計算機程序的思維邏輯 (65) - 線程的基本概念

發(fā)布時間：2017年05月17日作者： IT網(wǎng)絡(luò)文摘 (該文來自筆記，點擊查看原文)

在之前的章節(jié)中，我們都是假設(shè)程序中只有一條執(zhí)行流，程序從main方法的第一條語句逐條執(zhí)行直到結(jié)束。從本節(jié)開始，我們討論并發(fā)，在程序中創(chuàng)建線程來啟動多條執(zhí)行流，并發(fā)和線程是一個復(fù)雜的話題，本節(jié)，我們先來討論Java中線程的一些基本概念。

創(chuàng)建線程

線程表示一條單獨的執(zhí)行流，它有自己的程序執(zhí)行計數(shù)器，有自己的棧。下面，我們通過創(chuàng)建線程來對線程建立一個直觀感受，在Java中創(chuàng)建線程有兩種方式，一種是繼承Thread，另外一種是實現(xiàn)Runnable接口，我們先來看第一種。

繼承Thread

Java中java.lang.Thread這個類表示線程，一個類可以繼承Thread并重寫其run方法來實現(xiàn)一個線程，如下所示：

public class HelloThread extends Thread {
    
    @Override    public void run() {
        System.out.println("hello");
    }
}

HelloThread這個類繼承了Thread，并重寫了run方法。run方法的方法簽名是固定的，public，沒有參數(shù)，沒有返回值，不能拋出受檢異常。run方法類似于單線程程序中的main方法，線程從run方法的第一條語句開始執(zhí)行直到結(jié)束。

定義了這個類不代表代碼就會開始執(zhí)行，線程需要被啟動，啟動需要先創(chuàng)建一個HelloThread對象，然后調(diào)用Thread的start方法，如下所示：

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new HelloThread();
    thread.start();
}

我們在main方法中創(chuàng)建了一個線程對象，并調(diào)用了其start方法，調(diào)用start方法后，HelloThread的run方法就會開始執(zhí)行，屏幕輸出：

hello

為什么調(diào)用的是start，執(zhí)行的卻是run方法呢？start表示啟動該線程，使其成為一條單獨的執(zhí)行流，背后，操作系統(tǒng)會分配線程相關(guān)的資源，每個線程會有單獨的程序執(zhí)行計數(shù)器和棧，操作系統(tǒng)會把這個線程作為一個獨立的個體進行調(diào)度，分配時間片讓它執(zhí)行，執(zhí)行的起點就是run方法。

如果不調(diào)用start，而直接調(diào)用run方法呢？屏幕的輸出并不會發(fā)生變化，但并不會啟動一條單獨的執(zhí)行流，run方法的代碼依然是在main線程中執(zhí)行的，run方法只是main方法調(diào)用的一個普通方法。

怎么確認代碼是在哪個線程中執(zhí)行的呢？Thread有一個靜態(tài)方法currentThread，返回當前執(zhí)行的線程對象：

public static native Thread currentThread();

每個Thread都有一個id和name：

public long getId()public final String getName()

這樣，我們就可以判斷代碼是在哪個線程中執(zhí)行的，我們在HelloThead的run方法中加一些代碼：

@Overridepublic void run() {
    System.out.println("thread name: "+ Thread.currentThread().getName());
    System.out.println("hello");
}

如果在main方法中通過start方法啟動線程，程序輸出為：

thread name: Thread-0hello

如果在main方法中直接調(diào)用run方法，程序輸出為：

thread name: main
hello

調(diào)用start后，就有了兩條執(zhí)行流，新的一條執(zhí)行run方法，舊的一條繼續(xù)執(zhí)行main方法，兩條執(zhí)行流并發(fā)執(zhí)行，操作系統(tǒng)負責調(diào)度，在單CPU的機器上，同一時刻只能有一個線程在執(zhí)行，在多CPU的機器上，同一時刻可以有多個線程同時執(zhí)行，但操作系統(tǒng)給我們屏蔽了這種差異，給程序員的感覺就是多個線程并發(fā)執(zhí)行，但哪條語句先執(zhí)行哪條后執(zhí)行是不一定的。當所有線程都執(zhí)行完畢的時候，程序退出。

