线程和进程概念及API

线程和进程

线程相关概念

什么是线程和进程?

何为进程?

进程是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位，因此进程是动态的。系统运行一个程序即是一个进程从创建，运行到消亡的过程。

在 Java 中，当我们启动 main 函数时其实就是启动了一个 JVM 的进程，而 main 函数所在的线程就是这个进程中的一个线程，也称主线程。

何为线程?

线程与进程相似，但线程是一个比进程更小的执行单位。一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。与进程不同的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源，但每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈，所以系统在产生一个线程，或是在各个线程之间做切换工作时，负担要比进程小得多，也正因为如此，线程也被称为轻量级进程。

一个 Java 程序的运行是 main 线程和多个其他线程同时运行。

请简要描述线程与进程的关系,区别及优缺点？

一个进程中可以有多个线程，多个线程共享进程的堆和*方法区 (JDK1.8 之后的元空间)资源，但是每个线程有自己的*程序计数器、虚拟机栈 和 本地方法栈。

总结： 线程是进程划分成的更小的运行单位。线程和进程最大的不同在于基本上各进程是独立的，而各线程则不一定，因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。

程序计数器为什么是私有的?

程序计数器主要有下面两个作用：

1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
2. 在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

需要注意的是，如果执行的是 native 方法，那么程序计数器记录的是 undefined 地址，只有执行的是 Java 代码时程序计数器记录的才是下一条指令的地址。

所以，程序计数器私有主要是为了线程切换后能恢复到正确的执行位置。

虚拟机栈和本地方法栈为什么是私有的?

• 虚拟机栈： 每个 Java 方法在执行之前会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、常量池引用等信息。从方法调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在 Java 虚拟机栈中入栈和出栈的过程。
• 本地方法栈： 和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是：虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法 （也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。

所以，为了保证线程中的局部变量不被别的线程访问到，虚拟机栈和本地方法栈是线程私有的。

Java 线程和操作系统的线程有啥区别？

JDK 1.2 之前，Java 线程是基于绿色线程（Green Threads）实现的，这是一种用户级线程（用户线程），也就是说 JVM 自己模拟了多线程的运行，而不依赖于操作系统。由于绿色线程和原生线程比起来在使用时有一些限制（比如绿色线程不能直接使用操作系统提供的功能如异步 I/O、只能在一个内核线程上运行无法利用多核），在 JDK 1.2 及以后，Java 线程改为基于原生线程（Native Threads）实现，也就是说 JVM 直接使用操作系统原生的内核级线程（内核线程）来实现 Java 线程，由操作系统内核进行线程的调度和管理。

• 用户线程：由用户空间程序管理和调度的线程，运行在用户空间（专门给应用程序使用）。
• 内核线程：由操作系统内核管理和调度的线程，运行在内核空间（只有内核程序可以访问）。

顺便简单总结一下用户线程和内核线程的区别和特点：用户线程创建和切换成本低，但不可以利用多核。内核态线程，创建和切换成本高，可以利用多核。

一句话概括 Java 线程和操作系统线程的关系：现在的 Java 线程的本质其实就是操作系统的线程。

线程的生命周期和状态?

Java 线程在运行的生命周期中的指定时刻只可能处于下面 6 种不同状态的其中一个状态：

• NEW: 初始状态，线程被创建出来但没有被调用 start() 。
• RUNNABLE: 运行状态，线程被调用了 start()等待运行的状态。
• BLOCKED：阻塞状态，需要等待锁释放。
• WAITING：等待状态，表示该线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
• TIME_WAITING：超时等待状态，可以在指定的时间后自行返回而不是像 WAITING 那样一直等待。
• TERMINATED：终止状态，表示该线程已经运行完毕。

线程在生命周期中并不是固定处于某一个状态而是随着代码的执行在不同状态之间切换。

Java 线程状态变迁图：

Java 线程状态变迁图

由上图可以看出：线程创建之后它将处于 NEW（新建） 状态，调用 start() 方法后开始运行，线程这时候处于 READY（可运行） 状态。可运行状态的线程获得了 CPU 时间片（timeslice）后就处于 RUNNING（运行） 状态。

在操作系统层面，线程有 READY 和 RUNNING 状态；而在 JVM 层面，只能看到 RUNNABLE 状态所以 Java 系统一般将这两个状态统称为 RUNNABLE（运行中） 状态 。

进程的状态参考操作系统：创建态、就绪态、运行态、阻塞态、终止态

• 当线程执行 wait()方法之后，线程进入 WAITING（等待） 状态。进入等待状态的线程需要依靠其他线程的通知才能够返回到运行状态。
• TIMED_WAITING(超时等待) 状态相当于在等待状态的基础上增加了超时限制，比如通过 sleep（long millis）方法或 wait（long millis）方法可以将线程置于 TIMED_WAITING 状态。当超时时间结束后，线程将会返回到 RUNNABLE 状态。
• 当线程进入 synchronized 方法/块或者调用 wait 后（被 notify）重新进入 synchronized 方法/块，但是锁被其它线程占有，这个时候线程就会进入 BLOCKED（阻塞） 状态。
• 线程在执行完了 run()方法之后将会进入到 TERMINATED（终止） 状态。

什么是线程上下文切换?

