## 27 Thread 源碼解析 ## 引導語 從本章開始我們開始學習線程的知識，線程是非常有趣的一個章節，大多數同學對于線程 API，屬于不用就忘，到用時需要百度的情況，希望通過本小節的源碼閱讀，能夠加深對線程的印象。 本小節主要三章，本章主要說線程的基本概念、使用姿勢、Thread 和 Runnable 的源碼；Future、ExecutorService 源碼解析章節主要說異步線程執行；押寶線程源碼面試題章節主要說說常遇到的源碼面試題。 由于線程的概念很多，所以本章會先介紹很多線程的基本概念，說清楚后再解析源碼，不然有些同學會看不懂，大家見諒。 ### 1 類注釋 #### 1.1 Thread 1. 每個線程都有優先級，高優先級的線程可能會優先執行； 2. 父線程創建子線程后，優先級、是否是守護線程等屬性父子線程是一致的； 3. JVM 啟動時，通常都啟動 MAIN 非守護線程，以下任意一個情況發生時，線程就會停止： 退出方法被調用，并且安全機制允許這么做（比如調用 Thread.interrupt 方法）； 所有非守護線程都消亡，或者從運行的方法正常返回，或者運行的方法拋出了異常； 4. 每個線程都有名字，多個線程可能具有相同的名字，Thread 有的構造器如果沒有指定名字，會自動生成一個名字。 ### 2 線程的基本概念 我們接下來介紹一下線程的基本概念： #### 2.1 線程的狀態 網上有各種介紹線程狀態的文章，我們這里說線程的狀態是從源碼的角度，源碼中一共列舉了六種狀態，如下圖： 我們解析一下這個圖：  1. NEW 表示線程創建成功，但沒有運行，在 new Thread 之后，沒有 start 之前，線程的狀態都是 NEW； 2. 當我們運行 strat 方法，子線程被創建成功之后，子線程的狀態變成 RUNNABLE，RUNNABLE 表示線程正在運行中； 3. 子線程運行完成、被打斷、被中止，狀態都會從 RUNNABLE 變成 TERMINATED，TERMINATED 表示線程已經運行結束了； 4. 如果線程正好在等待獲得 monitor lock 鎖，比如在等待進入 synchronized 修飾的代碼塊或方法時，會從 RUNNABLE 變成 BLOCKED，BLOCKED 表示阻塞的意思； 5. WAITING 和 TIMEDWAITING 類似，都表示在遇到 Object#wait、Thread#join、LockSupport#park 這些方法時，線程就會等待另一個線程執行完特定的動作之后，才能結束等待，只不過 TIMEDWAITING 是帶有等待時間的（可以看下面的 join 方法的 demo）。 再次重申，這 6 種狀態并不是線程所有的狀態，只是在 Java 源碼中列舉出的 6 種狀態， Java 線程的處理方法都是圍繞這 6 種狀態的。 #### 2.2 優先級 優先級代表線程執行的機會的大小，優先級高的可能先執行，低的可能后執行，在 Java 源碼中，優先級從低到高分別是 1 到 10，線程默認 new 出來的優先級都是 5，源碼如下： ``` // 最低優先級 public final static int MIN_PRIORITY = 1; // 普通優先級，也是默認的 public final static int NORM_PRIORITY = 5; // 最大優先級 public final static int MAX_PRIORITY = 10; ``` #### 2.3 守護線程 我們默認創建的線程都是非守護線程。創建守護線程時，需要將 Thread 的 daemon 屬性設置成 true，守護線程的優先級很低，當 JVM 退出時，是不關心有無守護線程的，即使還有很多守護線程，JVM 仍然會退出，我們在工作中，可能會寫一些工具做一些監控的工作，這時我們都是用守護子線程去做，這樣即使監控拋出異常，但因為是子線程，所以也不會影響到業務主線程，因為 是守護線程，所以 JVM 也無需關注監控是否正在運行，該退出就退出，所以對業務不會產生任何影響。 #### 2.4 ClassLoader ClassLoader 我們可以簡單理解成類加載器，就是把類從文件、二進制數組、URL 等位置加載成可運行 Class。 ### 3 線程兩種初始化方式 無返回值的線程主要有兩種初始化方式： #### 3.1 繼承 Thread，成為 Thread 的子類 ``` // 繼承 Thread，實現其 run 方法 class MyThread extends Thread{ @Override public void run() { log.info(Thread.currentThread().getName()); } } @Test // 調用 start 方法即可，會自動調用到 run 方法的 public void extendThreadInit(){ new MyThread().start(); } ``` 上述代碼打印出的線程名稱是：Thread-0，而主線程的名字是：Thread [main,5,main]，由此可見，的確是開了一個子線程來執行打印的操作。 