實現(xiàn)Runnable接口

通過繼承Thread來實現(xiàn)線程雖然比較簡單，但我們知道，Java中只支持單繼承，每個類最多只能有一個父類，如果類已經(jīng)有父類了，就不能再繼承Thread，這時，可以通過實現(xiàn)java.lang.Runnable接口來實現(xiàn)線程。

Runnable接口的定義很簡單，只有一個run方法，如下所示：

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

一個類可以實現(xiàn)該接口，并實現(xiàn)run方法，如下所示：

public class HelloRunnable implements Runnable {

    @Override    public void run() {
        System.out.println("hello");
    }
}

僅僅實現(xiàn)Runnable是不夠的，要啟動線程，還是要創(chuàng)建一個Thread對象，但傳遞一個Runnable對象，如下所示：

public static void main(String[] args) {
    Thread helloThread = new Thread(new HelloRunnable());
    helloThread.start();
}

無論是通過繼承Thead還是實現(xiàn)Runnable接口來實現(xiàn)線程，啟動線程都是調(diào)用Thread對象的start方法。

線程的基本屬性和方法

id和name

前面我們提到，每個線程都有一個id和name，id是一個遞增的整數(shù)，每創(chuàng)建一個線程就加一，name的默認值是"Thread-"后跟一個編號，name可以在Thread的構(gòu)造方法中進行指定，也可以通過setName方法進行設(shè)置，給Thread設(shè)置一個友好的名字，可以方便調(diào)試。

優(yōu)先級

線程有一個優(yōu)先級的概念，在Java中，優(yōu)先級從1到10，默認為5，相關(guān)方法是：

public final void setPriority(int newPriority)public final int getPriority()

這個優(yōu)先級會被映射到操作系統(tǒng)中線程的優(yōu)先級，不過，因為操作系統(tǒng)各不相同，不一定都是10個優(yōu)先級，Java中不同的優(yōu)先級可能會被映射到操作系統(tǒng)中相同的優(yōu)先級，另外，優(yōu)先級對操作系統(tǒng)而言更多的是一種建議和提示，而非強制，簡單的說，在編程中，不要過于依賴優(yōu)先級。

狀態(tài)

線程有一個狀態(tài)的概念，Thread有一個方法用于獲取線程的狀態(tài)：

public State getState()

返回值類型為Thread.State，它是一個枚舉類型，有如下值：

public enum State {
  NEW,
  RUNNABLE,
  BLOCKED,
  WAITING,
  TIMED_WAITING,
  TERMINATED;
}

關(guān)于這些狀態(tài)，我們簡單解釋下：

NEW: 沒有調(diào)用start的線程狀態(tài)為NEW
TERMINATED: 線程運行結(jié)束后狀態(tài)為TERMINATED
RUNNABLE: 調(diào)用start后線程在執(zhí)行run方法且沒有阻塞時狀態(tài)為RUNNABLE，不過，RUNNABLE不代表CPU一定在執(zhí)行該線程的代碼，可能正在執(zhí)行也可能在等待操作系統(tǒng)分配時間片，只是它沒有在等待其他條件
BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING：都表示線程被阻塞了，在等待一些條件，其中的區(qū)別我們在后續(xù)章節(jié)再介紹

Thread還有一個方法，返回線程是否活著：

public final native boolean isAlive()

線程被啟動后，run方法運行結(jié)束前，返回值都是true。

是否daemo線程

Thread有一個是否daemo線程的屬性，相關(guān)方法是：

public final void setDaemon(boolean on)public final boolean isDaemon()

