各种操作系统均提供了线程的实现(内核线程),线程是 CPU 进行工作调度的基本单位。
线程是比进程更轻量级的调度执行单位,线程的引入,可以把一个进程的资源分配和执行调度分开,各个线程既可以共享进程资源(内存地址、文件I/O等),又可以独立调度(线程是CPU调度的基本单位)。而编程语言一般都会提供操作内核线程的 API, Java 也不例外。
操作内核线程的模型主要有如下三种:
我们先复习下操作系统中的几个关键概念:
下面依次介绍三种线程模型:
线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程。
主要的线程调度方式有两种,分别是 协同式线程调度(Cooperative Threads-Scheduling)和 抢占式线程调度(Preemptive Threads-Scheduling),见下图。
协同式调度
如果使用协同式调度的多线程系统,线程的执行时间由线程本身来控制,线程把自己的工作执行完了之后,要主动通知系统切换到另外一个线程上。
协同式多线程的最大好处是实现简单,而且由于线程要把自己的事情干完后才会进行线程切换,切换操作对线程自己是可知的,所以没有什么线程同步的问题。
Lua语言中的“协同例程”就是这类实现。它的坏处也很明显:线程执行时间不可控制,甚至如果一个线程编写有问题,一直不告知系统进行线程切换,那么程序就会一直阻塞在那里。
很久以前的Windows 3.x系统就是使用协同式来实现多进程多任务的,相当不稳定,一个进程坚持不让出CPU执行时间就可能会导致整个系统崩溃。
抢占式调度
如果使用抢占式调度的多线程系统,那么每个线程将由系统来分配执行时间,线程的切换不由线程本身来决定(在Java中,Thread.yield()可以让出执行时间,但是要获取执行时间的话,线程本身是没有什么办法的)。
在这种实现线程调度的方式下,线程的执行时间是系统可控的,也不会有一个线程导致整个进程阻塞的问题。
Java使用的线程调度方式就是抢占式调度。在JDK后续版本中有可能会提供协程(Coroutines)方式来进行多任务处理。
与前面所说的Windows 3.x的例子相对,在Windows 9x/NT内核中就是使用抢占式来实现多进程的,当一个进程出了问题,我们还可以使用任务管理器把这个进程“杀掉”,而不至于导致系统崩溃。
线程优先级
虽然Java线程调度是系统自动完成的,但是我们还是可以“建议”系统给某些线程多分配一点执行时间,另外的一些线程则可以少分配一点——这项操作可以通过设置线程优先级来完成。
Java语言一共设置了10个级别的线程优先级(Thread.MIN_PRIORITY至Thread.MAX_PRIORITY),在两个线程同时处于Ready状态时,优先级越高的线程越容易被系统选择执行。
不过,线程优先级并不是太靠谱,原因是Java的线程是通过映射到系统的原生线程上来实现的,所以线程调度最终还是取决于操作系统,虽然现在很多操作系统都提供线程优先级的概念,但是并不见得能与Java线程的优先级一一对应。
如Solaris中有2147483648(232)种优先级,但Windows中就只有7种,比Java线程优先级多的系统还好说,中间留下一点空位就可以了,但比Java线程优先级少的系统,就不得不出现几个优先级相同的情况了。
上图显示了Java线程优先级与Windows线程优先级之间的对应关系,Windows平台的JDK中使用了除THREAD_PRIORITY_IDLE之外的其余6种线程优先级。
Java语言定义了5种线程状态,在任意一个时间点,一个线程只能有且只有其中的一种状态,这5种状态分别如下:
新建(New):创建后尚未启动的线程处于这种状态。
运行(Runable):Runable包括了操作系统线程状态中的Running和Ready,也就是处于此状态的线程有可能正在执行,也有可能正在等待着CPU为它分配执行时间。
无限期等待(Waiting):处于这种状态的线程不会被分配CPU执行时间,它们要等待被其他线程显式地唤醒。
以下方法会让线程陷入无限期的等待状态:
没有设置Timeout参数的Object.wait()方法。
没有设置Timeout参数的Thread.join()方法。
LockSupport.park()方法。
限期等待(Timed Waiting):处于这种状态的线程也不会被分配CPU执行时间,不过无须等待被其他线程显式地唤醒,在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。
阻塞(Blocked):线程被阻塞了,“阻塞状态”与“等待状态”的区别是:“阻塞状态”在等待着获取到一个排他锁,这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生;而“等待状态”则是在等待一段时间,或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域的时候,线程将进入这种状态。
结束(Terminated):已终止线程的线程状态,线程已经结束执行。
实现1:继承Thread类
// 继承 Thread
public class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("MyThread run...");
}
}
实现2:实现 Runnable 接口
public class MyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("MyRunnable run...");
}
}
实现3:实现 Callable 接口,使用 FutureTask 获取异步返回值
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
class MyCallable implements Callable<String> {
@Override
public String call() throws Exception {
return "MyCallable";
}
}
FutureTask<String> task = new FutureTask<>(new MyCallable());
Thread c = new Thread(task);
c.start();
System.out.println(task.get());
}
实现4:JDK8以上版本使用 CompletableFuture 进行异步计算。
在Java8中,提供了非常强大的Future的扩展功能,可以帮助我们简化异步编程的复杂性,并且提供了函数式编程的能力,可以通过回调的方式处理计算结果,也提供了转换和组合 CompletableFuture 的方法。
public class CompletableFutureTest {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
// JDK1.8 提供的 CompletableFuture
CompletableFuture<String> futureTask = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<String>() {
@Override
public String get() {
System.out.println("task start");
try {
Thread.sleep(10000);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
return "execute failure";
}
System.out.println("task end");
return "execute success";
}
}, threadPool);
// 异步获取 futureTask 的执行结果,此处代码可以跟其他流程代码放在一起
futureTask.thenAccept(e-> System.out.println("future task result:" + e));
System.out.println("main thread end");
}
}
输出结果:
task start
main thread end
task end
future task result:execute success
实现5:使用线程池,ThreadPoolExecutor 类
。
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, threadFactory, defaultHandler);
}
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
Future<?> submit(Runnable task);
本节主要讲述了操作系统提供的三种线程模型和两种线程调度方式,同时补充了基于Java的5种多线程实现和6个线程状态的相关知识。
希望各位回顾知识的同时也有新收获。GoodLuck!!
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