1.准备

pom.xml 依赖如下：

<properties>
    <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
      <maven.compiler.source>1.8</maven.compiler.source>
      <maven.compiler.target>1.8</maven.compiler.target>
  </properties>

  <dependencies>
    <dependency>
      <groupId>junit</groupId>
      <artifactId>junit</artifactId>
      <version>4.11</version>
      <scope>test</scope>
    </dependency>
    <!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.projectlombok/lombok -->
    <dependency>
      <groupId>org.projectlombok</groupId>
      <artifactId>lombok</artifactId>
      <version>1.18.22</version>
      <scope>provided</scope>
    </dependency>
    <dependency>
      <groupId>org.slf4j</groupId>
      <artifactId>slf4j-api</artifactId>
      <version>1.7.22</version>
    </dependency>
    <dependency>
      <groupId>ch.qos.logback</groupId>
      <artifactId>logback-classic</artifactId>
      <version>1.2.3</version>
    </dependency>
    <dependency>
      <groupId>org.junit.jupiter</groupId>
      <artifactId>junit-jupiter</artifactId>
      <version>RELEASE</version>
      <scope>compile</scope>
    </dependency>
  </dependencies>

logback.xml 配置如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<configuration scan="true">
    <appender name="STDOUT" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender">
        <encoder>
            <pattern>%date{HH:mm:ss} [%t] %logger - %m%n</pattern>
        </encoder>
    </appender>
    <logger name="c" level="debug" additivity="false">
        <appender-ref ref="STDOUT"/>
    </logger>
    <root level="ERROR">
        <appender-ref ref="STDOUT"/>
    </root>
</configuration>

2.进程与线程

2.1 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

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

二者对比

进程基本上相互独立的，而线程存在于进程内，是进程的一个子集
进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享
进程间通信较为复杂
- 同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）
- 不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP
线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量
线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低

2.2 并行与并发

单核cpu下，线程实际还是串行执行的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 cpu 的时间片（windows 下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于 cpu 在线程间（时间片很短）的切换非常快，人类感觉是同时运行的。总结为一句话就是： 微观串行，宏观并行 。

一般会将这种线程轮流使用 CPU 的做法称为并发， concurrent

CPU	时间片 1	时间片 2	时间片 3	时间片 4
core	线程 1	线程 2	线程 3	线程 4

多核 cpu下，每个核（core）都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的。

CPU	时间片 1	时间片 2	时间片 3	时间片 4
core1	线程 1	线程 2	线程 3	线程 4
core2	线程 4	线程 4	线程 2	线程 2

引用 Rob Pike 的一段描述：

并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力。

并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力。

2.3 应用

$\textcolor{Green}{*应用之异步调用（案例1）} $

需要等待结果

这时既可以使用同步处理，也可以使用异步来处理

join 实现（同步）

static int result = 0;
private static void test1() throws InterruptedException {
    log.debug("开始");
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("开始");
        sleep(1);
        log.debug("结束");
        result = 10;
    }, "t1");
    t1.start();
    t1.join();
    log.debug("结果为:{}", result);
}

输出

20:30:40.453 [main] c.TestJoin - 开始
20:30:40.541 [Thread-0] c.TestJoin - 开始
20:30:41.543 [Thread-0] c.TestJoin - 结束
20:30:41.551 [main] c.TestJoin - 结果为:10

评价

需要外部共享变量，不符合面向对象封装的思想
必须等待线程结束，不能配合线程池使用

Future 实现（同步）

private static void test2() throws InterruptedException, ExecutionException {
    log.debug("开始");
    FutureTask<Integer> result = new FutureTask<>(() -> {
        log.debug("开始");
        sleep(1);
        log.debug("结束");
        return 10;
    });
    new Thread(result, "t1").start();
    log.debug("结果为:{}", result.get());
}

输出

10:11:57.880 c.TestSync [main] - 开始
10:11:57.942 c.TestSync [t1] - 开始
10:11:58.943 c.TestSync [t1] - 结束
10:11:58.943 c.TestSync [main] - 结果为:10

评价

规避了使用 join 之前的缺点
可以方便配合线程池使用

private static void test3() throws InterruptedException, ExecutionException {
    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(1);
    log.debug("开始");
    Future<Integer> result = service.submit(() -> {
        log.debug("开始");
        sleep(1);
        log.debug("结束");
        return 10;
    });
    log.debug("结果为:{}, result 的类型:{}", result.get(), result.getClass());
    service.shutdown();
}

输出

10:17:40.090 c.TestSync [main] - 开始
10:17:40.150 c.TestSync [pool-1-thread-1] - 开始
10:17:41.151 c.TestSync [pool-1-thread-1] - 结束
10:17:41.151 c.TestSync [main] - 结果为:10, result 的类型:class java.util.concurrent.FutureTask