前面我們提到，啟動線程會啟動一條單獨的執(zhí)行流，整個程序只有在所有線程都結(jié)束的時候才退出，但daemo線程是例外，當整個程序中剩下的都是daemo線程的時候，程序就會退出。

daemo線程有什么用呢？它一般是其他線程的輔助線程，在它輔助的主線程退出的時候，它就沒有存在的意義了。在我們運行一個即使最簡單的"hello world"類型的程序時，實際上，Java也會創(chuàng)建多個線程，除了main線程外，至少還有一個負責垃圾回收的線程，這個線程就是daemo線程，在main線程結(jié)束的時候，垃圾回收線程也會退出。

sleep方法

Thread有一個靜態(tài)的sleep方法，調(diào)用該方法會讓當前線程睡眠指定的時間，單位是毫秒：

public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;

睡眠期間，該線程會讓出CPU，但睡眠的時間不一定是確切的給定毫秒數(shù)，可能有一定的偏差，偏差與系統(tǒng)定時器和操作系統(tǒng)調(diào)度器的準確度和精度有關(guān)。

睡眠期間，線程可以被中斷，如果被中斷，sleep會拋出InterruptedException，關(guān)于中斷以及中斷處理，我們后續(xù)章節(jié)再介紹。

yield方法

Thread還有一個讓出CPU的方法：

public static native void yield();

這也是一個靜態(tài)方法，調(diào)用該方法，是告訴操作系統(tǒng)的調(diào)度器，我現(xiàn)在不著急占用CPU，你可以先讓其他線程運行。不過，這對調(diào)度器也僅僅是建議，調(diào)度器如何處理是不一定的，它可能完全忽略該調(diào)用。

join方法

在前面HelloThread的例子中，HelloThread沒執(zhí)行完，main線程可能就執(zhí)行完了，Thread有一個join方法，可以讓調(diào)用join的線程等待該線程結(jié)束，join方法的聲明為：

 public final void join() throws InterruptedException

在等待線程結(jié)束的過程中，這個等待可能被中斷，如果被中斷，會拋出InterruptedException。

join方法還有一個變體，可以限定等待的最長時間，單位為毫秒，如果為0，表示無期限等待：

public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException

在前面的HelloThread示例中，如果希望main線程在子線程結(jié)束后再退出，main方法可以改為：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread thread = new HelloThread();
    thread.start();
    thread.join();
}

過時方法

Thread類中還有一些看上去可以控制線程生命周期的方法，如：

public final void stop()public final void suspend()public final void resume()

這些方法因為各種原因已被標記為了過時，我們不應(yīng)該在程序中使用它們。

共享內(nèi)存及問題

共享內(nèi)存

前面我們提到，每個線程表示一條單獨的執(zhí)行流，有自己的程序計數(shù)器，有自己的棧，但線程之間可以共享內(nèi)存，它們可以訪問和操作相同的對象。我們看個例子，代碼如下：

public class ShareMemoryDemo {    private static int shared = 0;    
    private static void incrShared(){
        shared ++;
    }    
    static class ChildThread extends Thread {
        List<String> list;        
        public ChildThread(List<String> list) {            this.list = list;
        }

        @Override        public void run() {
            incrShared();
            list.add(Thread.currentThread().getName());
        }
    }    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        Thread t1 = new ChildThread(list);
        Thread t2 = new ChildThread(list);
        t1.start();
        t2.start();
        
        t1.join();
        t2.join();
        
        System.out.println(shared);
        System.out.println(list);
    }
}

在代碼中，定義了一個靜態(tài)變量shared和靜態(tài)內(nèi)部類ChildThread，在main方法中，創(chuàng)建并啟動了兩個ChildThread對象，傳遞了相同的list對象，ChildThread的run方法訪問了共享的變量shared和list，main方法最后輸出了共享的shared和list的值，大部分情況下，會輸出期望的值：

2[Thread-0, Thread-1]

