Java并发编程：进程与线程详解-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Aur_ora/article/details/118633204

本文详细介绍了进程与线程的概念，包括进程的定义、线程的定义及两者之间的区别。讨论了并发与并行的区别，并指出在单核CPU下线程的并发执行。还探讨了Java线程的创建、运行、线程状态以及常用方法，如start、run、sleep、join和interrupt。强调了线程同步和异步的概念及其应用场景。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

1. 进程与线程

1.1 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。
进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本、画图、浏览器等），也有的程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐、360 安全卫士等）

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

二者对比

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

1.2 并行与并发

并发

在单核 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）

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并发

parallel

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。

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二者对比

引用 Rob Pike 的一段描述：

并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力
并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力

例子

家庭主妇做饭、打扫卫生、给孩子喂奶，她一个人轮流交替做这多件事，这时就是并发
雇了3个保姆，一个专做饭、一个专打扫卫生、一个专喂奶，互不干扰，这时是并行
家庭主妇雇了个保姆，她们一起这些事，这时既有并发，也有并行（这时会产生竞争，例如锅只有一口，一个人用锅时，另一个人就得等待）

1.3 线程基本应用

1.3.1 同步和异步的概念

以调用方的角度讲

如果需要等待结果返回才能继续运行的话就是同步
如果不需要等待就是异步

1.3.2 设计

多线程可以使方法的执行变成异步的，比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了5秒，如果没有线程的调度机制，这么cpu只能等5秒，啥都不能做。

1.3.3 结论

比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程
tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程
ui 程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞 ui 线程

单核 cpu 下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用cpu ，不至于一个线程总占用 cpu，别的线程没法干活
多核 cpu 可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的
有些任务，经过精心设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率。但不是所有计算任务都能拆分（参考后文的【阿姆达尔定律】）
也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义
IO 操作不占用 cpu，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO】，这时相当于线程虽然不用cpu，但需要一直等待 IO 结束，没能充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞 IO】和【异步 IO】优化

2. Java线程

2.1 创建和运行线程

2.1.1 直接使用Thread

使用匿名内部类来继承Thread类

// 构造方法的参数是给线程指定名字，推荐
Thread t1 = new Thread("t1") {
    @Override
    // run 方法内实现了要执行的任务
    public void run() {
        log.debug("hello");
    }
};
t1.start();

2.1.2 使用 Runnable 配合 Thread

把【线程】和【任务】（要执行的代码）分开

Thread 代表线程
Runnable 可运行的任务（线程要执行的代码）

例如：

// 创建任务对象
Runnable task2 = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        log.debug("hello");
    }
};
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
t2.start();

可以使用lambda表达式简化

public class Asny {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = () -> System.out.println(123123);
        Thread thread = new Thread(runnable);
        thread.start();

    }
}

甚至简化为如下

public class Asny {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> System.out.println(123123), "t1");
        thread.start();

    }
}

2.1.3 FutureTask 配合 Thread

FutureTask 能够接收 Callable 类型的参数，用来处理有返回结果的情况

// 创建任务对象
FutureTask<Integer> task3 = new FutureTask<>(() -> {
    log.debug("hello");
    return 100;
});
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
new Thread(task3, "t3").start();
// 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
Integer result = task3.get();
log.debug("结果是:{}", result);

2.2 查看进程线程的方法

Linux

ps -fe 查看所有进程
ps -fT -p <PID>查看某个进程(PID)的所有线程
kill 杀死进程
top 按大写H切换是否显示线程
top -H -p <PID> 查看某个进程(PID)的所有线程

jconsle

需要以如下方式运行你的 java 类

java -Djava.rmi.server.hostname=`ip地址` -Dcom.sun.management.jmxremote -
Dcom.sun.management.jmxremote.port=`连接端口` -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=是否安全连接 -
Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=是否认证 java类