评价

仍然是 main 线程接收结果
get 方法是让调用线程同步等待

自定义实现（同步）

见模式篇：保护性暂停模式

CompletableFuture 实现（异步）

private static void test4() {
    // 进行计算的线程池
    ExecutorService computeService = Executors.newFixedThreadPool(1);
    // 接收结果的线程池
    ExecutorService resultService = Executors.newFixedThreadPool(1);
    log.debug("开始");
    CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
        log.debug("开始");
        sleep(1);
        log.debug("结束");
        return 10;
    }, computeService).thenAcceptAsync((result) -> {
        log.debug("结果为:{}", result);
    }, resultService);
}

输出

10:36:28.114 c.TestSync [main] - 开始
10:36:28.164 c.TestSync [pool-1-thread-1] - 开始
10:36:29.165 c.TestSync [pool-1-thread-1] - 结束
10:36:29.165 c.TestSync [pool-2-thread-1] - 结果为:10

评价

可以让调用线程异步处理结果，实际是其他线程去同步等待
可以方便地分离不同职责的线程池
以任务为中心，而不是以线程为中心

BlockingQueue 实现（异步）

private static void test6() {
    ExecutorService consumer = Executors.newFixedThreadPool(1);
    ExecutorService producer = Executors.newFixedThreadPool(1);
    BlockingQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();
    log.debug("开始");
    producer.submit(() -> {
        log.debug("开始");
        sleep(1);
        log.debug("结束");
        try {
            queue.put(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    consumer.submit(() -> {
        try {
            Integer result = queue.take();
            log.debug("结果为:{}", result);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
}

不需等待结果

这时最好是使用异步来处理

普通线程实现

@Slf4j(topic = "c.FileReader")
public class FileReader {
    public static void read(String filename) {
        int idx = filename.lastIndexOf(File.separator);
        String shortName = filename.substring(idx + 1);
        try (FileInputStream in = new FileInputStream(filename)) {
            long start = System.currentTimeMillis();
            log.debug("read [{}] start ...", shortName);
            byte[] buf = new byte[1024];
            int n = -1;
            do {
                n = in.read(buf);
            } while (n != -1);
            long end = System.currentTimeMillis();
            log.debug("read [{}] end ... cost: {} ms", shortName, end - start);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

没有用线程时，方法的调用是同步的：

@Slf4j(topic = "c.Sync")
public class Sync {
    public static void main(String[] args) {
        String fullPath = "E:\\1.mp4";
        FileReader.read(fullPath);
        log.debug("do other things ...");
    }
}

输出

1
2
3

18:39:15 [main] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
18:39:19 [main] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4090 ms
18:39:19 [main] c.Sync - do other things ...

使用了线程后，方法的调用时异步的：

private static void test1() {
    new Thread(() -> FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH)).start();
    log.debug("do other things ...");
}

输出

1
2
3

18:41:53 [main] c.Async - do other things ...
18:41:53 [Thread-0] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
18:41:57 [Thread-0] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4197 ms

线程池实现

private static void test2() {
    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(1);
    service.execute(() -> FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH));
    log.debug("do other things ...");
    service.shutdown();
}

输出

1
2
3

11:03:31.245 c.TestAsyc [main] - do other things ... 
11:03:31.245 c.FileReader [pool-1-thread-1] - read [1.mp4] start ... 
11:03:33.479 c.FileReader [pool-1-thread-1] - read [1.mp4] end ... cost: 2235 ms

CompletableFuture 实现

private static void test3() throws IOException {
    CompletableFuture.runAsync(() -> FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH));
    log.debug("do other things ...");
    System.in.read();
}

输出

1
2
3

11:09:38.145 c.TestAsyc [main] - do other things ... 
11:09:38.145 c.FileReader [ForkJoinPool.commonPool-worker-1] - read [1.mp4] start ... 
11:09:40.514 c.FileReader [ForkJoinPool.commonPool-worker-1] - read [1.mp4] end ... cost: 2369 ms

以调用方角度来讲，

如果需要等待结果返回，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

1.设计

多线程可以让方法执行变为异步的（即不要巴巴干等着）、比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了 5 秒钟，如果没有线程调度机制，这 5 秒 cpu 什么都做不了，其它代码都得暂停…

2.结论

比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程
tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程
ui 程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞 ui 线程

$\textcolor{Green}{*应用之提高效率（案例1） }$

充分利用多核 cpu 的优势，提高运行效率。想象下面的场景，执行 3 个计算，最后将计算结果汇总。

计算 1 花费 10 ms
计算 2 花费 11 ms
计算 3 花费 9 ms
汇总需要 1 ms

如果是串行执行，那么总共花费的时间是 10 + 11 + 9 + 1 = 31ms
但如果是四核 cpu，各个核心分别使用线程 1 执行计算 1，线程 2 执行计算 2，线程 3 执行计算 3，那么 3 个线程是并行的，花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间，即 11ms 最后加上汇总时间只会花费 12ms