通過這個例子，我們想強調(diào)說明執(zhí)行流、內(nèi)存和程序代碼之間的關(guān)系。

該例中有三條執(zhí)行流，一條執(zhí)行main方法，另外兩條執(zhí)行ChildThread的run方法。
不同執(zhí)行流可以訪問和操作相同的變量，如本例中的shared和list變量。
不同執(zhí)行流可以執(zhí)行相同的程序代碼，如本例中incrShared方法，ChildThread的run方法，被兩條ChildThread執(zhí)行流執(zhí)行，incrShared方法是在外部定義的，但被ChildThread的執(zhí)行流執(zhí)行，在分析代碼執(zhí)行過程時，理解代碼在被哪個線程執(zhí)行是很重要的。
當多條執(zhí)行流執(zhí)行相同的程序代碼時，每條執(zhí)行流都有單獨的棧，方法中的參數(shù)和局部變量都有自己的一份。

當多條執(zhí)行流可以操作相同的變量時，可能會出現(xiàn)一些意料之外的結(jié)果，我們來看下。

競態(tài)條件

所謂競態(tài)條件(race condition)是指，當多個線程訪問和操作同一個對象時，最終執(zhí)行結(jié)果與執(zhí)行時序有關(guān)，可能正確也可能不正確，我們看一個例子：

public class CounterThread extends Thread {    private static int counter = 0;
    
    @Override    public void run() {        try {
            Thread.sleep((int)(Math.random()*100));
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        counter ++;
    }    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        int num = 1000;
        Thread[] threads = new Thread[num];        for(int i=0; i<num; i++){
            threads[i] = new CounterThread();
            threads[i].start();
        }        
        for(int i=0; i<num; i++){
            threads[i].join();
        }
        
        System.out.println(counter);
    }
}

這段代碼容易理解，有一個共享靜態(tài)變量counter，初始值為0，在main方法中創(chuàng)建了1000個線程，每個線程就是隨機睡一會，然后對counter加1，main線程等待所有線程結(jié)束后輸出counter的值。

期望的結(jié)果是1000，但實際執(zhí)行，發(fā)現(xiàn)每次輸出的結(jié)果都不一樣，一般都不是1000，經(jīng)常是900多。為什么會這樣呢？因為counter++這個操作不是原子操作，它分為三個步驟：

取counter的當前值
在當前值基礎(chǔ)上加1
將新值重新賦值給counter

兩個線程可能同時執(zhí)行第一步，取到了相同的counter值，比如都取到了100，第一個線程執(zhí)行完后counter變?yōu)?01，而第二個線程執(zhí)行完后還是101，最終的結(jié)果就與期望不符。

怎么解決這個問題呢？有多種方法：

使用synchronized關(guān)鍵字
使用顯式鎖
使用原子變量

關(guān)于這些方法，我們在后續(xù)章節(jié)再介紹。

內(nèi)存可見性

多個線程可以共享訪問和操作相同的變量，但一個線程對一個共享變量的修改，另一個線程不一定馬上就能看到，甚至永遠也看不到，這可能有悖直覺，我們來看一個例子。

public class VisibilityDemo {    private static boolean shutdown = false;    
    static class HelloThread extends Thread {
        @Override        public void run() {            while(!shutdown){                // do nothing            }
            System.out.println("exit hello");
        }
    }    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        new HelloThread().start();
        Thread.sleep(1000);
        shutdown = true;
        System.out.println("exit main");
    }
}

在這個程序中，有一個共享的boolean變量shutdown，初始為false，HelloThread在shutdown不為true的情況下一直死循環(huán)，當shutdown為true時退出并輸出"exit hello"，main線程啟動HelloThread后睡了一會，然后設(shè)置shutdown為true，最后輸出"exit main"。

期望的結(jié)果是兩個線程都退出，但實際執(zhí)行，很可能會發(fā)現(xiàn)HelloThread永遠都不會退出，也就是說，在HelloThread執(zhí)行流看來，shutdown永遠為false，即使main線程已經(jīng)更改為了true。

這是怎么回事呢？這就是內(nèi)存可見性問題。在計算機系統(tǒng)中，除了內(nèi)存，數(shù)據(jù)還會被緩存在CPU的寄存器以及各級緩存中，當訪問一個變量時，可能直接從寄存器或CPU緩存中獲取，而不一定到內(nèi)存中去取，當修改一個變量時，也可能是先寫到緩存中，而稍后才會同步更新到內(nèi)存中。在單線程的程序中，這一般不是個問題，但在多線程的程序中，尤其是在有多CPU的情況下，這就是個嚴重的問題。一個線程對內(nèi)存的修改，另一個線程看不到，一是修改沒有及時同步到內(nèi)存，二是另一個線程根本就沒從內(nèi)存讀。

