详解JUC并发编程中的进程与线程学习

进程与线程

进程

程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至 CPU，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的
当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程。
进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本、画图、浏览器等），也有的程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐、360 安全卫士等）

线程

线程是主要负责运行指令，进程是主要管加载指令。

一个进程之内可以分为一到多个线程。

一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行

Java 中，线程作为最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。在 windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器

同步异步

需要等待结果返回，才能继续运行就是同步
不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步

串行并行执行时间

使用多核cpu并行执行可以明显的提高执行效率

串行执行时间 = 各个线程时间累加和 + 汇总时间
并行执行时间 = 最慢的线程时间 + 汇总时间

注意：单核依然是并发的思想（即：cpu轮流去执行线程，微观上仍旧是串行），使用单核的多线程可能会比使用单核的单线程慢，这是因为多线程上下文切换反而浪费了时间。

创建和运行线程

1.使用 Thread

public static void main(String[] args) {
        // 创建线程对象
        Thread t = new Thread("线程1") {
            public void run() {
                // 要执行的任务
                log.debug("线程1被启动了");
            }
        };
        // 启动线程
        t.start();
        log.debug("测试");
    }

2.使用 Runnable 配合 Thread

public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            public void run() {
                // 要执行的任务
                log.debug("线程1被启动了");
            }
        };
        // 创建线程对象
        Thread t = new Thread(runnable);
        t.setName("线程1");
        // 启动线程
        t.start();
        log.debug("测试");
    }

这里的Runnable是一个接口，接口中只有一个抽象方法，由我们来提供实现，实现中包含线程的代码就可以了。

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    /**
     * When an object implementing interface <code>Runnable</code> is used
     * to create a thread, starting the thread causes the object's
     * <code>run</code> method to be called in that separately executing
     * thread.
     * <p>
     * The general contract of the method <code>run</code> is that it may
     * take any action whatsoever.
     *
     * @see     java.lang.Thread#run()
     */
    public abstract void run();
}

Thread 与 Runnable 的关系原理分析

方法1原理分析

方法2是使用runnable对象，当成参数传给Thread构造方法，其中又调用了init方法，下面是Thread构造方法的源码

public Thread(Runnable target) {
        init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
    }

继续跟踪查看runnable对象传到哪里去了，可以看到又传给了另一个重载的init，如下

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,                      long stackSize) {        init(g, target, name, stackSize, null, true);    }private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize) {
        init(g, target, name, stackSize, null, true);
    }

再次跟踪可以看到是把runnable对象传给了一个thread的一个成员变量

//省略部分代码
this.target = target;

那么这个成员变量在哪里在使用了呢，经过查找可以发现是在run方法里面，只不过Thread发现有runnable对象就会先采用runnable的run方法。

@Override
    public void run() {
        if (target != null) {
            target.run();
        }
    }

方法2原理分析

通过创建一个子类去重写Thread类的run方法，这样就不会执行父类的run方法。

1.用 Runnable 更容易与线程池等高级 API 配合

2.用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活

方法3 FutureTask配合Thread创建线程

在这里插入图片描述

Future接口中含有get方法来返回结果的

//省略部分代码
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

而runnable本身是没有返回结果的，runnable不能将结果传给其他线程。

public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

要注意到FutureTask也实现了Runnable接口，也可以传给Thread的有参构造里面。

创建线程的代码

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 创建任务对象
        FutureTask<Integer> task3 = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                log.debug("线程1被执行了");
                return 666;
            }
        });
        // 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
        new Thread(task3, "线程1").start();
        // 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
        Integer result = task3.get();
        log.debug("结果是:{}", result);
    }

查看进程

任务管理器可以查看进程和线程数，也可以用来杀死进程，也可以在控制台使用tasklist查看进程taskkill杀死进程
jconsole 远程监控配置来查看

线程运行原理

JVM 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈就是给线程使用的。

在这里插入图片描述

方法调用时，就会对该方法产生一个栈帧，方法的局部变量都会在栈帧中存储。栈是后进先出，当method2执行完就会回收，在执行完同时会记录返回地址，然后在method1中继续执行。

线程之间的栈帧是相互独立的，之间互不干扰。

线程上下文切换

当上下文切换时，要保存当前的状态，因为可能是时间片用完了，此时线程还没有结束。Java中对应的就是程序计数器

start与run方法

启动一个线程必须要用start方法，如果直接调用类里面的run方法实际走的是main主线程。

线程start前getState()得到的是NEW

线程start后getState()得到的是RUNNABLE

public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread("t1") {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("t1被启动");
            }
        };
        System.out.println(t1.getState());
        t1.start();
        System.out.println(t1.getState());
    }

sleep方法

在sleep期间调用getState()方法可以得到TIMED_WAITING

public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread("线程1") {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        t1.start();
        log.debug("线程1 state: {}", t1.getState());
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("线程1 state: {}", t1.getState());
    }