注意：

需要在多核 cpu 才能提高效率，单核仍然时是轮流执行

1.设计

代码见【应用之效率-案例1】

2.结论

单核 cpu 下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用 cpu ，不至于一个线程总占用 cpu，别的线程没法干活
多核 cpu 可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的
- 有些任务，经过精心设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率。但不是所有计算任务都能拆分（参考后文的【阿姆达尔定律】）
- 也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义
IO 操作不占用 cpu，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO】，这时相当于线程虽然不用 cpu，但需要一直等待 IO 结束，没能充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞 IO】和【异步 IO】优化。

3.Java 线程

3.1 创建和运行线程

方法一，直接使用 Thread

// 创建线程对象
Thread t = new Thread() {
    public void run() {
        // 要执行的任务
    }
};
// 启动线程
t.start();

例如：

// 构造方法的参数是给线程指定名字，推荐
Thread t1 = new Thread("t1") {
    @Override
    // run 方法内实现了要执行的任务
    public void run() {
        log.debug("hello");
    }
};
t1.start();

输出：

1	19:19:00 [t1] c.ThreadStarter - hello

方法二，使用 Runnable 配合 Thread

把【线程】和【任务】（要执行的代码）分开

Thread 代表线程
Runnable 可运行的任务（线程要执行的代码）

Runnable runnable = new Runnable() {
    public void run(){
        // 要执行的任务
    }
};
// 创建线程对象
Thread t = new Thread( runnable );
// 启动线程
t.start();

例如：

// 创建任务对象
Runnable task2 = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        log.debug("hello");
    }
};
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
t2.start();

输出：

1	9:19:00 [t2] c.ThreadStarter - hello

Java 8 以后可以使用 lambda 精简代码

// 创建任务对象
Runnable task2 = () -> log.debug("hello");
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
t2.start();

Thread 与 Runnable 的关系

分析 Thread 的源码，理清它与 Runnable 的关系

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

//Thread源码（部分）
public class Thread implements Runnable {
    /* What will be run. */
    private Runnable target;
    
    public Thread(Runnable target) {
        init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
    }
    
    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc,
                      boolean inheritThreadLocals) {
        //...
        this.target = target;
       //...
    }
    @Override
    public void run() {
        if (target != null) {
            target.run();
        }
    }

小结

方法1 是把线程和任务合并在了一起，方法2 是把线程和任务分开了
用 Runnable 更容易与线程池等高级API 配合
用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活

方法三，FutureTask 配合 Thread

FutureTask 实现了Runable，可以当做是一个runable

FutureTask 能够接收 Callable 类型的参数，用来处理有返回结果的情况，Callable 是有返回参数的runnable

// 创建任务对象
FutureTask<Integer> task3 = new FutureTask<>(() -> {
 lo g.debug("hello");
 return 100;
});
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
new Thread(task3, "t3").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);

输出

1 2	19:22:27 [t3] c.ThreadStarter - hello 19:22:27 [main] c.ThreadStarter - 结果是:100

源码分析

//FutureTask源码（部分）
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
    /** The underlying callable; nulled out after running */
    private Callable<V> callable;
    
    /** The result to return or exception to throw from get() */
    private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes
    
    public FutureTask(Callable<V> callable) {
        if (callable == null)
            throw new NullPointerException();
        this.callable = callable;
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }
    
    public void run() {
       //...
        try {
            Callable<V> c = callable;
            if (c != null && state == NEW) {
                V result;
                boolean ran;
                try {
                    result = c.call();
                    ran = true;
                } catch (Throwable ex) {
                    result = null;
                    ran = false;
                    setException(ex);
                }
                if (ran)
                    set(result);
            }
        }
        //...
    }
    
    protected void set(V v) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = v;
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
            finishCompletion();
        }
    }
    
    public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        if (s <= COMPLETING)
            s = awaitDone(false, 0L);
        return report(s);
    }
    
    private V report(int s) throws ExecutionException {
        Object x = outcome;
        if (s == NORMAL)
            return (V)x;
        if (s >= CANCELLED)
            throw new CancellationException();
        throw new ExecutionException((Throwable)x);
    }
}

//Callable源码
@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

说明：

FutureTask内置了一个Callable对象，初始化方法将指定的Callable赋给这个对象。
FutureTask实现了Runnable接口，并重写了Run方法，在Run方法中调用了Callable中的call方法，并将返回值赋值给outcome变量
get方法就是取出outcome的值。

3.2 观察多个线程同时运行

主要是理解

交替执行
谁先谁后，不由我们控制

示例代码

@Slf4j(topic = "c.TestMultiThread")
public class TestMultiThread {

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while(true) {
                log.debug("running");
            }
        },"t1").start();
        new Thread(() -> {
            while(true) {
                log.debug("running");
            }
        },"t2").start();
    }
}

运行结果：

23:45:26.254 c.TestMultiThread [t2] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t2] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t2] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t2] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t1] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t1] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t1] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t1] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t1] - running
23:45:26.254 c.TestMultiThread [t1] - running

3.3 查看进程线程的方法

windows

任务管理器可以查看进程和线程数，也可以用来杀死进程
tasklist 查看进程
- tasklist | findstr (查找关键字)
taskkill 杀死进程
- taskkill /F(彻底杀死）/PID(进程PID)