我們一起來看下 start 的底層源碼： ``` // 該方法可以創建一個新的線程出來 public synchronized void start() { // 如果沒有初始化，拋異常 if (threadStatus != 0) throw new IllegalThreadStateException(); group.add(this); // started 是個標識符，我們在做一些事情的時候，經常這么寫 // 動作發生之前標識符是 false，發生完成之后變成 true boolean started = false; try { // 這里會創建一個新的線程，執行完成之后，新的線程已經在運行了，既 target 的內容已經在運行了 start0(); // 這里執行的還是主線程 started = true; } finally { try { // 如果失敗，把線程從線程組中刪除 if (!started) { group.threadStartFailed(this); } // Throwable 可以捕捉一些 Exception 捕捉不到的異常，比如說子線程拋出的異常 } catch (Throwable ignore) { /* do nothing. If start0 threw a Throwable then it will be passed up the call stack */ } } } // 開啟新線程使用的是 native 方法 private native void start0(); ``` #### 3.2 實現 Runnable 接口，作為 Thread 的入參 ``` Thread thread = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { log.info("{} begin run",Thread.currentThread().getName()); } }); // 開一個子線程去執行 thread.start(); // 不會新起線程，是在當前主線程上繼續運行 thread.run(); ``` 這種就是實現 Runnable 的接口，并作為 Thread 構造器的入參，我們調用時使用了兩種方式，可以根據情況選擇使用 start 或 run 方法，使用 start 會開啟子線程來執行 run 里面的內容，使用 run 方法執行的還是主線程。 我們來看下 run 方法的源碼： ``` // 簡單的運行，不會新起線程，target 是 Runnable public void run() { if (target != null) { target.run(); } } ``` 源碼中的 target 就是在 new Thread 時，賦值的 Runnable。 ### 4 線程初始化 線程初始化的源碼有點長，我們只看比較重要的代碼 (不重要的被我刪掉了)，如下： ``` // 無參構造器，線程名字自動生成 public Thread() { init(null, null, "Thread-" + nextThreadNum(), 0); } // g 代表線程組，線程組可以對組內的線程進行批量的操作，比如批量的打斷 interrupt // target 是我們要運行的對象 // name 我們可以自己傳，如果不傳默認是 "Thread-" + nextThreadNum()，nextThreadNum 方法返回的是自增的數字 // stackSize 可以設置堆棧的大小 private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name, long stackSize, AccessControlContext acc) { if (name == null) { throw new NullPointerException("name cannot be null"); } this.name = name.toCharArray(); // 當前線程作為父線程 Thread parent = currentThread(); this.group = g; // 子線程會繼承父線程的守護屬性 this.daemon = parent.isDaemon(); // 子線程繼承父線程的優先級屬性 this.priority = parent.getPriority(); // classLoader if (security == null || isCCLOverridden(parent.getClass())) this.contextClassLoader = parent.getContextClassLoader(); else this.contextClassLoader = parent.contextClassLoader; this.inheritedAccessControlContext = acc != null ? acc : AccessController.getContext(); this.target = target; setPriority(priority); // 當父線程的 inheritableThreadLocals 的屬性值不為空時 // 會把 inheritableThreadLocals 里面的值全部傳遞給子線程 if (parent.inheritableThreadLocals != null) this.inheritableThreadLocals = ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals); this.stackSize = stackSize; /* Set thread ID */ // 線程 id 自增 tid = nextThreadID(); } ``` 從初始化源碼中可以看到，很多屬性，子線程都是直接繼承父線程的，包括優先性、守護線程、inheritableThreadLocals 里面的值等等。 ### 5 線程其他操作 #### 5.1 join join 的意思就是當前線程等待另一個線程執行完成之后，才能繼續操作，我們寫了一個 demo，如下： ``` @Test public void join() throws Exception { Thread main = Thread.currentThread(); log.info("{} is run。",main.getName()); Thread thread = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { log.info("{} begin run",Thread.currentThread().getName()); try { Thread.sleep(30000L); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } log.info("{} end run",Thread.currentThread().getName()); } }); // 開一個子線程去執行 thread.start(); // 當前主線程等待子線程執行完成之后再執行 thread.join(); log.info("{} is end", Thread.currentThread()); } ``` 執行的結果，就是主線程在執行 thread.join (); 代碼后會停住，會等待子線程沉睡 30 秒后再執行，這里的 join 的作用就是讓主線程等待子線程執行完成，我們畫一個圖示意一下：  從圖中可以看出，主線程一直等待子線程沉睡 30s 后才繼續執行，在等待期間，主線程的狀態也是TIMED_WAITING。 #### 5.2 yield yield 是個 native 方法，底層代碼如下： ``` public static native void yield(); ``` 意思是當前線程做出讓步，放棄當前 cpu，讓 cpu 重新選擇線程，避免線程過度使用 cpu，我們在寫 while 死循環的時候，預計短時間內 while 死循環可以結束的話，可以在循環里面使用 yield 方法，防止 cpu 一直被 while 死循環霸占。 有點需要說明的是，讓步不是絕不執行，重新競爭時，cpu 也有可能重新選中自己。 #### 5.3 sleep sleep 也是 native 方法，可以接受毫秒的一個入參，也可以接受毫秒和納秒的兩個入參，意思是當前線程會沉睡多久，沉睡時不會釋放鎖資源，所以沉睡時，其它線程是無法得到鎖的。 接受毫秒和納秒兩個入參時，如果給定納秒大于等于 0.5 毫秒，算一個毫秒，否則不算。 #### 5.4 interrupt interrupt 中文是打斷的意思，意思是可以打斷中止正在運行的線程，比如： 1. Object#wait ()、Thread#join ()、Thread#sleep (long) 這些方法運行后，線程的狀態是 WAITING 或 TIMED_WAITING，這時候打斷這些線程，就會拋出 InterruptedException 異常，使線程的狀態直接到 TERMINATED； 2. 如果 I/O 操作被阻塞了，我們主動打斷當前線程，連接會被關閉，并拋出 ClosedByInterruptException 異常； 我們舉一個例子來說明如何打斷 WAITING 的線程，代碼如下： ``` @Test public void testInterrupt() throws InterruptedException { Thread thread = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { log.info("{} begin run",Thread.currentThread().getName()); try { log.info("子線程開始沉睡 30 s"); Thread.sleep(30000L); } catch (InterruptedException e) { log.info("子線程被打斷"); e.printStackTrace(); } log.info("{} end run",Thread.currentThread().getName()); } }); // 開一個子線程去執行 thread.start(); Thread.sleep(1000L); log.info("主線程等待 1s 后，發現子線程還沒有運行成功，打斷子線程"); thread.interrupt(); } ``` 例子主要說的是，主線程會等待子線程執行 1s，如果 1s 內子線程還沒有執行完，就會打斷子線程，子線程被打斷后，會拋出 InterruptedException 異常，執行結束，運行的結果如下圖：  ### 6 總結 本章主要介紹了線程的基本概念、狀態、無返回值線程的初始化方式和線程的常用操作，這些知識也是工作中常用的，也是大家都必須了解的，為后面的學習打下基礎。