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                線程(Thread)是并發編程的基礎,也是程序執行的最小單元,它依托進程而存在。一個進程中可以包含多個線程,多線程可以共享一塊內存空間和一組系統資源,因此線程之間的切換更加節省資源、更加輕量化,也因此被稱為輕量級的進程。 當然,線程也是面試中常被問到的一個知識點,是程序員必備的基礎技能,使用它可以有效地提高程序的整體運行速度。 本課時的面試問題是,線程的狀態有哪些?它是如何工作的? #### 典型回答 線程的狀態在 JDK 1.5 之后以枚舉的方式被定義在 Thread 的源碼中,它總共包含以下 6 個狀態: * NEW,新建狀態,線程被創建出來,但尚未啟動時的線程狀態; * RUNNABLE,就緒狀態,表示可以運行的線程狀態,它可能正在運行,或者是在排隊等待操作系統給它分配 CPU 資源; * BLOCKED,阻塞等待鎖的線程狀態,表示處于阻塞狀態的線程正在等待監視器鎖,比如等待執行 synchronized 代碼塊或者使用 synchronized 標記的方法; * WAITING,等待狀態,一個處于等待狀態的線程正在等待另一個線程執行某個特定的動作,比如,一個線程調用了 Object.wait() 方法,那它就在等待另一個線程調用 Object.notify() 或 Object.notifyAll() 方法; * TIMED_WAITING,計時等待狀態,和等待狀態(WAITING)類似,它只是多了超時時間,比如調用了有超時時間設置的方法 Object.wait(long timeout) 和 Thread.join(long timeout) 等這些方法時,它才會進入此狀態; * TERMINATED,終止狀態,表示線程已經執行完成。 線程狀態的源代碼如下: ``` public enum State { /** * 新建狀態,線程被創建出來,但尚未啟動時的線程狀態 */ NEW, /** * 就緒狀態,表示可以運行的線程狀態,但它在排隊等待來自操作系統的 CPU 資源 */ RUNNABLE, /** * 阻塞等待鎖的線程狀態,表示正在處于阻塞狀態的線程 * 正在等待監視器鎖,比如等待執行 synchronized 代碼塊或者 * 使用 synchronized 標記的方法 */ BLOCKED, /** * 等待狀態,一個處于等待狀態的線程正在等待另一個線程執行某個特定的動作。 * 例如,一個線程調用了 Object.wait() 它在等待另一個線程調用 * Object.notify() 或 Object.notifyAll() */ WAITING, /** * 計時等待狀態,和等待狀態 (WAITING) 類似,只是多了超時時間,比如 * 調用了有超時時間設置的方法 Object.wait(long timeout) 和 * Thread.join(long timeout) 就會進入此狀態 */ TIMED_WAITING, /** * 終止狀態,表示線程已經執行完成 */ } ``` 線程的工作模式是,首先先要創建線程并指定線程需要執行的業務方法,然后再調用線程的 start() 方法,此時線程就從 NEW(新建)狀態變成了 RUNNABLE(就緒)狀態,此時線程會判斷要執行的方法中有沒有 synchronized 同步代碼塊,如果有并且其他線程也在使用此鎖,那么線程就會變為 BLOCKED(阻塞等待)狀態,當其他線程使用完此鎖之后,線程會繼續執行剩余的方法。 當遇到 Object.wait() 或 Thread.join() 方法時,線程會變為 WAITING(等待狀態)狀態,如果是帶了超時時間的等待方法,那么線程會進入 TIMED_WAITING(計時等待)狀態,當有其他線程執行了 notify() 或 notifyAll() 方法之后,線程被喚醒繼續執行剩余的業務方法,直到方法執行完成為止,此時整個線程的流程就執行完了,執行流程如下圖所示: ![](https://img.kancloud.cn/2d/eb/2deb191023e464dd5ba70eb99517638c_1671x733.png) #### 考點分析 線程一般會作為并發編程的起始問題,用于引出更多的關于并發編程的面試問題。當然對于線程的掌握程度也決定了你對并發編程的掌握程度,通常面試官還會問: * BLOCKED(阻塞等待)和 WAITING(等待)有什么區別? * start() 方法和 run() 方法有什么區別? * 線程的優先級有什么用?該如何設置? * 線程的常用方法有哪些? 接下來我們一起來看這些問題的答案。 #### 知識擴展 * [ ] 1.BLOCKED 和 WAITING 的區別 雖然 BLOCKED 和 WAITING 都有等待的含義,但二者有著本質的區別,首先它們狀態形成的調用方法不同,其次 BLOCKED 可以理解為當前線程還處于活躍狀態,只是在阻塞等待其他線程使用完某個鎖資源;而 WAITING 則是因為自身調用了 Object.wait() 或著是 Thread.join() 又或者是 LockSupport.park() 而進入等待狀態,只能等待其他線程執行某個特定的動作才能被繼續喚醒,比如當線程因為調用了 Object.wait() 而進入 WAITING 狀態之后,則需要等待另一個線程執行 Object.notify() 或 Object.notifyAll() 才能被喚醒。 * [ ] 2.start() 和 run() 的區別 首先從 Thread 源碼來看,start() 方法屬于 Thread 自身的方法,并且使用了 synchronized 來保證線程安全,源碼如下: ``` public synchronized void start() { // 狀態驗證,不等于 NEW 的狀態會拋出異常 if (threadStatus != 0) throw new IllegalThreadStateException(); // 通知線程組,此線程即將啟動 group.add(this); boolean started = false; try { start0(); started = true; } finally { try { if (!started) { group.threadStartFailed(this); } } catch (Throwable ignore) { // 不處理任何異常,如果 start0 拋出異常,則它將被傳遞到調用堆棧上 } } } ``` run() 方法為 Runnable 的抽象方法,必須由調用類重寫此方法,重寫的 run() 方法其實就是此線程要執行的業務方法,源碼如下: ``` public class Thread implements Runnable { // 忽略其他方法...... private Runnable target; @Override public void run() { if (target != null) { target.run(); } } } @FunctionalInterface public interface Runnable { public abstract void run(); } ``` 從執行的效果來說,start() 方法可以開啟多線程,讓線程從 NEW 狀態轉換成 RUNNABLE 狀態,而 run() 方法只是一個普通的方法。 其次,它們可調用的次數不同,start() 方法不能被多次調用,否則會拋出 java.lang.IllegalStateException;而 run() 方法可以進行多次調用,因為它只是一個普通的方法而已。 * [ ] 3.線程優先級 在 Thread 源碼中和線程優先級相關的屬性有 3 個: ``` // 線程可以擁有的最小優先級 public final static int MIN_PRIORITY = 1; // 線程默認優先級 public final static int NORM_PRIORITY = 5; // 線程可以擁有的最大優先級 public final static int MAX_PRIORITY = 10 ``` 線程的優先級可以理解為線程搶占 CPU 時間片的概率,優先級越高的線程優先執行的概率就越大,但并不能保證優先級高的線程一定先執行。 在程序中我們可以通過 Thread.setPriority() 來設置優先級,setPriority() 源碼如下: ``` public final void setPriority(int newPriority) { ThreadGroup g; checkAccess(); // 先驗證優先級的合理性 if (newPriority > MAX_PRIORITY || newPriority < MIN_PRIORITY) { throw new IllegalArgumentException(); } if((g = getThreadGroup()) != null) { // 優先級如果超過線程組的最高優先級,則把優先級設置為線程組的最高優先級 if (newPriority > g.getMaxPriority()) { newPriority = g.getMaxPriority(); } setPriority0(priority = newPriority); } } ``` * [ ] 4.線程的常用方法 線程的常用方法有以下幾個。 * (1)join() 在一個線程中調用 other.join() ,這時候當前線程會讓出執行權給 other 線程,直到 other 線程執行完或者過了超時時間之后再繼續執行當前線程,join() 源碼如下: ``` public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException { long base = System.currentTimeMillis(); long now = 0; // 超時時間不能小于 0 if (millis < 0) { throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative"); } // 等于 0 表示無限等待,直到線程執行完為之 if (millis == 0) { // 判斷子線程 (其他線程) 為活躍線程,則一直等待 while (isAlive()) { wait(0); } } else { // 循環判斷 while (isAlive()) { long delay = millis - now; if (delay <= 0) { break; } wait(delay); now = System.currentTimeMillis() - base; } } } ``` 從源碼中可以看出 join() 方法底層還是通過 wait() 方法來實現的。 