Linux

ps -fe 查看所有进程
ps -fT -p 查看某个进程（PID）的所有线程
kill 杀死进程 top 按大写 H 切换是否显示线程
top -H -p 查看某个进程（PID）的所有线程

Java

jps 命令查看所有 Java 进程
jstack 查看某个 Java 进程（PID）的所有线程状态
jconsole 来查看某个 Java 进程中线程的运行情况（图形界面）

jconsole 远程监控配置（不用安装）

需要以如下方式运行你的 java 类

1
2
3

java -Djava.rmi.server.hostname=`ip地址` -Dcom.sun.management.jmxremote -
Dcom.sun.management.jmxremote.port=`连接端口` -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=是否安全连接 -
Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=是否认证 java类

关闭防火墙，允许端口
修改 /etc/hosts 文件将 127.0.0.1 映射至主机名

如果要认证访问，还需要做如下步骤

复制 jmxremote.password 文件
修改 jmxremote.password 和 jmxremote.access 文件的权限为 600 即文件所有者可读写
连接时填入 controlRole（用户名），R&D（密码）

$\textcolor{Blue}{3.4 * 原理之线程运行} $

栈与栈帧

Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈）

我们都知道 JVM 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存是给谁用的呢？其实就是线程，每个线程启动后，虚拟机就会为其分配一块栈内存。

每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

刚开始，加载方法

执行method方法的准备工作

线程上下文切换（Thread Context Switch）

因为一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码 .需要由操作系统保存当前线程的状态，以便下次再切换回这个任务时，可以再加载这个任务的状态。任务从保存到再加载的过程就是⼀次上下⽂切换

这里的原因是

线程的 cpu 时间片用完
垃圾回收
有更高优先级的线程需要运行
线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法

当 Context Switch 发生时，

Java 中对应的概念就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条 jvm 指令的执行地址，是线程私有的

状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等
Context Switch 频繁发生会影响性能

3.5常见方法

方法	功能	说明
public void start()	启动一个新线程；Java虚拟机调用此线程的run方法	start 方法只是让线程进入就绪，里面代码不一定立刻运行（CPU 的时间片还没分给它）。每个线程对象的 start方法只能调用一次，如果调用了多次会出现 IllegalThreadStateException
public void run()	线程启动后调用该方法	如果在构造 Thread 对象时传递了 Runnable 参数，则线程启动后会调用 Runnable 中的 run 方法，否则默认不执行任何操作。但可以创建 Thread 的子类对象，来覆盖默认行为
public void setName(String name)	给当前线程取名字
public void getName()	获取当前线程的名字。线程存在默认名称：子线程是Thread-索引，主线程是main
public static Thread currentThread()	获取当前线程对象，代码在哪个线程中执行
public static void sleep(long time)	让当前线程休眠多少毫秒再继续执行。Thread.sleep(0) : 让操作系统立刻重新进行一次cpu竞争
public static native void yield()	提示线程调度器让出当前线程对CPU的使用	主要是为了测试和调试
public final int getPriority()	返回此线程的优先级
public final void setPriority(int priority)	更改此线程的优先级，常用1 5 10	java中规定线程优先级是1~10 的整数，较大的优先级能提高该线程被 CPU 调度的机率
public void interrupt()	中断这个线程，异常处理机制
public static boolean interrupted()	判断当前线程是否被打断，清除打断标记
public boolean isInterrupted()	判断当前线程是否被打断，不清除打断标记
public final void join()	等待这个线程结束
public final void join(long millis)	等待这个线程死亡millis毫秒，0意味着永远等待
public final native boolean isAlive()	线程是否存活（还没有运行完毕）
public final void setDaemon(boolean on)	将此线程标记为守护线程或用户线程
public long getId()	获取线程长整型的 id	id 唯一
public state getState()	获取线程状态	Java 中线程状态是用 6 个 enum 表示，分别为： NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED
public boolean isInterrupted()	判断是否被打断	不会清除打断标记

3.6 start 与 run

调用 run

public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread("t1") {
        @Override
        public void run() {
            log.debug(Thread.currentThread().getName());
            FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH);
        }
    };
    t1.run();
    log.debug("do other things ...");
}

输出

19:39:14 [main] c.TestStart - main
19:39:14 [main] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
19:39:18 [main] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4227 ms
19:39:18 [main] c.TestStart - do other things ...

程序仍在main 线程运行， FileReader.read() 方法调用还是同步的,在main方法中调用的，那么一些异步操作没法做

调用start

将上述代码的 t1.run() 改为

1	t1.start();

输出

19:41:30 [main] c.TestStart - do other things ...
19:41:30 [t1] c.TestStart - t1
19:41:30 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
19:41:35 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4542 ms

程序在 t1 线程运行， FileReader.read() 方法调用是异步的

小结

直接调用 run 是在主线程中执行了 run，没有启动新的线程

使用 start 是启动新的线程，通过新的线程间接执行 run 中的代码

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

可以看见，start方法创建了一个新线程，将线程从就绪状态切换为Runnable

1
2
3

NEW
RUNNABLE
03:45:12.255 c.Test5 [t1] - running...

