併發程式設計系列學習筆記02（Java中的執行緒）

Java執行緒

建立和執行執行緒

• Thread

    public static void main(String[] args) {
        
        // 建立執行緒物件 lambda
        Thread thread = new Thread(() -> log.info("子執行緒執行"));
        // 設定執行緒名稱
        thread.setName("thread-0000");
        // 啟動執行緒
        thread.start();

        log.info("主執行緒執行完畢");
    }

• Runnable 配合 Thread

    public static void main(String[] args) {

        Runnable task = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                log.info("子執行緒已執行");
            }
        };

        Thread thread = new Thread(task, "thread-0001");

        thread.start();

        log.info("主執行緒執行完畢");
    }

• 使用Runnable小結

  • 將執行緒與任務解耦
  • 從而更容易與執行緒池等高階API配合使用
  • 脫離Thread繼承體系，更靈活

• FutureTask 配合 Thread

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {

    FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(() -> {
        log.info("FutureTask執行");
        Thread.sleep(1000);
        return 100;
    });

    Thread thread = new Thread(futureTask, "thread-0002");

    thread.start();

    // 獲得返回值，阻塞執行緒未執行完時，將阻塞等待返回結果
    Integer result = futureTask.get();

    log.info("獲得返回值 {} ", result);

    log.info("主執行緒執行完畢");
}

觀察多個執行緒執行情況

• 交替執行
• 執行的先後順序不由我們控制

檢視程序與執行緒

• windows

  • 檢視程序：tasklist
  • 殺死程序：taskkill

• linux

  • 檢視所有程序 ps -ef
  • 檢視某程序下所有執行緒 ps -fT -p <PID>
  • 殺死程序 kill
  • 顯示程序 top 按 H 切換執行緒
  • top -H -p <PID> 檢視某個PID下所有執行緒

• Java相關

  • 檢視所有Java 程序 jps
  • 檢視某個Java程序所有執行緒 狀態 jstack <PID>
  • 圖形介面，支援遠端 jconsole

執行緒執行的原理

• 棧與棧楨

  • JVM主要由堆、棧、方法區組成
  • 堆記憶體其實就是分給一個個執行緒使用的
  • 每個執行緒啟動後，虛擬機器會為其分配一塊棧記憶體
  • 每個棧由多個棧楨（Frame）組成，棧楨對應每次方法呼叫所佔記憶體
  • 一個執行緒同時只能有一個活動棧楨，對應正在執行的那個method

• 執行緒上下文切換

  • 由於CPU會在不同執行緒間執行切換，切換時，作業系統將儲存當前執行緒狀態，並恢復另一個執行緒狀態

  • 對應Java中的程式計數器概念，記錄下一條JVM指令的執行地址，為執行緒私有

  • 執行緒狀態資訊包括

    • 程式計數器
    • 每個棧楨的資訊
    • 如：區域性變數、運算元棧、返回地址等

  • 頻繁發生執行緒上下文切換影響效能

常見方法

• start() // 啟動新執行緒，讓執行緒進入就緒狀態
• run() //執行緒被執行後執行的方法
• join() // 等待執行緒執行結束
• join(long n) // 等待結束帶超時時間
• getId() // 執行緒ID
• getName() // 執行緒名稱
• setName(String name) //修改名稱
• getPriority() // 獲取執行緒執行的優先順序
• setPriority(int i) // 設定優先順序，1-10，值越大被CPU排程的機率越高
• getState() // 獲取狀態，一共6個
• isInterrupted() // 判斷是否被打斷，不會清除打斷標記
• isAlive() // 判斷執行緒是否存活，還沒執行完畢
• interrupt() // 打斷執行緒，將丟擲異常，並清除打斷標記（執行緒未在執行）
• interrupted() // 判斷是否被打斷，同時會清除打斷標記
• currentThread() // 獲取當前正在執行的執行緒
• sleep(long n) // 讓執行緒休眠 n 毫秒，讓出CPU時間片
• yield() // 提示執行緒排程器讓出當前執行緒的CPU，一般用於測試或除錯

start 與 run

• 直接呼叫run，則會在主執行緒中直接執行run，不會啟動新的執行緒
• 呼叫 start 才會啟動新執行緒，並通過執行緒間接執行run方法

sleep 與 yield

• sleep會讓執行緒狀態從Running 進入 Timed Waiting，讓執行緒睡眠，染出CPU的時間片給其他執行緒

• yield 是 讓執行緒 從Running進入Runnable，主動讓出CPU對執行緒排程，一般用於除錯

• 執行緒優先順序

  • 僅用於提示排程器優先排程該執行緒，但排程器可能忽略
  • 僅在CPU比較繁忙時才有一定效果，CPU較空閒時幾乎沒有作用

join

• 用於等待指定執行緒執行完畢
• 可設定超時時間，超過時間後，將不再等待

interrupt

• 打斷執行緒執行，並丟擲異常
• 打斷呼叫了sleep的執行緒，被清空其打斷標記，打斷狀態為false
• 打斷正在執行的執行緒，不會清空，打斷狀態為true
• 如果執行緒打斷標記是true，此時呼叫LockSupport.park()暫停執行緒會失效

public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        Sleeper.sleep(1);
    }, "t1");

    t1.start();

    Sleeper.sleep(0.5);
    // 打斷t1執行緒
    t1.interrupt();
    log.info("打斷執行緒t1後，t1的狀態為 {}", 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.com.ebidding.test.Sleeper.sleep(Sleeper.java:14)
	at cn.com.ebidding.test.TestInterrupt.lambda$main$0(TestInterrupt.java:15)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
14:37:19.495 [main] INFO cn.com.ebidding.test.TestInterrupt - 打斷執行緒t1後，t1的狀態為 false

幾個不推薦方法

• stop（停止）、suspend（掛起，暫停）、resume（恢復）
• 已過時，容易破壞同步程式碼塊，最後造成死鎖

主執行緒與守護執行緒

• Java程序預設需等待所有執行緒執行結束，程序才會結束
• 守護執行緒即其他非守護執行緒已結束後，自己會強制結束
• 設定：t1.setDaemon(true)
• 垃圾回收執行緒就是守護執行緒
• Tomcat中的Acceptor 與 Poller 也是，故當Tomcat 執行 shutdown後，不會等待他們處理完當前正在處理的請求

作業系統中的執行緒狀態（五種）

• 初始：剛建立，還未與作業系統關聯
• 可執行：與作業系統已關聯，可由CPU排程
• 執行：已獲取到了CPU時間片，正在執行中；CPU時間片用完，執行中將轉換為可執行，其會導致執行緒上下文切換
• 阻塞：此時執行緒不會用到CPU，但會導致執行緒上下文切換，例如BIO讀寫檔案場景；注意阻塞與可執行加以區分，阻塞狀態的執行緒只要不喚醒，排程器一直不會考慮排程；
• 終止：已執行完畢生命週期接結束，不會再轉換為其他狀態

Java JVM中的執行緒狀態（六種）

• New：剛建立，還未呼叫start
• Runnable：覆蓋了作業系統中的可執行、執行、阻塞（IO讀寫）
• Blocked：阻塞狀態的細分
• Waiting：阻塞狀態的細分
• Timed_waiting：阻塞狀態的細分
• Terminated：執行緒程式碼執行結束