Java线程编程中Thread类的基础学习教程

Z时代
2024-01-10
分类：IT

一.线程的状态

　　在正式学习Thread类中的具体方法之前，我们先来了解一下线程有哪些状态，这个将会有助于后面对Thread类中的方法的理解。

　　线程从创建到最终的消亡，要经历若干个状态。一般来说，线程包括以下这几个状态：创建(new)、就绪(runnable)、运行(running)、阻塞(blocked)、time waiting、waiting、消亡（dead）。

　　当需要新起一个线程来执行某个子任务时，就创建了一个线程。但是线程创建之后，不会立即进入就绪状态，因为线程的运行需要一些条件（比如内存资源，在前面的JVM内存区域划分一篇博文中知道程序计数器、Java栈、本地方法栈都是线程私有的，所以需要为线程分配一定的内存空间），只有线程运行需要的所有条件满足了，才进入就绪状态。

　　当线程进入就绪状态后，不代表立刻就能获取CPU执行时间，也许此时CPU正在执行其他的事情，因此它要等待。当得到CPU执行时间之后，线程便真正进入运行状态。

　　线程在运行状态过程中，可能有多个原因导致当前线程不继续运行下去，比如用户主动让线程睡眠（睡眠一定的时间之后再重新执行）、用户主动让线程等待，或者被同步块给阻塞，此时就对应着多个状态：time waiting（睡眠或等待一定的事件）、waiting（等待被唤醒）、blocked（阻塞）。

　　当由于突然中断或者子任务执行完毕，线程就会被消亡。

　　下面这副图描述了线程从创建到消亡之间的状态：

在有些教程上将blocked、waiting、time waiting统称为阻塞状态，这个也是可以的，只不过这里我想将线程的状态和Java中的方法调用联系起来，所以将waiting和time waiting两个状态分离出来。

二.上下文切换

　　对于单核CPU来说（对于多核CPU，此处就理解为一个核），CPU在一个时刻只能运行一个线程，当在运行一个线程的过程中转去运行另外一个线程，这个叫做线程上下文切换（对于进程也是类似）。

　　由于可能当前线程的任务并没有执行完毕，所以在切换时需要保存线程的运行状态，以便下次重新切换回来时能够继续切换之前的状态运行。举个简单的例子：比如一个线程A正在读取一个文件的内容，正读到文件的一半，此时需要暂停线程A，转去执行线程B，当再次切换回来执行线程A的时候，我们不希望线程A又从文件的开头来读取。

　　因此需要记录线程A的运行状态，那么会记录哪些数据呢？因为下次恢复时需要知道在这之前当前线程已经执行到哪条指令了，所以需要记录程序计数器的值，另外比如说线程正在进行某个计算的时候被挂起了，那么下次继续执行的时候需要知道之前挂起时变量的值时多少，因此需要记录CPU寄存器的状态。所以一般来说，线程上下文切换过程中会记录程序计数器、CPU寄存器状态等数据。

　　说简单点的：对于线程的上下文切换实际上就是存储和恢复CPU状态的过程，它使得线程执行能够从中断点恢复执行。

　　虽然多线程可以使得任务执行的效率得到提升，但是由于在线程切换时同样会带来一定的开销代价，并且多个线程会导致系统资源占用的增加，所以在进行多线程编程时要注意这些因素。

三.Thread类中的方法

　　通过查看java.lang.Thread类的源码可知：

Thread类实现了Runnable接口，在Thread类中，有一些比较关键的属性，比如name是表示Thread的名字，可以通过Thread类的构造器中的参数来指定线程名字，priority表示线程的优先级（最大值为10，最小值为1，默认值为5），daemon表示线程是否是守护线程，target表示要执行的任务。

　　下面是Thread类中常用的方法：

　　以下是关系到线程运行状态的几个方法：

　　1）start方法

　　start()用来启动一个线程，当调用start方法后，系统才会开启一个新的线程来执行用户定义的子任务，在这个过程中，会为相应的线程分配需要的资源。

　　2）run方法

　　run()方法是不需要用户来调用的，当通过start方法启动一个线程之后，当线程获得了CPU执行时间，便进入run方法体去执行具体的任务。注意，继承Thread类必须重写run方法，在run方法中定义具体要执行的任务。

　　3）sleep方法

　　sleep方法有两个重载版本：


sleep(long millis)   //参数为毫秒
sleep(long millis,int nanoseconds)  //第一参数为毫秒，第二个参数为纳秒

　　sleep相当于让线程睡眠，交出CPU，让CPU去执行其他的任务。

　　但是有一点要非常注意，sleep方法不会释放锁，也就是说如果当前线程持有对某个对象的锁，则即使调用sleep方法，其他线程也无法访问这个对象。看下面这个例子就清楚了：


public class Test {
  private int i = 10;
  private Object object = new Object();
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    Test test = new Test();
    MyThread thread1 = test.new MyThread();
    MyThread thread2 = test.new MyThread();
    thread1.start();
    thread2.start();
  } 
  class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
      synchronized (object) {
        i++;
        System.out.println("i:"+i);
        try {
          System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"进入睡眠状态");
          Thread.currentThread().sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
          // TODO: handle exception
        }
        System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"睡眠结束");
        i++;
        System.out.println("i:"+i);
      }
    }
  }
}

　　输出结果：

从上面输出结果可以看出，当Thread-0进入睡眠状态之后，Thread-1并没有去执行具体的任务。只有当Thread-0执行完之后，此时Thread-0释放了对象锁，Thread-1才开始执行。