3.7 sleep 与 yield

sleep

调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛出 InterruptedException

打断并不意味着叫醒线程

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread("t1") {
        @Override
        public void run() {
            log.debug("enter sleep...");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                log.debug("wake up...");
                e.printStackTrace();
            }
        }
    };
    t1.start();

    Thread.sleep(1000);
    log.debug("interrupt...");
    t1.interrupt();
}

输出结果：

03:47:18.141 c.Test7 [t1] - enter sleep...
03:47:19.132 c.Test7 [main] - interrupt...
03:47:19.132 c.Test7 [t1] - wake up...
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
	at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
	at cn.itcast.test.Test7$1.run(Test7.java:14)

睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行

建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性。其底层还是sleep方法。

@Slf4j(topic = "c.Test8")
public class Test8 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("enter");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        log.debug("end");
//        Thread.sleep(1000);
    }
}

在循环访问锁的过程中，可以加入sleep让线程阻塞时间，防止大量占用cpu资源。

yield

调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态，然后调度执行其它线程
具体的实现依赖于操作系统的任务调度器

线程优先级

线程优先级会提示（hint）调度器优先调度该线程，但它仅仅是一个提示，调度器可以忽略它
如果 cpu 比较忙，那么优先级高的线程会获得更多的时间片，但 cpu 闲时，优先级几乎没作用

测试优先级和yield

@Slf4j(topic = "c.TestYield")
public class TestYield {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable task1 = () -> {
            int count = 0;
            for (;;) {
                System.out.println("---->1 " + count++);
            }
        };
        Runnable task2 = () -> {
            int count = 0;
            for (;;) {
//                Thread.yield();
                System.out.println("              ---->2 " + count++);
            }
        };
        Thread t1 = new Thread(task1, "t1");
        Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
        t1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
        t2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

测试结果：

#优先级
---->1 283500
---->2 374389
#yield
---->1 119199
---->2 101074

可以看出，线程优先级和yield会对线程获取cpu时间片产生一定影响，但不会影响太大。

$\textcolor{Green}{* 应用之限制（案例1） } $

sleep 实现

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

while(true) {
    try {
        Thread.sleep(50);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

可以用 wait 或条件变量达到类似的效果
不同的是，后两种都需要加锁，并且需要相应的唤醒操作，一般适用于要进行同步的场景
sleep 适用于无需锁同步的场景

wait 实现

synchronized(锁对象) {
    while(条件不满足) { 
        try {
            锁对象.wait();
        } catch(InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    // do sth...
}

条件变量实现

lock.lock();
try {
    while(条件不满足) {
        try {
            条件变量.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    // do sth...
} finally {
    lock.unlock();
}

3.8 join 方法详解

为什么需要 join

下面的代码执行，打印 r 是什么？

static int r = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test1();
}
private static void test1() throws InterruptedException {
    log.debug("开始");
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("开始");
        sleep(1);
        log.debug("结束");
        r = 10;
    });
    t1.start();
    log.debug("结果为:{}", r);
    log.debug("结束");
}

分析

因为主线程和线程 t1 是并行执行的，t1 线程需要 1 秒之后才能算出 r=10
而主线程一开始就要打印 r 的结果，所以只能打印出 r=0

解决方法

用 sleep 行不行？为什么？
用 join，加在 t1.start() 之后即可

$\textcolor{green}{* 应用之同步（案例1）}$

以调用方角度来讲，如果

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

等待多个结果

问，下面代码 cost 大约多少秒？

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test2();
}
private static void test2() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        sleep(1);
        r1 = 10;
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        sleep(2);
        r2 = 20;
    });
    long start = System.currentTimeMillis();
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    long end = System.currentTimeMillis();
    log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

分析如下

第一个 join：等待 t1 时, t2 并没有停止, 而在运行
第二个 join：1s 后, 执行到此, t2 也运行了 1s, 因此也只需再等待 1s

如果颠倒两个 join 呢？

最终都是输出

1	20:45:43.239 [main] c.TestJoin - r1: 10 r2: 20 cost: 2005

有时效的join

当线程执行时间没有超过join设定时间

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test3();
}
public static void test3() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        sleep(1);
        r1 = 10;
    });
    long start = System.currentTimeMillis();
    t1.start();
    // 线程执行结束会导致 join 结束
    t1.join(1500);
    long end = System.currentTimeMillis();
    log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

输出

1	20:48:01.320 [main] c.TestJoin - r1: 10 r2: 0 cost: 1010

当执行时间超时

static int r1 = 0;
static int r2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test3();
}
public static void test3() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        sleep(2);
        r1 = 10;
    });
    long start = System.currentTimeMillis();
    t1.start();
    // 线程执行结束会导致 join 结束,就直接按2秒算了
    t1.join(3000);
    long end = System.currentTimeMillis();
    log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
}