修改 /etc/hosts 文件将 127.0.0.1 映射至主机名

如果要认证访问，还需要做如下步骤

复制 jmxremote.password 文件
修改 jmxremote.password 和 jmxremote.access 文件的权限为 600 即文件所有者可读写
连接时填入 controlRole（用户名），R&D（密码）

2.3 原理之线程运行

2.3.1 栈与栈帧

Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈）
我们都知道 JVM 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存是给谁用的呢？其实就是线程，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

2.3.2 线程上下文切换(Thread Context Switch)

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(每个线程轮流执行，看前面并行的概念)
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

2.4 Thread的常见方法

2.4.1 概述

方法名	static	功能说明	注意
start()		启动一个新线程，在新的线程中运行run方法中的代码	1. start方法只是让线程进入就绪，里面代码不一定立刻运行(CPU的时间片还没分给它)。每个线程对象的start方法只能调用一次，如果调用了多次会出现IllegalThreadStateException
run()		新线程启动后会调用的方法	如果在构造Thread对象时传递了Runnable参数，则线程启动后会调用Runnable中的run方法，否则默认不执行任何操作。但可以创建Thread的子类对象，来覆盖默认行为
join()		等待线程运行结束
join(long n)		等待线程运行结束，最多等待n毫秒
getId()		获取线程长整型的id	id唯一

getName()		获取线程名
setName(String)		修改线程名
getPriority()		获取线程优先级
setPriority(int)		修改线程优先级	java中规定线程优先级是1~10 的整数，较大的优先级能提高该线程被 CPU 调度的机率
getState()		获取线程状态	Java 中线程状态是用 6 个 enum 表示，分别为：NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING,TIMED_WAITING, TERMINATED
isInterrupted()		判断是否被打断，	不会清除`打断标记`
isAlive()		线程是否存活（还没有运行完毕）
interrupt()		打断线程	如果被打断线程正在 sleep，wait，join 会导致被打断的线程抛出 InterruptedException，并清除`打断标记`；如果打断的正在运行的线程，则会设置`打断标记`；park 的线程被打断，也会设置`打断标记`
interrupted()	static	判断当前线程是否被打断	会清除打断标记
currentThread()	static	获取当前正在执行的线程
sleep(long n)	static	让当前执行的线程休眠n毫秒，休眠时让出 cpu的时间片给其它线程
yield()	static	提示线程调度器让出当前线程对CPU的使用	主要是为了测试和调试

2.4.2 start与run

I 只调用run方法

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 ...");
}

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 ...

单独调用run方法，程序仍在 main 线程运行，不会开启一个新的线程 FileReader.read() 方法调用还是同步的

II 调用start

将上述代码的 t1.run() 改为 t1.start();

输出

19:41:30 [main] c.TestStart - do other things ...
19:41:30 [t1] c.TestStart - t1
19:41:30 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
19:41:35 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4542 m

III 小结

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

2.4.3 sleep与yield

操作系统不会给Time Waiting线程分配时间片，但是会给Runnable线程分配时间片

I 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，所以需要对sleep进行try/catch
睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行
建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性

II 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

III 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

IIII 应用

在没有利用 cpu 来计算时，不要让 while(true) 空转浪费 cpu，这时可以使用 yield 或 sleep 来让出 cpu 的使用权给其他程序

while(true) {
    try {
        Thread.sleep(50);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

可以用 wait 或条件变量达到类似的效果
不同的是，后两种都需要加锁，并且需要相应的唤醒操作，一般适用于要进行同步的场景
sleep 适用于无需锁同步的场景

2.4.4 join方法

I 为什么需要join方法

下面的代码执行，打印 r 是什么？

static int r = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test1();
}
private static void test1() throws InterruptedException {
    log.debug("开始");
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("开始");
        sleep(1);
        log.debug("结束");
        r = 10;
    });
    t1.start();
    log.debug("结果为:{}", r);
    log.debug("结束");
}