　　注意，如果调用了sleep方法，必须捕获InterruptedException异常或者将该异常向上层抛出。当线程睡眠时间满后，不一定会立即得到执行，因为此时可能CPU正在执行其他的任务。所以说调用sleep方法相当于让线程进入阻塞状态。

　　4）yield方法

　　调用yield方法会让当前线程交出CPU权限，让CPU去执行其他的线程。它跟sleep方法类似，同样不会释放锁。但是yield不能控制具体的交出CPU的时间，另外，yield方法只能让拥有相同优先级的线程有获取CPU执行时间的机会。

　　注意，调用yield方法并不会让线程进入阻塞状态，而是让线程重回就绪状态，它只需要等待重新获取CPU执行时间，这一点是和sleep方法不一样的。

　　5）join方法

　　join方法有三个重载版本：


join()
join(long millis)   //参数为毫秒
join(long millis,int nanoseconds)  //第一参数为毫秒，第二个参数为纳秒

　　假如在main线程中，调用thread.join方法，则main方法会等待thread线程执行完毕或者等待一定的时间。如果调用的是无参join方法，则等待thread执行完毕，如果调用的是指定了时间参数的join方法，则等待一定的事件。

　　看下面一个例子：


public class Test {
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    System.out.println("进入线程"+Thread.currentThread().getName());
    Test test = new Test();
    MyThread thread1 = test.new MyThread();
    thread1.start();
    try {
      System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"等待");
      thread1.join();
      System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"继续执行");
    } catch (InterruptedException e) {
      // TODO Auto-generated catch block
      e.printStackTrace();
    }
  } 
  class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
      System.out.println("进入线程"+Thread.currentThread().getName());
      try {
        Thread.currentThread().sleep(5000);
      } catch (InterruptedException e) {
        // TODO: handle exception
      }
      System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"执行完毕");
    }
  }
}

　　输出结果：

　　可以看出，当调用thread1.join()方法后，main线程会进入等待，然后等待thread1执行完之后再继续执行。

　　实际上调用join方法是调用了Object的wait方法，这个可以通过查看源码得知：

　　wait方法会让线程进入阻塞状态，并且会释放线程占有的锁，并交出CPU执行权限。

　　由于wait方法会让线程释放对象锁，所以join方法同样会让线程释放对一个对象持有的锁。具体的wait方法使用在后面文章中给出。

　　6）interrupt方法

　　interrupt，顾名思义，即中断的意思。单独调用interrupt方法可以使得处于阻塞状态的线程抛出一个异常，也就说，它可以用来中断一个正处于阻塞状态的线程；另外，通过interrupt方法和isInterrupted()方法来停止正在运行的线程。

　　下面看一个例子：


public class Test {
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    Test test = new Test();
    MyThread thread = test.new MyThread();
    thread.start();
    try {
      Thread.currentThread().sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
    }
    thread.interrupt();
  } 
  class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
      try {
        System.out.println("进入睡眠状态");
        Thread.currentThread().sleep(10000);
        System.out.println("睡眠完毕");
      } catch (InterruptedException e) {
        System.out.println("得到中断异常");
      }
      System.out.println("run方法执行完毕");
    }
  }
}

输出结果：

从这里可以看出，通过interrupt方法可以中断处于阻塞状态的线程。那么能不能中断处于非阻塞状态的线程呢？看下面这个例子：


public class Test {
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    Test test = new Test();
    MyThread thread = test.new MyThread();
    thread.start();
    try {
      Thread.currentThread().sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
    }
    thread.interrupt();
  } 
  class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
      int i = 0;
      while(i<Integer.MAX_VALUE){
        System.out.println(i+" while循环");
        i++;
      }
    }
  }
}

　　运行该程序会发现，while循环会一直运行直到变量i的值超出Integer.MAX_VALUE。所以说直接调用interrupt方法不能中断正在运行中的线程。

　　但是如果配合isInterrupted()能够中断正在运行的线程，因为调用interrupt方法相当于将中断标志位置为true，那么可以通过调用isInterrupted()判断中断标志是否被置位来中断线程的执行。比如下面这段代码：


public class Test {
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    Test test = new Test();
    MyThread thread = test.new MyThread();
    thread.start();
    try {
      Thread.currentThread().sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
    }
    thread.interrupt();
  } 
  class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
      int i = 0;
      while(!isInterrupted() && i<Integer.MAX_VALUE){
        System.out.println(i+" while循环");
        i++;
      }
    }
  }
}

　　运行会发现，打印若干个值之后，while循环就停止打印了。

　　但是一般情况下不建议通过这种方式来中断线程，一般会在MyThread类中增加一个属性 isStop来标志是否结束while循环，然后再在while循环中判断isStop的值。


class MyThread extends Thread{
    private volatile boolean isStop = false;
    @Override
    public void run() {
      int i = 0;
      while(!isStop){
        i++;
      }
    }
    public void setStop(boolean stop){
      this.isStop = stop;
    }
  }

　　那么就可以在外面通过调用setStop方法来终止while循环。

　　7）stop方法

　　stop方法已经是一个废弃的方法，它是一个不安全的方法。因为调用stop方法会直接终止run方法的调用，并且会抛出一个ThreadDeath错误，如果线程持有某个对象锁的话，会完全释放锁，导致对象状态不一致。所以stop方法基本是不会被用到的。

　　8）destroy方法

　　destroy方法也是废弃的方法。基本不会被使用到。

　　以下是关系到线程属性的几个方法：

　　1）getId

　　用来得到线程ID

　　2）getName和setName

　　用来得到或者设置线程名称。

　　3）getPriority和setPriority

　　用来获取和设置线程优先级。