线程在执行过程中会有自己的运行条件和状态（也称上下文），比如上文所说到过的程序计数器，栈信息等。当出现如下情况的时候，线程会从占用 CPU 状态中退出。

• 主动让出 CPU，比如调用了 sleep(), wait() 等。
• 时间片用完，因为操作系统要防止一个线程或者进程长时间占用 CPU 导致其他线程或者进程饿死。
• 调用了阻塞类型的系统中断，比如请求 IO，线程被阻塞。
• 被终止或结束运行

这其中前三种都会发生线程切换，线程切换意味着需要保存当前线程的上下文，留待线程下次占用 CPU 的时候恢复现场。并加载下一个将要占用 CPU 的线程上下文。这就是所谓的 上下文切换。

上下文切换是现代操作系统的基本功能，因其每次需要保存信息恢复信息，这将会占用 CPU，内存等系统资源进行处理，也就意味着效率会有一定损耗，如果频繁切换就会造成整体效率低下。

线程创建及方法调用

创建线程

创建线程有很多种方式，如下三种还有线程池等方式，但是归根结底都是new Thread这一种方法

Thread

Thread 创建线程方式：创建线程类，匿名内部类方式

• start() 方法底层其实是给 CPU 注册当前线程，并且触发 run() 方法执行
• 线程的启动必须调用 start() 方法，如果线程直接调用 run() 方法，相当于变成了普通类的执行，此时主线程将只有执行该线程
• 建议线程先创建子线程，主线程的任务放在之后，否则主线程（main）永远是先执行完

Thread 构造器：

• public Thread()
• public Thread(String name)

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
       	for(int i = 0 ; i < 100 ; i++ ){
            System.out.println("main线程" + i)
        }
        // main线程输出放在上面 就变成有先后顺序了，因为是 main 线程驱动的子线程运行
    }
}
class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0 ; i < 100 ; i++ ) {
            System.out.println("子线程输出："+i)
        }
    }
}

继承 Thread 类的优缺点：

• 优点：编码简单
• 缺点：线程类已经继承了 Thread 类无法继承其他类了，功能不能通过继承拓展（单继承的局限性）

Runnable

Runnable 创建线程方式：创建线程类，匿名内部类方式

Thread 的构造器：

• public Thread(Runnable target)
• public Thread(Runnable target, String name)

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable target = new MyRunnable();
        Thread t1 = new Thread(target,"1号线程");
		t1.start();
        Thread t2 = new Thread(target);//Thread-0
    }
}

public class MyRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0 ; i < 10 ; i++ ){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "->" + i);
        }
    }
}

Thread 类本身也是实现了 Runnable 接口，Thread 类中持有 Runnable 的属性，执行线程 run 方法底层是调用 Runnable#run：

public class Thread implements Runnable {
    private Runnable target;
    
    public void run() {
        if (target != null) {
          	// 底层调用的是 Runnable 的 run 方法
            target.run();
        }
    }
}

Runnable 方式的优缺点：

• 缺点：代码复杂一点。

• 优点：

  1. 线程任务类只是实现了 Runnable 接口，可以继续继承其他类，避免了单继承的局限性

  2. 同一个线程任务对象可以被包装成多个线程对象

  3. 适合多个多个线程去共享同一个资源

  4. 实现解耦操作，线程任务代码可以被多个线程共享，线程任务代码和线程独立

  5. 线程池可以放入实现 Runnable 或 Callable 线程任务对象

Callable

实现 Callable 接口：

1. 定义一个线程任务类实现 Callable 接口，申明线程执行的结果类型
2. 重写线程任务类的 call 方法，这个方法可以直接返回执行的结果
3. 创建一个 Callable 的线程任务对象
4. 把 Callable 的线程任务对象包装成一个未来任务对象
5. 把未来任务对象包装成线程对象
6. 调用线程的 start() 方法启动线程