打印为0

分析

因为主线程和线程 t1 是并行执行的，t1 线程需要 1 秒之后才能算出 r=10
而主线程一开始就要打印 r 的结果，所以只能打印出 r=0

解决方法:

用 sleep 行不行？为什么？ 行，但是效果不好，需要对时间把握好
用 join，加在 t1.start() 之后即可

以调用方的角度讲

如果需要等待结果返回才能继续运行的话就是同步
如果不需要等待就是异步

2.4.5 interrupt

interrupt() 方法只是改变中断状态而已，它不会中断一个正在运行的线程。这一方法实际完成的是，给受阻塞的线程发出一个中断信号，这样受阻线程就得以退出阻塞的状态。更确切的说，如果线程被Object.wait, Thread.join和Thread.sleep三种方法之一阻塞，此时调用该线程的interrupt()方法，那么该线程将抛出一个 InterruptedException中断异常（该线程必须事先预备好处理此异常），从而提早地终结被阻塞状态。如果线程没有被阻塞，这时调用 interrupt()将不起作用，直到执行到wait(),sleep(),join()时,才马上会抛出 InterruptedException。

I 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(也就是打断标记为false)，以 sleep 为例

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1123);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "t1");
    t1.start();
    TimeUnit.SECONDS.sleep((long) 1);
    t1.interrupt();
    System.out.println(t1.isInterrupted());
}

java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at java.lang.Thread.sleep(Thread.java:340)
    at java.util.concurrent.TimeUnit.sleep(TimeUnit.java:386)
    at cn.itcast.n2.util.Sleeper.sleep(Sleeper.java:8)
    at cn.itcast.n4.TestInterrupt.lambda$test1$3(TestInterrupt.java:59)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
    21:18:10.374 [main] c.TestInterrupt - 打断状态: false

II 打断正常运行的线程

打断正常运行的线程, 不会清空打断状态（也就是打断标记为true）

Thread t2 = new Thread(()->{
    while(true) {
        Thread current = Thread.currentThread();
        boolean interrupted = current.isInterrupted();
        if(interrupted) {
            log.debug(" 打断状态: {}", interrupted);
            break;
        }
    }
}, "t2");
t2.start();
sleep(0.5);
t2.interrupt();

输出

20:57:37.964 [t2] c.TestInterrupt - 打断状态: true

III 两阶段终止模式

package demo1;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class test1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TwoPhaseTermination twoPhaseTermination = new TwoPhaseTermination();
        twoPhaseTermination.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        twoPhaseTermination.stop();
    }
}

class TwoPhaseTermination {
    private Thread monitor;

    public void start() {
        monitor = new Thread(() -> {
            while (true) {
                Thread thread1 = Thread.currentThread();
                if (thread1.isInterrupted()) {
                    System.out.println("料理后世");
                    break;
                }
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);//情况1
                    System.out.println("执行监控记录");//情况2
                } catch (InterruptedException e) {
                    thread1.interrupt();
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        monitor.start();
    }
    public void stop(){
        monitor.interrupt();
    }
}

IV 打断park线程

打断 park 线程, 不会清空打断状态（也就是打断标记为true）

private static void test3() 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();
    sleep(0.5);
    t1.interrupt();
}

21:11:52.795 [t1] c.TestInterrupt - park...
21:11:53.295 [t1] c.TestInterrupt - unpark...
21:11:53.295 [t1] c.TestInterrupt - 打断状态：true

如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效

private static void test4() {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            log.debug("park...");
            LockSupport.park();
            log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
        }
    });
    t1.start();
    sleep(1);
    t1.interrupt();
}

输出

21:13:48.783 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.809 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true
21:13:49.812 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park...
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true

提示
可以使用 Thread.interrupted() 清除打断状态(也就是打断标记为false)

