线程的实现与分析
摘要:
- Java 的线程模型
- Java 的线程状态
- Java线程的 join 实现原理
TOP 带着问题来分析
- Java 的线程模型
- Java 的线程状态
- Java线程的 join 实现原理
1. 线程模型
线程是操作系统调度的最小单位，实现线程有三种方式，而 Java Thread 采用的是 内核线程实现
1.1 用户层实现(N:1)
优点：
- 用户线程切换不需要内核介入，切换很快、代价相对低
- 用户线程操作成本低
缺点：
- 用户线程自己进行管理，比较麻烦
- 阻塞处理复杂
- 如何将线程映射到其他处理器
1.2 内核线程实现(1:1)
每一个用户线程对应一个内核线程，内核去完成线程的创建和调度。
优点：
- 阻塞处理比较简单
- 充分利用硬件
缺点：
- 用户线程操作涉及到内核调用，代价较高
通过跟踪 Java Thread 中 start() 方法： start() -> native start0() -> JVM_StartThread() -> JavaThread() -> os::create_thread() -> pthread_create() 可以发现在 Java 中每次调用 start() 方法，都会在 C++ 的 JavaThread 构造方法里通过 pthread 进行创建一个内核线程。 回到问题 TOP 1 ，也就是说 Java 采用的线程模型是 1:1
1.3 混合实现(M:N)
优点：
- 用户线程的操作成本低
- 充分利用硬件
- 阻塞问题折中处理
缺点：
- 需要用户层管理和映射
2. 线程状态分析
在状态枚举类 java.lang.Thread.State 中我们看到了一共有 6 种状态
- NEW 新建状态，线程还没调用 start() 方法
- RUNNABLE 可运行状态，调用 start() 方法后，正在运行或等待系统资源
- BLOCKED 阻塞状态，等待锁、Object#wait()-notify() 后都会进入阻塞状态
- WAITING 等待状态，调用 Object#wait()、join()、LockSupport#park() ，注意这里都是没有超时时间
- TIMED_WAITING 超时等待状态，调用 Thread#sleep()、Object#wait(long)、join(long)、LockSupport#parkNanos、LockSupport#parkUntil，可以发现这里都是有超时时间
- TERMINATED 终止状态，线程已经执行完毕
2.1 线程状态流程图
回到问题 TOP 2 ，相信看完这个流程图会对状态流转更清晰一些
3. 核心方法分析
3.1 join()
例如我们 主线程A 要等待 子线程B 完成再往下执行，可以调用 子线程B 的join() 方法
回到问题 TOP 3 ，其实就是通过 wait 方法来让主线程等待，最后子线程完成后会唤醒主线程来实现了一个线程之间的通信。
public final void join() throws InterruptedException {
join(0);
}
public final synchronized void join(long millis)
throws InterruptedException {
// 获取当前时间
long base = System.currentTimeMillis();
long now = 0;
// 入参校验
if (millis < 0) {
throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
}
// 默认 join()参数走这个分支
if (millis == 0) {
// 只要线程还未完成
while (isAlive()) {
// 0 是一直等待下去
wait(0);
}
} else {
while (isAlive()) {
// 还剩下多少时间
long delay = millis - now;
// 时间到了就跳出
if (delay <= 0) {
break;
}
// 调用wait方法等待
wait(delay);
// 当前已经过了多久
now = System.currentTimeMillis() - base;
}
}
}3.2 interrupt()
我们知道 stop() 方法由于太暴力和不安全已经设置为过期，现在基本上是采用 interrupt() 来交给我们优雅的处理。为什么这样说呢？
我们看下面 interrupt() 的实现可以看到实际上只是设置了一个中断标识(通知线程应该中断了)，并不会真正停止一个线程。
public void interrupt() {
if (this != Thread.currentThread())
checkAccess();
synchronized (blockerLock) {
Interruptible b = blocker;
if (b != null) {
interrupt0(); // Just to set the interrupt flag
b.interrupt(this);
return;
}
}
interrupt0();
}但是我们可以通过这个中断的通知来自己处理是继续运行还是中断，例如我们想要中断后停止线程：
Thread thread = new Thread(() -> {
while (!Thread.interrupted()) {
// do more work.
}
});
thread.start();
// 一段时间以后
thread.interrupt();需要注意的是，在一些可中断阻塞函数中，会抛出 InterruptedException，需要注意的是如果你不想处理继续往上抛，需要再次调用 interrupt() 方法(因为中断状态已经被重置了)。
4. 总结
我们这篇文章主要是分析了线程模型和线程的状态，已经几个核心方法的实现，相信看完会对线程有了更深一层的认识。