输出

1	20:52:15.623 [main] c.TestJoin - r1: 0 r2: 0 cost: 1502

3.9 interrupt方法详解

`Interrupt`说明

interrupt的本质是将线程的打断标记设为true， t1.isInterrupted()（获取打断标记）.并调用线程的三个parker对象（C++实现级别）unpark该线程。

基于以上本质，有如下说明：

打断线程不等于中断线程，有以下两种情况：
- 打断正在运行中的线程并不会影响线程的运行，但如果线程监测到了打断标记为true，可以自行决定后续处理。
- 打断阻塞中的线程会让此线程产生一个InterruptedException异常，结束程的运行。但如果该异常被线程捕获住，该线程依然可以自行决定后续处理（终止运行，继续运行，做一些善后工作等等）

打断 sleep，wait，join 的线程

这几个方法都会让线程进入阻塞状态，

打断 sleep ，wait，join 的线程, 会清空打断状态，让打断状态为false，以 sleep 为例，**一般用异常的方法控制线程**

private static void test1() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(()->{
        sleep(1);
    }, "t1");
    t1.start();
    sleep(0.5);
    t1.interrupt();
    log.debug(" 打断状态: {}", t1.isInterrupted());
}

输出

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.itcast.n2.util.Sleeper.sleep(Sleeper.java:8)
 at cn.itcast.n4.TestInterrupt.lambda$test1$3(TestInterrupt.java:59)
 at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
21:18:10.374 [main] c.TestInterrupt - 打断状态: false

打断正常运行的线程

打断正常运行的线程, 不会清空打断状态

private static void test2() throws InterruptedException {
    Thread t2 = new Thread(()->{
        while(true) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            boolean interrupted = current.isInterrupted();
            if(interrupted) {
                log.debug(" 打断状态: {}", interrupted);
                break;
            }
        }
    }, "t2");
    t2.start();
    sleep(0.5);
    t2.interrupt();
}

输出

1	20:57:37.964 [t2] c.TestInterrupt - 打断状态: true

* 模式之两阶段终止

Two Phase Termination 在一个线程 T1 中如何“优雅”终止线程 T2？这里的【优雅】指的是给 T2 一个料理后事的机会。

错误思路

使用线程对象的 stop() 方法停止线程
- stop 方法会真正杀死线程，如果这时线程锁住了共享资源，那么当它被杀死后就再也没有机会释放锁，其它线程将永远无法获取锁 出现死锁
使用 System.exit(int) 方法停止线程
- 目的仅是停止一个线程，但这种做法会让整个程序都停止

两阶段终止模式

)

利用 isInterrupted

interrupt 可以打断正在执行的线程，无论这个线程是在 sleep，wait，还是正常运行

class TPTInterrupt {
    private Thread thread;
    
    //启动监控线程
    public void start(){
        thread = new Thread(() -> {
            while(true) {
                Thread current = Thread.currentThread();
                if(current.isInterrupted()) {
                    log.debug("料理后事");
                    break;
                }
                try {
                    //为了不反复进入while循环
                    Thread.sleep(1000);
                    log.debug("将结果保存");
                } catch (InterruptedException e) {
                    current.interrupt();
                }
                // 执行监控操作 
            }
        },"监控线程");
        thread.start();
    }
    
    //停止监控线程
    public void stop() {
        thread.interrupt();
    }
}

调用

TPTInterrupt t = new TPTInterrupt();
t.start();
Thread.sleep(3500);
log.debug("stop");
t.stop();

结果

11:49:42.915 c.TwoPhaseTermination [监控线程] - 将结果保存
11:49:43.919 c.TwoPhaseTermination [监控线程] - 将结果保存
11:49:44.919 c.TwoPhaseTermination [监控线程] - 将结果保存
11:49:45.413 c.TestTwoPhaseTermination [main] - stop 
11:49:45.413 c.TwoPhaseTermination [监控线程] - 料理后事

利用停止标记

// 停止标记用 volatile 是为了保证该变量在多个线程之间的可见性
// 我们的例子中，即主线程把它修改为 true 对 t1 线程可见
class TPTVolatile {
    private Thread thread;
    private volatile boolean stop = false;
    public void start(){
        thread = new Thread(() -> {
            while(true) {
                Thread current = Thread.currentThread();
                if(stop) {
                    log.debug("料理后事");
                    break;
                }
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    log.debug("将结果保存");
                } catch (InterruptedException e) {
                }
                // 执行监控操作
            }
        },"监控线程");
        thread.start();
    }
    public void stop() {
        stop = true;
        thread.interrupt();
    }
}

调用

TPTVolatile t = new TPTVolatile();
t.start();
Thread.sleep(3500);
log.debug("stop");
t.stop();

结果

11:54:52.003 c.TPTVolatile [监控线程] - 将结果保存
11:54:53.006 c.TPTVolatile [监控线程] - 将结果保存
11:54:54.007 c.TPTVolatile [监控线程] - 将结果保存
11:54:54.502 c.TestTwoPhaseTermination [main] - stop 
11:54:54.502 c.TPTVolatile [监控线程] - 料理后事

