JAVA多线程基础篇 1、线程概念与线程生命周期

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原创 2022-03-14 19:58:23 388 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

【JAVA】多线程基础：线程生命周期与状态切换（31） Java多线程是程序执行的最小单元，允许同时执行多个任务，提升效率和资源利用率。其生命周期包括新建、就绪、运行、阻塞、等待、超时等待和终止状态，状态间通过不同方法切换。多线程适用于提高性能（如并行处理数据）和异步操作（如文件下载、网络请求）。实际应用中，多线程可用于文件下载（将文件分块并行下载）和网络爬虫（多线程爬取网页）。通过合理使用多线程，可以显著提升程序的执行效率和用户体验。阅读详情

1. 掌握多线程编程的重要性

理解了多线程，才能理解了现代分时操作系统，并进一步理解更多系统应用组件的底层原理。
并发编程是低级程序员跨越到中高级程序员必过一关，是区分程序员水平的最常用的标准。在程序员求职过程中，多线程知识会被频繁问及考察，几乎所有的招聘要求里都会要求熟悉高并发编程。

2. 为何使用线程

在计算机早期并没有多线程的概念，程序在纸带上编码送入计算机运行，但是由于计算机当时是非常昂贵的，如何提高计算机CPU利用率这一问题提出了。
这一问题的提出，引发了一系列技术的进展，计算机处理任务的一步步演化。
单进程=>多进程批处理=>多进程并行处理=>多线程处理=>协程（纤程）
使用线程后，同一个程序可以创建多个任务，进一步压榨CPU能力。

3.进程、线程

进程是操作系统进行资源分配的基本单位。
当计算机运行可执行文件时，计算机开辟内存空间、分配文件描述符以及端口等一系列资源。进程是独立拥有这些资源的基本单位。注意，一个程序可以创建多个进程，比如我们同时可以在电脑上打开多个浏览器窗口或者登录多个QQ。所以说，进程是静态资源的概念。
线程是操作系统进行资源调度的基本单位。
所有的程序的运行都是以线程为单位来执行的。一个程序在运行的时候，至少包含一个线程，即主线程。如果一个程序运行过程中，有多个“执行路径”，即是多线程程序。线程运行过程中，由于CPU轮转等原因，会发生线程切换。所以说，线程是动态调度的概念。

单CPU机器有必要用多线程吗?
多线程能够合理利用CPU和IO资源，有利于提高程序性能。

线程数是否越多越好？
线程切换会消耗资源，因此不是越多越好。

线程数设置多少合适？
以CPU核数和实际压测结果定，估算线程数需要综合考虑CPU核数、CPU利用率、程序的响应时间。

4. 多线程编程的复杂性

在计算机体系的发展过程中，CPU、内存、IO速度有非常大的差别。
根据估算CPU速度是内存读取速度的1000倍以上。，内存是磁盘IO或网络IO的1000倍以上。

为了解决CPU与内存速度适配的问题，增加了缓存的设计。
为了优化使用缓存，编译程序会优化指令的执行次序。
为了解决CPU与IO速度的差异，增加了线程的设计，以分时复用CPU

这就导致了并发编程需要注意的三个问题。

可见性问题 （剧透，可使用volatile synchronized 解决）
有序性问题 （剧透，可使用volatile synchronized 解决）
原子性问题 （剧透，可synchronized 解决）

5. 线程的生命周期

线程状态

6. 线程的状态

NEW ：线程刚刚创建，还没有启动。
RUNNABLE ：可运行状态，分为READY和RUNNING。均是可运行状态。当Thread.yield()时，线程主动礼让。
WAITING：等待被唤醒。
TIMED WAITING：隔一段时间后自动唤。
BLOCKED：被阻塞，正在等待锁。
TERMINATED：线程结束。

6.1 实验观察线程状态（一）

观察NEW、RUNNABLE、TERMINATED状态

public class ThreadStateMonitor1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        /*
        观察 NEW RUNNABLE TERMINATED 状态
        * */
        Thread t1 = new Thread(()->{
            for(int i=0;i<3;i++) {
                System.out.print(Thread.currentThread().getState());
                System.out.println("do something " + i);
            }
        });
        System.out.println(t1.getState());
        t1.start();
        //join 方法在此处表示，main线程等待t1完成线程方法。
        t1.join();
        System.out.println(t1.getState());
    }
}

运行结果：

线程状态1

6.2 实验观察线程状态（二）

t1线程start后，就立即拿到锁。
接着，o.wait() 就会释放锁，并进入到WAITING状态。如果o.wait(1000)，会进入TIMED WAITING状态。
MAIN方法的主线程接着拿到锁，并叫醒t1，t1醒后就开始排队争抢锁，进入BLOCKED状态。
最后t1拿到了锁，记者开始执行wait()之后的命令，打印"我wait好了。我执行到这里的时候，表示又获得了锁"
最后main等待t1一起“退休”，进入TERMINATED状态。

public class ThreadStateMonitor2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //o是一个锁对象
        Object o = new Object();
        //让t1线程获得o的锁后，就等待被唤醒
        Thread t1 = new Thread(()->{
            synchronized (o) {
                System.out.println("我获得了锁");
                try {
                    //o.wait(1000);
                    o.wait();
                    System.out.println("我wait好了。我执行到这里的时候，表示又获得了锁");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        t1.start();
        //MAIN线程让t1先执行一会
        Thread.sleep(100);
        //这个时候t1已经wait了
        System.out.println(t1.getState());
        synchronized (o){
            o.notify();
            System.out.println(t1.getState());
        }
        Thread.sleep(100);
        //t1
        t1.join();
        System.out.println(t1.getState());
    }
}

运行结果：
线程状态2

7. 线程的常用方法

7.1 Thread类上的方法

作用在线程上，由线程对象执行。

Thread.start()，通过 Thread 调用 start() 方法来启动线程。在Thread内部以静态代理的方式运行Runnable对象的run的方法。
Thread.sleep(millisec)，是Thread类的静态方法，会休眠当前正在执行的线程，millisec 单位为毫秒。sleep()不会释放当前拿到的锁。
Thread.join()，在线程A调用线程B的 join() 方法后，A会直到B线程结束才会执行后续指令。
Thread.yield()，线程礼让，建议线程调度器调度其他线程运行，最终礼让结果由操作系统实现。

7.2 Object类上的方法

作用在锁对象上。

Object.wait()，调用 wait() 使得线程进入等待被唤醒的队列，wait后会释放锁资源。等待被唤醒。
这是因为，如果没有释放锁，那么其它线程就无法进入对象的同步方法或者同步控制块中，那么就无法执行 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程，造成死锁。
Object.notify() 唤醒在Object上的等待队列的某一个线程，由操作系统决定。
Object.notifyAll() 唤醒在Object上的等待队列所有线程。

7.3 Condition类上的方法

java.util.concurrent 类库中提供了 Condition 类来实现线程之间的协调，可以在 Condition 上调用 await() 方法使线程等待，其它线程调用 signal() 或 signalAll() 方法唤醒等待的线程。相比于 wait() 这种等待方式，await() 可以指定等待的条件，因此更加灵活。