public FutureTask(Callable<V> callable)：未来任务对象，在线程执行完后得到线程的执行结果

• FutureTask 就是 Runnable 对象，因为 Thread 类只能执行 Runnable 实例的任务对象，所以把 Callable 包装成未来任务对象
• 线程池部分详解了 FutureTask 的源码

public V get()：同步等待 task 执行完毕的结果，如果在线程中获取另一个线程执行结果，会阻塞等待，用于线程同步

• get() 线程会阻塞等待任务执行完成
• run() 执行完后会把结果设置到 FutureTask 的一个成员变量，get() 线程可以获取到该变量的值

优缺点：

• 优点：同 Runnable，并且能得到线程执行的结果
• 缺点：编码复杂

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Callable call = new MyCallable();
        FutureTask<String> task = new FutureTask<>(call);
        Thread t = new Thread(task);
        t.start();
        try {
            String s = task.get(); // 获取call方法返回的结果（正常/异常结果）
            System.out.println(s);
        }  catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

public class MyCallable implements Callable<String> {
    @Override//重写线程任务类方法
    public String call() throws Exception {
        return Thread.currentThread().getName() + "->" + "Hello World";
    }
}

线程方法

API

Thread 类 API：

方法	说明
public void start()	启动一个新线程，Java虚拟机调用此线程的 run 方法
public void run()	线程启动后调用该方法
public void setName(String name)	给当前线程取名字
public void getName()	获取当前线程的名字 线程存在默认名称：子线程是 Thread-索引，主线程是 main
public static Thread currentThread()	获取当前线程对象，代码在哪个线程中执行
public static void sleep(long time)	让当前线程休眠多少毫秒再继续执行 Thread.sleep(0) : 让操作系统立刻重新进行一次 CPU 竞争
public static native void yield()	提示线程调度器让出当前线程对 CPU 的使用
public final int getPriority()	返回此线程的优先级
public final void setPriority(int priority)	更改此线程的优先级，常用 1 5 10
public void interrupt()	中断这个线程，异常处理机制
public static boolean interrupted()	判断当前线程是否被打断，清除打断标记
public boolean isInterrupted()	判断当前线程是否被打断，不清除打断标记
public final void join()	等待这个线程结束
public final void join(long millis)	等待这个线程死亡 millis 毫秒，0 意味着永远等待
public final native boolean isAlive()	线程是否存活（还没有运行完毕）
public final void setDaemon(boolean on)	将此线程标记为守护线程或用户线程

run start

run：称为线程体，包含了要执行的这个线程的内容，方法运行结束，此线程随即终止。直接调用 run 是在主线程中执行了 run，没有启动新的线程，需要顺序执行

start：使用 start 是启动新的线程，此线程处于就绪（可运行）状态，通过新的线程间接执行 run 中的代码

sleep yield

sleep：

• 调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
• sleep() 方法的过程中，线程不会释放对象锁
• 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，需要抢占 CPU
• 建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性

yield：

• 调用 yield 会让提示线程调度器让出当前线程对 CPU 的使用
• 具体的实现依赖于操作系统的任务调度器
• 会放弃 CPU 资源，锁资源不会释放

join

public final void join()：等待这个线程结束

原理：调用者轮询检查线程 alive 状态，t1.join() 等价于：

public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException {
    // 调用者线程进入 thread 的 waitSet 等待, 直到当前线程运行结束
    while (isAlive()) {
        wait(0);
    }
}

• join 方法是被 synchronized 修饰的，本质上是一个对象锁，其内部的 wait 方法调用也是释放锁的，但是释放的是当前的线程对象锁，而不是外面的锁

• 当调用某个线程（t1）的 join 方法后，该线程（t1）抢占到 CPU 资源，就不再释放，直到线程执行完毕

线程同步：

• join 实现线程同步，因为会阻塞等待另一个线程的结束，才能继续向下运行
  • 需要外部共享变量，不符合面向对象封装的思想
  • 必须等待线程结束，不能配合线程池使用
• Future 实现（同步）：get() 方法阻塞等待执行结果
  • main 线程接收结果
  • get 方法是让调用线程同步等待

public class Test {
    static int r = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        test1();
    }
    private static void test1() throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            r = 10;
        });
        t1.start();
        t1.join();//不等待线程执行结束，输出的10
        System.out.println(r);
    }
}

interrupt

打断线程

Java的中断是一种协作机制，也就是说通过中断并不能直接中断另外一个线程，而需要被中断的线程自己处理中断。

在Java的中断模型中，每个线程都有一个boolean标识，代表着是否有中断请求（该请求可以来自所有线程，包括被中断的线程本身）。例如，当线程t1想中断线程t2，只需要在线程t1中将线程t2对象的中断标识置为true，然后线程2可以选择在合适的时候处理该中断请求，甚至可以不理会该请求，就像这个线程没有被中断一样。