打断 park 线程

打断 park 线程, 不会清空打断状态

private static void test3() throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("park...");
        LockSupport.park();
        log.debug("unpark...");
        log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
    }, "t1");
    t1.start();
    sleep(0.5);
    t1.interrupt();
}

输出

1
2
3

21:11:52.795 [t1] c.TestInterrupt - park... 
21:11:53.295 [t1] c.TestInterrupt - unpark... 
21:11:53.295 [t1] c.TestInterrupt - 打断状态：true

如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效

private static void test4() {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            log.debug("park...");
            LockSupport.park();
            log.debug("打断状态：{}", Thread.currentThread().isInterrupted());
        }
    });
    t1.start();
    sleep(1);
    t1.interrupt();
}

输出

21:13:48.783 [Thread-0] c.TestInterrupt - park... 
21:13:49.809 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true 
21:13:49.812 [Thread-0] c.TestInterrupt - park... 
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true 
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park... 
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true 
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park... 
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true 
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - park... 
21:13:49.813 [Thread-0] c.TestInterrupt - 打断状态：true

提示

可以使用 Thread.interrupted() 返回状态后，清除打断状态

3.10 不推荐的方法

还有一些不推荐使用的方法，这些方法已过时，容易破坏同步代码块，造成线程死锁

方法名	static	功能说明
stop()		停止线程运行
suspend()		挂起（暂停）线程运行
resume()		恢复线程运行

3.11 主线程与守护线程

默认情况下，Java 进程需要等待所有线程都运行结束，才会结束。有一种特殊的线程叫做守护线程，只要其它非守护线程运行结束了，即使守护线程的代码没有执行完，也会强制结束。**也就是说只要非守护线程结束了，代码就会强制结束。不管守护线程是否执行**

例:

log.debug("开始运行...");
Thread t1 = new Thread(() -> {
     log.debug("开始运行...");
     sleep(2);
     log.debug("运行结束...");
}, "daemon");
// 设置该线程为守护线程
t1.setDaemon(true);
t1.start();
sleep(1);
log.debug("运行结束...");

输出：

1
2
3

08:26:38.123 [main] c.TestDaemon - 开始运行... 
08:26:38.213 [daemon] c.TestDaemon - 开始运行... 
08:26:39.215 [main] c.TestDaemon - 运行结束...

注意

垃圾回收器线程就是一种守护线程

Tomcat 中的 Acceptor 和 Poller 线程都是守护线程，所以 Tomcat 接收到 shutdown 命令后，不会等待它们处理完当前请求

3.12 五种状态

这是从 操作系统 层面来描述的

【初始状态】仅是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
【运行状态】指获取了 CPU 时间片运行中的状态
- 当 CPU 时间片用完，会从【运行状态】转换至【可运行状态】，会导致线程的上下文切换
【阻塞状态】
- 如果调用了阻塞 API，如 BIO 读写文件，这时该线程实际不会用到 CPU，会导致线程上下文切换，进入【阻塞状态】
- 等 BIO 操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至【可运行状态】
- 与【可运行状态】的区别是，对【阻塞状态】的线程来说只要它们一直不唤醒，调度器就一直不会考虑调度它们
【终止状态】表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状态

3.13 六种状态

这是从 Java API 层面来描述的

根据 Thread.State 枚举，分为六种状态

NEW 线程刚被创建，但是还没有调用 start() 方法
RUNNABLE 当调用了 start() 方法之后，注意，Java API 层面的 RUNNABLE 状态涵盖了操作系统层面的【可运行状态】、【运行状态】和【阻塞状态】（由于 BIO 导致的线程阻塞，在 Java 里无法区分，仍然认为是可运行）
BLOCKED ， WAITING ， TIMED_WAITING 都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分，后面会在状态转换一节详述
TERMINATED 当线程代码运行结束

3.14 习题

阅读华罗庚《统筹方法》，给出烧水泡茶的多线程解决方案，提示

参考图二，用两个线程（两个人协作）模拟烧水泡茶过程
- 文中办法乙、丙都相当于任务串行
- 而图一相当于启动了 4 个线程，有点浪费
用 sleep(n) 模拟洗茶壶、洗水壶等耗费的时间

$\textcolor{green}{* 应用之统筹（烧水泡茶）}$

解法1：join

Thread t1 = new Thread(() -> {
    log.debug("洗水壶");
    sleep(1);
    log.debug("烧开水");
    sleep(15);
}, "老王");
Thread t2 = new Thread(() -> {
    log.debug("洗茶壶");
    sleep(1);
    log.debug("洗茶杯");
    sleep(2);
    log.debug("拿茶叶");
    sleep(1);
    try {
        t1.join();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    log.debug("泡茶");
}, "小王");
t1.start();
t2.start();

输出

19:19:37.547 [小王] c.TestMakeTea - 洗茶壶
19:19:37.547 [老王] c.TestMakeTea - 洗水壶
19:19:38.552 [小王] c.TestMakeTea - 洗茶杯
19:19:38.552 [老王] c.TestMakeTea - 烧开水
19:19:40.553 [小王] c.TestMakeTea - 拿茶叶
19:19:53.553 [小王] c.TestMakeTea - 泡茶

