        int n = 0;
        while (running) {
            n ++;
            System.out.println(n + " hello!");
        }
        System.out.println("end!");
    }
}

注意到HelloThread的标志位boolean running是一个线程间共享的变量。线程间共享变量需要使用volatile关键字标记，确保每个线程都能读取到更新后的变量值。

为什么要对线程间共享的变量用关键字volatile声明？这涉及到Java的内存模型。在Java虚拟机中，变量的值保存在主内存中，但是，当线程访问变量时，它会先获取一个副本，并保存在自己的工作内存中。如果线程修改了变量的值，虚拟机会在某个时刻把修改后的值回写到主内存，但是，这个时间是不确定的！

┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐
           Main Memory
│                               │
   ┌───────┐┌───────┐┌───────┐
│  │ var A ││ var B ││ var C │  │
   └───────┘└───────┘└───────┘
│     │ ▲               │ ▲     │
 ─ ─ ─│─│─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─│─│─ ─ ─
      │ │               │ │
┌ ─ ─ ┼ ┼ ─ ─ ┐   ┌ ─ ─ ┼ ┼ ─ ─ ┐
      ▼ │               ▼ │
│  ┌───────┐  │   │  ┌───────┐  │
   │ var A │         │ var C │
│  └───────┘  │   │  └───────┘  │
   Thread 1          Thread 2
└ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┘   └ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┘

这会导致如果一个线程更新了某个变量，另一个线程读取的值可能还是更新前的。例如，主内存的变量a = true，线程1执行a = false时，它在此刻仅仅是把变量a的副本变成了false，主内存的变量a还是true，在JVM把修改后的a回写到主内存之前，其他线程读取到的a的值仍然是true，这就造成了多线程之间共享的变量不一致。

因此，volatile关键字的目的是告诉虚拟机：

每次访问变量时，总是获取主内存的最新值；
每次修改变量后，立刻回写到主内存。

volatile关键字解决的是可见性问题：当一个线程修改了某个共享变量的值，其他线程能够立刻看到修改后的值。

如果我们去掉volatile关键字，运行上述程序，发现效果和带volatile差不多，这是因为在x86的架构下，JVM回写主内存的速度非常快，但是，换成ARM的架构，就会有显著的延迟。

小结

对目标线程调用interrupt()方法可以请求中断一个线程，目标线程通过检测isInterrupted()标志获取自身是否已中断。如果目标线程处于等待状态，该线程会捕获到InterruptedException；

目标线程检测到isInterrupted()为true或者捕获了InterruptedException都应该立刻结束自身线程；

通过标志位判断需要正确使用volatile关键字；

volatile关键字解决了共享变量在线程间的可见性问题；

五、守护线程

Java程序入口就是由JVM启动main线程，main线程又可以启动其他线程。当所有线程都运行结束时，JVM退出，进程结束。

如果有一个线程没有退出，JVM进程就不会退出。所以，必须保证所有线程都能及时结束。

但是有一种线程的目的就是无限循环，例如，一个定时触发任务的线程

class TimerThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            System.out.println(LocalTime.now());
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                break;
            }
        }
    }
}

如果这个线程不结束，JVM进程就无法结束。问题是，由谁负责结束这个线程？

然而这类线程经常没有负责人来负责结束它们。但是，当其他线程结束时，JVM进程又必须要结束，怎么办？

答案是使用守护线程（Daemon Thread）。

守护线程是指为其他线程服务的线程。在JVM中，所有非守护线程都执行完毕后，无论有没有守护线程，虚拟机都会自动退出。

因此，JVM退出时，不必关心守护线程是否已结束。

如何创建守护线程呢？方法和普通线程一样，只是在调用start()方法前，调用setDaemon(true)把该线程标记为守护线程：

Thread t = new MyThread();
t.setDaemon(true);
t.start();

在守护线程中，编写代码要注意：守护线程不能持有任何需要关闭的资源，例如打开文件等，因为虚拟机退出时，守护线程没有任何机会来关闭文件，这会导致数据丢失。

小结

守护线程是为其他线程服务的线程；

所有非守护线程都执行完毕后，虚拟机退出；

守护线程不能持有需要关闭的资源（如打开文件等）；

参考

https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306580767211554

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