方法名	介绍
void interrupt()	中断线程，设置线程的中断位true
boolean isInterrupted()	检查线程的中断标记位，true-中断状态， false-非中断状态
static boolean interrupted()	静态方法，返回当前线程的中断标记位，同时清除中断标记，改为false。比如当前线程已中断，调用interrupted()，返回true, 同时将当前线程的中断标记位改为false, 再次调用interrupted()，会发现返回false

• 针对线程处于由sleep, wait, join，LockSupport.park，await等方法调用产生的阻塞状态

  • 中断sleep、wait、join、await等方法,抛出InterruptedException，同时清除中断标记位为false。

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t1");
        t1.start();
        Thread.sleep(500);
        t1.interrupt();
        System.out.println(" 打断状态: {}" + t1.isInterrupted());// 打断状态: {}false
    }
    

    

  • 阻塞方法park响应中断, 不会抛出异常，同时不会清除中断标记位，任为true。

    public static void test3() throws InterruptedException {
            Thread t3 = new Thread(() -> {
                log.debug("t3 park.....");
                LockSupport.park();
                log.debug("t3 unpark.....");
                log.debug("interrupt status: [{}]", Thread.currentThread().isInterrupted());
    			
                log.debug("t3 第二次 park.....");
                LockSupport.park();
                log.debug("t3 中断位为true, park失效.....");
            }, "t3");
            t3.start();
    
            Thread.sleep(1000);
            t3.interrupt();
        }
    

    

• 打断正常运行的线程：不会清空打断状态（true），同时线程结束后，重置中断状态位为false。

  public static void main(String[] args) throws Exception {
      Thread t2 = new Thread(()->{
          while(true) {
              Thread current = Thread.currentThread();
              boolean interrupted = current.isInterrupted();
              if(interrupted) {
                  System.out.println(" 打断状态: {}" + interrupted);//打断状态: {}true
                  break;
              }
          }
      }, "t2");
      t2.start();
      Thread.sleep(500);
      t2.interrupt();
  }
  

其他类关于线程的API

wait-ify

基本使用

需要获取对象锁后才可以调用 锁对象.wait()，notify 随机唤醒一个线程，notifyAll 唤醒所有线程去竞争 CPU

Object 类 API：

public final void notify():唤醒正在等待对象监视器的单个线程。
public final void notifyAll():唤醒正在等待对象监视器的所有线程。
public final void wait():导致当前线程等待，直到另一个线程调用该对象的 notify() 方法或 notifyAll()方法。
public final native void wait(long timeout):有时限的等待, 到n毫秒后结束等待，或是被唤醒

说明：wait 是挂起线程，需要唤醒的都是挂起操作，阻塞线程可以自己去争抢锁，挂起的线程需要唤醒后去争抢锁

对比 sleep()：

• 原理不同：sleep() 方法是属于 Thread 类，是线程用来控制自身流程的，使此线程暂停执行一段时间而把执行机会让给其他线程；wait() 方法属于 Object 类，用于线程间通信
• 对锁的处理机制不同：调用 sleep() 方法的过程中，线程不会释放对象锁，当调用 wait() 方法的时候，线程会放弃对象锁，进入等待此对象的等待锁定池（不释放锁其他线程怎么抢占到锁执行唤醒操作），但是都会释放 CPU
• 使用区域不同：wait() 方法必须放在**同步控制方法和同步代码块（先获取锁）**中使用，sleep() 方法则可以放在任何地方使用

底层原理：

• Owner 线程发现条件不满足，调用 wait 方法，即可进入 WaitSet 变为 WAITING 状态
• BLOCKED 和 WAITING 的线程都处于阻塞状态，不占用 CPU 时间片
• BLOCKED 线程会在 Owner 线程释放锁时唤醒
• WAITING 线程会在 Owner 线程调用 notify 或 notifyAll 时唤醒，唤醒后并不意味者立刻获得锁，需要进入 EntryList 重新竞争

park-un

LockSupport提供的park/unpark是以线程的角度来设计，真正解耦了线程之间的同步。

LockSupport 类方法：

• LockSupport.park()：对当前线程执行阻塞操作，直到获取到可用许可后才解除阻塞，也就相当于当前线程进入阻塞状态。
• LockSupport.unpark(暂停的线程对象)：将指定线程的许可置为可用，也就相当于唤醒了该线程。

public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        System.out.println("start...");	//1
		Thread.sleep(1000);// Thread.sleep(3000)
        // 先 park 再 unpark 和先 unpark 再 park 效果一样，都会直接恢复线程的运行
        System.out.println("park...");	//2
        LockSupport.park();
        System.out.println("resume...");//4
    },"t1");
    t1.start();
   	Thread.sleep(2000);
    System.out.println("unpark...");	//3
    LockSupport.unpark(t1);
}