例如,在未使用 join() 時,代碼如下: ``` public class ThreadExample { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread thread = new Thread(() -> { for (int i = 1; i < 6; i++) { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("子線程睡眠:" + i + "秒。"); } }); thread.start(); // 開啟線程 // 主線程執行 for (int i = 1; i < 4; i++) { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("主線程睡眠:" + i + "秒。"); } } } ``` 程序執行結果為: ``` 主線程睡眠:1秒。 子線程睡眠:1秒。 主線程睡眠:2秒。 子線程睡眠:2秒。 主線程睡眠:3秒。 子線程睡眠:3秒。 子線程睡眠:4秒。 子線程睡眠:5秒。 ``` 從結果可以看出,在未使用 join() 時主子線程會交替執行。 然后我們再把 join() 方法加入到代碼中,代碼如下: ``` public class ThreadExample { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread thread = new Thread(() -> { for (int i = 1; i < 6; i++) { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("子線程睡眠:" + i + "秒。"); } }); thread.start(); // 開啟線程 thread.join(2000); // 等待子線程先執行 2 秒鐘 // 主線程執行 for (int i = 1; i < 4; i++) { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("主線程睡眠:" + i + "秒。"); } } } ``` 程序執行結果為: ``` 子線程睡眠:1秒。 子線程睡眠:2秒。 主線程睡眠:1秒。 // thread.join(2000); 等待 2 秒之后,主線程和子線程再交替執行 子線程睡眠:3秒。 主線程睡眠:2秒。 子線程睡眠:4秒。 子線程睡眠:5秒。 主線程睡眠:3秒。 ``` 從執行結果可以看出,添加 join() 方法之后,主線程會先等子線程執行 2 秒之后才繼續執行。 * (2)yield() 看 Thread 的源碼可以知道 yield() 為本地方法,也就是說 yield() 是由 C 或 C++ 實現的,源碼如下: ``` public static native void yield(); ``` yield() 方法表示給線程調度器一個當前線程愿意出讓 CPU 使用權的暗示,但是線程調度器可能會忽略這個暗示。 比如我們執行這段包含了 yield() 方法的代碼,如下所示: ``` public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Runnable runnable = new Runnable() { @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println("線程:" + Thread.currentThread().getName() + " I:" + i); if (i == 5) { Thread.yield(); } } } }; Thread t1 = new Thread(runnable, "T1"); Thread t2 = new Thread(runnable, "T2"); t1.start(); t2.start(); } ``` 當我們把這段代碼執行多次之后會發現,每次執行的結果都不相同,這是因為 yield() 執行非常不穩定,線程調度器不一定會采納 yield() 出讓 CPU 使用權的建議,從而導致了這樣的結果。 #### 小結 本課時我們介紹了線程的 6 種狀態以及線程的執行流程,還介紹了 BLOCKED(阻塞等待)和 WAITING(等待)的區別,start() 方法和 run() 方法的區別,以及 join() 方法和 yield() 方法的作用,但我們不能死記硬背,要多動手實踐才能真正的理解這些知識點。 #### 課后問答
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