解法1 的缺陷：

上面模拟的是小王等老王的水烧开了，小王泡茶，如果反过来要实现老王等小王的茶叶拿来了，老王泡茶呢？代码最好能适应两种情况
上面的两个线程其实是各执行各的，如果要模拟老王把水壶交给小王泡茶，或模拟小王把茶叶交给老王泡茶呢

解法2：wait/notify

class S2 {
    static String kettle = "冷水";
    static String tea = null;
    static final Object lock = new Object();
    static boolean maked = false;
    public static void makeTea() {
        new Thread(() -> {
            log.debug("洗水壶");
            sleep(1);
            log.debug("烧开水");
            sleep(5);
            synchronized (lock) {
                kettle = "开水";
                lock.notifyAll();
                while (tea == null) {
                    try {
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                if (!maked) {
                    log.debug("拿({})泡({})", kettle, tea);
                    maked = true;
                }
            }
        }, "老王").start();
        new Thread(() -> {
            log.debug("洗茶壶");
            sleep(1);
            log.debug("洗茶杯");
            sleep(2);
            log.debug("拿茶叶");
            sleep(1);
            synchronized (lock) {
                tea = "花茶";
                lock.notifyAll();
                while (kettle.equals("冷水")) {
                    try {
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                if (!maked) {
                    log.debug("拿({})泡({})", kettle, tea);
                    maked = true;
                }
            }
        }, "小王").start();
    }
}

输出

20:04:48.179 c.S2 [小王] - 洗茶壶
20:04:48.179 c.S2 [老王] - 洗水壶
20:04:49.185 c.S2 [老王] - 烧开水
20:04:49.185 c.S2 [小王] - 洗茶杯
20:04:51.185 c.S2 [小王] - 拿茶叶
20:04:54.185 c.S2 [老王] - 拿(开水)泡(花茶)

解法2 解决了解法1 的问题，不过老王和小王需要相互等待，不如他们只负责各自的任务，泡茶交给第三人来做

class S3 {
    static String kettle = "冷水";
    static String tea = null;
    static final Object lock = new Object();
    public static void makeTea() {
        new Thread(() -> {
            log.debug("洗水壶");
            sleep(1);
            log.debug("烧开水");
            sleep(5);
            synchronized (lock) {
                kettle = "开水";
                lock.notifyAll();
            }
        }, "老王").start();
        new Thread(() -> {
            log.debug("洗茶壶");
            sleep(1);
            log.debug("洗茶杯");
            sleep(2);
            log.debug("拿茶叶");
            sleep(1);
            synchronized (lock) {
                tea = "花茶";
                lock.notifyAll();
            }
        }, "小王").start();
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                while (kettle.equals("冷水") || tea == null) {
                    try {
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("拿({})泡({})", kettle, tea);
            }
        }, "王夫人").start();
    }
}

输出

20:13:18.202 c.S3 [小王] - 洗茶壶
20:13:18.202 c.S3 [老王] - 洗水壶
20:13:19.206 c.S3 [小王] - 洗茶杯
20:13:19.206 c.S3 [老王] - 烧开水
20:13:21.206 c.S3 [小王] - 拿茶叶
20:13:24.207 c.S3 [王夫人] - 拿(开水)泡(花茶)

解法3：第三者协调

本章小结

本章的重点在于掌握

线程创建
线程重要 api，如 start，run，sleep，join，interrupt 等
线程状态
应用方面
- 异步调用：主线程执行期间，其它线程异步执行耗时操作
- 提高效率：并行计算，缩短运算时间
- 同步等待：join
- 统筹规划：合理使用线程，得到最优效果
原理方面
- 线程运行流程：栈、栈帧、上下文切换、程序计数器
- Thread 两种创建方式的源码
模式方面
- 终止模式之两阶段终止

class Solution {
    public void solveSudoku(char[][] board) {

        //二维递归
        /*
        问题：如何衔接二维递归

        对于求取第一行的递归，应该问题不大。
        第一行的思路，按照之前的方法。对于第一格。选取1,2,4,6,8,9,作为递归树的一层
        for循环以此选择剩下几格。原则上，如果只针对第一行。第一层遍历之后，
        hash数组应回溯清空的。但是还有好几层。

        因此应该直接九层递归完，如何实现呢？

        使用两次for循环?好像不行，因为我们的for循环的次数是一格的深度对应的
        当然是控制递归树的深度了 -> 控制终止条件 -> 怎么判断一层结束了啊？也不太行
        最终发现，要使用三层for循环，两层for循环用来遍历整个数组，一层for循环则是深度。


        问题：在一行中如何判断是否数字重复
        1.使用一维hash表，可以先进行一次遍历


        问题：在一列中如何判断是否数字重复
        2.不对，应该使用二维hash表


        问题：在九宫格中如何判断数字是否重复
        3.好像要使用三维Hash表？？好像使用两个二维的更加靠谱
        */
    }
}