2.4.6 不推荐使用的方法

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

方法名	static	功能说明
stop()		停止线程运行
suspend()		挂起(暂停)线程运行
resume()		恢复线程运行

2.5 主线程与守护线程

默认情况下，Java 进程需要等待所有线程都运行结束，才会结束。

有一种特殊的线程叫做守护线程，只要其它非守护线程运行结束了，即使守护线程的代码没有执行完，也会强制结束。

// 设置该线程为守护线程
t1.setDaemon(true);

注意

垃圾回收器线程就是一种守护线程
Tomcat 中的 Acceptor 和 Poller 线程都是守护线程，所以 Tomcat 接收到 shutdown 命令后，不会等待它们处理完当前请求

2.6 五种状态

这是从 操作系统 层面来描述的

【初始状态】仅是在语言层面创建了线程对象，还未与操作系统线程关联
【可运行状态】（就绪状态）指该线程已经被创建（与操作系统线程关联），可以由 CPU 调度执行
【运行状态】指获取了 CPU 时间片运行中的状态
- 当 CPU 时间片用完，会从【运行状态】转换至【可运行状态】，会导致线程的上下文切换
【阻塞状态】
- 如果调用了阻塞 API，如 BIO 读写文件，这时该线程实际不会用到 CPU，会导致线程上下文切换，进入【阻塞状态】
- 等 BIO 操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至【可运行状态】
- 与【可运行状态】的区别是，对【阻塞状态】的线程来说只要它们一直不唤醒，调度器就一直不会考虑调度它们
【终止状态】表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状态

2.7 六种状态

这是从 Java API 层面来描述的

根据 Thread.State 枚举，分为六种状态

NEW 线程刚被创建，但是还没有调用 start() 方法
RUNNABLE 当调用了 start() 方法之后，注意，Java API 层面的 RUNNABLE 状态涵盖了操作系统层面的【可运行状态】、【运行状态】和【阻塞状态】（由于 BIO 导致的线程阻塞，在 Java 里无法区分，仍然认为是可运行）
BLOCKED ， WAITING ， TIMED_WAITING 都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分，后面会在状态转换一节详述
TERMINATED 当线程代码运行结束

package demo1;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class test1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            System.out.println("running");
        }, "t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            while (true) {

            }
        }, "t2");
        t2.start();

        Thread t3 = new Thread(() -> {
            System.out.println("running");
        }, "t3");
        t3.start();

        Thread t4 = new Thread(() -> {
            synchronized (test1.class) {
                try {
                    Thread.sleep(100000000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "t4");
        t4.start();

        Thread t5 = new Thread(() -> {
            try {
                t2.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t5");
        t5.start();

        Thread t6 = new Thread(() -> {
            synchronized (test1.class) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "t6");
        t6.start();

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(t1.getState());
        System.out.println(t2.getState());
        System.out.println(t3.getState());
        System.out.println(t4.getState());
        System.out.println(t5.getState());
        System.out.println(t6.getState());

    }
}

class TwoPhaseTermination {
    private Thread monitor;

    public void start() {
        monitor = new Thread(() -> {
            while (true) {
                Thread thread1 = Thread.currentThread();
                if (thread1.isInterrupted()) {
                    System.out.println("料理后世");
                    break;
                }
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);//情况1
                    System.out.println("执行监控记录");//情况2
                } catch (InterruptedException e) {
//                    thread1.interrupt();
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        LockSupport.park();
        monitor.start();
    }

    public void stop() {
        monitor.interrupt();
    }
}

running
NEW
RUNNABLE
TERMINATED
TIMED_WAITING
WAITING
BLOCKED

2.8 小结

本章的重点在于掌握

线程创建
线程重要 api，如 start，run，sleep，join，interrupt 等
线程状态
应用方面
- 异步调用：主线程执行期间，其它线程异步执行耗时操作
- 提高效率：并行计算，缩短运算时间
- 同步等待：join
- 统筹规划：合理使用线程，得到最优效果
原理方面
- 线程运行流程：栈、栈帧、上下文切换、程序计数器
- Thread 两种创建方式的源码
模式方面
- 终止模式之两阶段终止