怎么解決這個問題呢？有多種方法：

使用volatile關(guān)鍵字
使用synchronized關(guān)鍵字或顯式鎖同步

關(guān)于這些方法，我們在后續(xù)章節(jié)再介紹。

線程的優(yōu)點及成本

優(yōu)點

為什么要創(chuàng)建單獨的執(zhí)行流？或者說線程有什么優(yōu)點呢？至少有以下幾點：

充分利用多CPU的計算能力，單線程只能利用一個CPU，使用多線程可以利用多CPU的計算能力。
充分利用硬件資源，CPU和硬盤、網(wǎng)絡(luò)是可以同時工作的，一個線程在等待網(wǎng)絡(luò)IO的同時，另一個線程完全可以利用CPU，對于多個獨立的網(wǎng)絡(luò)請求，完全可以使用多個線程同時請求。
在用戶界面(GUI)應(yīng)用程序中，保持程序的響應(yīng)性，界面和后臺任務(wù)通常是不同的線程，否則，如果所有事情都是一個線程來執(zhí)行，當執(zhí)行一個很慢的任務(wù)時，整個界面將停止響應(yīng)，也無法取消該任務(wù)。
簡化建模及IO處理，比如，在服務(wù)器應(yīng)用程序中，對每個用戶請求使用一個單獨的線程進行處理，相比使用一個線程，處理來自各種用戶的各種請求，以及各種網(wǎng)絡(luò)和文件IO事件，建模和編寫程序要容易的多。

成本

關(guān)于線程，我們需要知道，它是有成本的。創(chuàng)建線程需要消耗操作系統(tǒng)的資源，操作系統(tǒng)會為每個線程創(chuàng)建必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、棧、程序計數(shù)器等，創(chuàng)建也需要一定的時間。

此外，線程調(diào)度和切換也是有成本的，當有當量可運行線程的時候，操作系統(tǒng)會忙于調(diào)度，為一個線程分配一段時間，執(zhí)行完后，再讓另一個線程執(zhí)行，一個線程被切換出去后，操作系統(tǒng)需要保存它的當前上下文狀態(tài)到內(nèi)存，上下文狀態(tài)包括當前CPU寄存器的值、程序計數(shù)器的值等，而一個線程被切換回來后，操作系統(tǒng)需要恢復(fù)它原來的上下文狀態(tài)，整個過程被稱為上下文切換，這個切換不僅耗時，而且使CPU中的很多緩存失效，是有成本的。

當然，這些成本是相對而言的，如果線程中實際執(zhí)行的事情比較多，這些成本是可以接受的，但如果只是執(zhí)行本節(jié)示例中的counter++，那相對成本就太高了。

另外，如果執(zhí)行的任務(wù)都是CPU密集型的，即主要消耗的都是CPU，那創(chuàng)建超過CPU數(shù)量的線程就是沒有必要的，并不會加快程序的執(zhí)行。

小結(jié)

本節(jié)，我們介紹了Java中線程的一些基本概念，包括如何創(chuàng)建線程，線程的一些基本屬性和方法，多個線程可以共享內(nèi)存，但共享內(nèi)存也有兩個重要問題，一個是競態(tài)條件，另一個是內(nèi)存可見性，最后，我們討論了線程的一些優(yōu)點和成本。

針對共享內(nèi)存的兩個問題，下一節(jié)，我們討論Java的一個解決方案 - synchronized關(guān)鍵字。

(與其他章節(jié)一樣，本節(jié)所有代碼位于 https://github.com/swiftma/program-logic)

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延伸閱讀

計算機程序的思維邏輯 (91) - Lambda表達式

分類導(dǎo)航

計算機程序的思維邏輯 (65) - 線程的基本概念

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