sleep打断

sleep可以使用interrupt方法打断，打断后会触发InterruptedException异常

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread("t1") {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("进入睡眠");
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    log.debug("被唤醒");
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        t1.start();
        Thread.sleep(1000);
        log.debug("打断");
        t1.interrupt();
    }

sleep防止cpu使用100%

在没有利用cpu来计算时，不要让while(true)空转浪费cpu，这时可以使用yield或 sleep 来让出cpu的使用权给其他程序

yield方法会把cpu的使用权让出去，然后调度执行其它线程。线程的调度最终还是依赖的操作系统的调度器。

join方法

该方法会等待线程的结束

static int r = 11;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        test1();
    }
    private static void test1() throws InterruptedException {
        log.debug("主线程开始");
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            sleep(1);
            r = 888;
        },"线程1");
        t1.start();
//        t1.join();
        log.debug(String.valueOf(r));
        log.debug("主线程线程结束");
    }

join没有使用时，返回的是11，若是使用join返回的是888，是主线程在同步等待线程1。

当然还有其他的方法等待

1.sleep方法等待线程1结束

2.利用FutureTask的get方法

join（long n）方法可以传入参数，等待线程运行结束,最多等待 n 毫秒，假如执行时间大于等待的时间，就会不再等待。那么该线程会直接结束吗？答案是不会。

如下代码

public class Test10 {
    static int r = 11;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        test1();
    }
    private static void test1() throws InterruptedException {
        log.debug("主线程开始");
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            sleep(2);
            r = 888;
            log.debug("线程1结束");
        },"线程1");
        t1.start();
        t1.join(1000);
        log.debug(String.valueOf(r));
        log.debug("主线程线程结束");
    }
}

输出结果，可以看到这里只是主线程不再等待。

16:28:53.360 c.Test10 [main] - 主线程开始
16:28:54.411 c.Test10 [main] - 11
16:28:54.411 c.Test10 [main] - 主线程线程结束
16:28:55.404 c.Test10 [线程1] - 线程1结束

interrupt 方法

interrupt可以用来打断处于阻塞状态的线程。在打断后，会有一个打断标记（布尔值）会提示是否被打断过，被打断过标记为true否则为false.
但是sleep、wait和join可以来清空打断标记。

代码如下

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("sleep...");
            try {
                Thread.sleep(4000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"t1");
        t1.start();
        Thread.sleep(1000);
        log.debug("interrupt");
        t1.interrupt();
        log.debug("打断标记:{}", t1.isInterrupted());
    }

线程被打断后并不会结束运行，有人就会问了，那我们如何在打断线程后关闭线程呢？答案就是利用打断标记去实现。

可以在线程的死循环之中加入一个判断去实现。

boolean interrupted = Thread.currentThread().isInterrupted();
                if(interrupted) {
                    log.debug("退出循环");
                    break;
                }

守护进程

Java 进程通常需要所有线程都运行结束，才会结束。

但是存在一种守护进程，只要其他非守护进程结束，守护进程就会结束。垃圾回收器就使用的守护进程。

线程的状态

操作系统层面（早期进程的状态）

在这里插入图片描述

初始状态在语言层面创建了线程对象，还未与操作系统线程关联
可运行状态（就绪状态）指该线程已经被创建（与操作系统线程关联），可以由 CPU 调度执行任务。
运行状态获取了 CPU 时间片运行中的状态
调用阻塞api使运行状态转为阻塞状态
终止状态表示线程已经执行完毕

Java API 层面

在这里插入图片描述

1、新建状态（New）

Thread t1 = new Thread("t1") {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running...");
            }
        };
log.debug("t1 state {}", t1.getState());

2、就绪状态（Runnable）与运行状态（Running）

Thread t2 = new Thread("t2") {
            @Override
            public void run() {
                while(true) { // runnable
                }
            }
        };
t2.start();
log.debug("t2 state {}", t2.getState());

3、阻塞状态（Blocked）

用一个线程拿到锁，使得当前线程没拿到锁会出现阻塞状态。

Thread t6 = new Thread("t6") {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (TestState.class) { // blocked
                    try {
                        Thread.sleep(90000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
t6.start();

4、等待状态（Waiting）

等待一个未执行完成的线程

t2.join(); //等待状态

5、超时等待（Time_Waiting）

可以在指定的时间自行返回的。

6、终止状态（TERMINATED）

线程执行完了或者因异常退出了run()方法，该线程结束生命周期。终止的线程不可再次复生。

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目录

进程与线程

进程

线程

同步异步

串行并行执行时间

创建和运行线程

Thread 与 Runnable 的关系原理分析

查看进程

线程运行原理

线程上下文切换

start与run方法

sleep方法

sleep打断

join方法

interrupt 方法

守护进程

线程的状态

Java API 层面

总结

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