原理：类似生产者消费者

对于LockSupport使用的许可可看成是一种二元信号，该信号分有许可和无许可两种状态。每个线程都对应一个信号变量，当线程调用park时其实就是去获取许可，如果能成功获取到许可则能够往下执行，否则则阻塞直到成功获取许可为止。而当线程调用unpark时则是释放许可，供线程去获取。park/unpark方式的执行顺序不影响唤醒，不会造成死锁。

先park后unpark和先unpark后park的效果是一样的

• 先 park：
  1. 当前线程调用 Unsafe.park() 方法
  2. 检查 _counter ，本情况为 0，这时获得 _mutex 互斥锁
  3. 线程进入 _cond 条件变量挂起
  4. 调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
  5. 唤醒 _cond 条件变量中的 Thread_0，Thread_0 恢复运行，设置 _counter 为 0

• 先 unpark：

  1. 调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
  2. 当前线程调用 Unsafe.park() 方法
  3. 检查 _counter ，本情况为 1，这时线程无需挂起，继续运行，设置 _counter 为 0

  

Thread.sleep() 方法和 Object.wait() 方法对比

共同点：两者都可以暂停线程的执行。

区别：

• sleep() 方法没有释放锁，而 wait() 方法释放了锁 。
• wait() 通常被用于线程间交互/通信，sleep()通常被用于暂停执行。
• wait() 方法被调用后，线程不会自动苏醒，需要别的线程调用同一个对象上的 notify()或者 notifyAll() 方法。sleep()方法执行完成后，线程会自动苏醒，或者也可以使用 wait(long timeout) 超时后线程会自动苏醒。
• sleep() 是 Thread 类的静态本地方法，wait() 则是 Object 类的本地方法。为什么这样设计呢？下一个问题就会聊到。

Thread.sleep()和LockSupport.park()的区别

• 从功能上来说，Thread.sleep()和LockSupport.park()方法类似，都是阻塞当前线程的执行，且都不会释放当前线程占有的锁资源；
• Thread.sleep()没法从外部唤醒，只能自己醒过来；LockSupport.park()方法可以被另一个线程调用LockSupport.unpark()方法唤醒；
• Thread.sleep()方法声明上抛出了InterruptedException中断异常，所以调用者需要捕获这个异常或者再抛出；LockSupport.park()方法不需要捕获中断异常；

Object.wait()和LockSupport.park()的区别

• Object.wait()方法需要在synchronized块中执行；LockSupport.park()可以在任意地方执行；
• Object.wait()方法声明抛出了中断异常，调用者需要捕获或者再抛出；LockSupport.park()不需要捕获中断异常；
• Object.wait()不带超时的，需要另一个线程执行notify()来唤醒，但不一定继续执行后续内容；LockSupport.park()不带超时的，需要另一个线程执行unpark()来唤醒，一定会继续执行后续内容；
• 如果在wait()之前执行了notify()会抛出IllegalMonitorStateException异常；
• 如果在park()之前执行了unpark()线程不会被阻塞，直接跳过park()，继续执行后续内容；

为什么 wait() 方法不定义在 Thread 中？

wait() 是让获得对象锁的线程实现等待，会自动释放当前线程占有的对象锁。每个对象（Object）都拥有对象锁，既然要释放当前线程占有的对象锁并让其进入 WAITING 状态，自然是要操作对应的对象（Object）而非当前的线程（Thread）。

类似的问题：为什么 sleep() 方法定义在 Thread 中？

因为 sleep() 是让当前线程暂停执行，不涉及到对象类，也不需要获得对象锁。

可以直接调用 Thread 类的 run 方法吗？

这是另一个非常经典的 Java 多线程面试问题，而且在面试中会经常被问到。很简单，但是很多人都会答不上来！

new 一个 Thread，线程进入了新建状态。调用 start()方法，会启动一个线程并使线程进入了就绪状态，当分配到时间片后就可以开始运行了。 start() 会执行线程的相应准备工作，然后自动执行 run() 方法的内容，这是真正的多线程工作。 但是，直接执行 run() 方法，会把 run() 方法当成一个 main 线程下的普通方法去执行，并不会在某个线程中执行它，所以这并不是多线程工作。

总结：调用 start() 方法方可启动线程并使线程进入就绪状态，直接执行 run() 方法的话不会以多线程的方式执行。