Java进程 vs 线程

进程和线程是包含关系，但是多任务既可以由多进程实现，也可以由单进程内的多线程实现，还可以混合多进程＋多线程。

具体采用哪种方式，要考虑到进程和线程的特点。

和多线程相比，多进程的缺点在于：

• 创建进程比创建线程开销大，尤其是在Windows系统上；
• 进程间通信比线程间通信要慢，因为线程间通信就是读写同一个变量，速度很快。

而多进程的优点在于：

多进程稳定性比多线程高，因为在多进程的情况下，一个进程崩溃不会影响其他进程，而在多线程的情况下，任何一个线程崩溃会直接导致整个进程崩溃。

多线程

Java语言内置了多线程支持：一个Java程序实际上是一个JVM进程，JVM进程用一个主线程来执行main()方法，在main()方法内部，我们又可以启动多个线程。此外，JVM还有负责垃圾回收的其他工作线程等。

因此，对于大多数Java程序来说，我们说多任务，实际上是说如何使用多线程实现多任务。

和单线程相比，多线程编程的特点在于：多线程经常需要读写共享数据，并且需要同步。例如，播放电影时，就必须由一个线程播放视频，另一个线程播放音频，两个线程需要协调运行，否则画面和声音就不同步。因此，多线程编程的复杂度高，调试更困难。

Java多线程编程的特点又在于：

• 多线程模型是Java程序最基本的并发模型；
• 后续读写网络、数据库、Web开发等都依赖Java多线程模型。

因此，必须掌握Java多线程编程才能继续深入学习其他内容。

Java语言内置了多线程支持。当Java程序启动的时候，实际上是启动了一个JVM进程，然后，JVM启动主线程来执行main()方法。在main()方法中，我们又可以启动其他线程。

一、创建线程

要创建一个新线程非常容易，我们需要实例化一个Thread实例，然后调用它的start()方法：

public class Main { public static void main(String[] args) { Thread t = new Thread(); t.start(); // 启动新线程 }
}

方法一：从Thread派生一个自定义类，然后覆写run()方法：

public class Main { public static void main(String[] args) { Thread t = new MyThread(); t.start(); // 启动新线程 }
}
class MyThread extends Thread { @Override public void run() { System.out.println("start new thread!"); }
}

方法二：创建Thread实例时，传入一个Runnable实例：

public class Main { public static void main(String[] args) { Thread t = new Thread(new MyRunnable()); t.start(); // 启动新线程 }
}
class MyRunnable implements Runnable { @Override public void run() { System.out.println("start new thread!"); }
}

或者用Java8引入的lambda语法进一步简写为：

public class Main { public static void main(String[] args) { Thread t = new Thread(() -> { System.out.println("start new thread!"); }); t.start(); // 启动新线程 }
}

二、线程状态

Java线程的状态有以下几种：

• New：新创建的线程，尚未执行；
• Runnable：运行中的线程，正在执行run()方法的Java代码；
• Blocked：运行中的线程，因为某些操作被阻塞而挂起；
• Waiting：运行中的线程，因为某些操作在等待中；
• Timed Waiting：运行中的线程，因为执行sleep()方法正在计时等待；
• Terminated：线程已终止，因为run()方法执行完毕。

当线程启动后，它可以在Runnable、Blocked、Waiting和Timed Waiting这几个状态之间切换，直到最后变成Terminated状态，线程终止。

三、线程终止的原因

• 线程正常终止：run()方法执行到return语句返回；
• 线程意外终止：run()方法因为未捕获的异常导致线程终止；
• 对某个线程的Thread实例调用stop()方法强制终止（强烈不推荐使用）。

一个线程还可以等待另一个线程直到其运行结束。例如，main线程在启动t线程后，可以通过t.join()等待t线程结束后再继续运行：

public class Main { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t = new Thread(() -> { System.out.println("hello"); }); System.out.println("start"); t.start(); t.join(); System.out.println("end"); }
}

当main线程对线程对象t调用join()方法时，主线程将等待变量t表示的线程运行结束，即join就是指等待该线程结束，然后才继续往下执行自身线程。所以，上述代码打印顺序可以肯定是main线程先打印start，t线程再打印hello，main线程最后再打印end。

如果t线程已经结束，对实例t调用join()会立刻返回。此外，join(long)的重载方法也可以指定一个等待时间，超过等待时间后就不再继续等待。

四、中断线程

public class Main { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t = new MyThread(); t.start(); Thread.sleep(1); // 暂停1毫秒 t.interrupt(); // 中断t线程 t.join(); // 等待t线程结束 System.out.println("end"); }
}
class MyThread extends Thread { public void run() { int n = 0; while (! isInterrupted()) { n ++; System.out.println(n + " hello!"); } }
}

五、守护线程

守护线程是指为其他线程服务的线程。在JVM中，所有非守护线程都执行完毕后，无论有没有守护线程，虚拟机都会自动退出。

因此，JVM退出时，不必关心守护线程是否已结束。

如何创建守护线程呢？方法和普通线程一样，只是在调用start()方法前，调用setDaemon(true)把该线程标记为守护线程：

Thread t = new MyThread();
t.setDaemon(true);
t.start();

在守护线程中，编写代码要注意：守护线程不能持有任何需要关闭的资源，例如打开文件等，因为虚拟机退出时，守护线程没有任何机会来关闭文件，这会导致数据丢失。

六、线程同步

保证一段代码的原子性就是通过加锁和解锁实现的。Java程序使用synchronized关键字对一个对象进行加锁：

public class Main { public static void main(String[] args) throws Exception { var add = new AddThread(); var dec = new DecThread(); add.start(); dec.start(); add.join(); dec.join(); System.out.println(Counter.count); }
}
class Counter { public static final Object lock = new Object(); public static int count = 0;
}
class AddThread extends Thread { public void run() { for (int i=0; i<10000; i++) { synchronized(Counter.lock) { Counter.count += 1; } } }
}
class DecThread extends Thread { public void run() { for (int i=0; i<10000; i++) { synchronized(Counter.lock) { Counter.count -= 1; } } }
}

它表示用Counter.lock实例作为锁，两个线程在执行各自的synchronized(Counter.lock) { ... }代码块时，必须先获得锁，才能进入代码块进行。执行结束后，在synchronized语句块结束会自动释放锁。这样一来，对Counter.count变量进行读写就不可能同时进行。上述代码无论运行多少次，最终结果都是0。

使用synchronized解决了多线程同步访问共享变量的正确性问题。但是，它的缺点是带来了性能下降。因为synchronized代码块无法并发执行。此外，加锁和解锁需要消耗一定的时间，所以，synchronized会降低程序的执行效率。

我们来概括一下如何使用synchronized：

1. 找出修改共享变量的线程代码块；
2. 选择一个共享实例作为锁；
3. 使用synchronized(lockObject) { ... }。

在使用synchronized的时候，不必担心抛出异常。因为无论是否有异常，都会在synchronized结束处正确释放锁：

六、同步方法

我们知道Java程序依靠synchronized对线程进行同步，使用synchronized的时候，锁住的是哪个对象非常重要。

让线程自己选择锁对象往往会使得代码逻辑混乱，也不利于封装。更好的方法是把synchronized逻辑封装起来。例如，我们编写一个计数器如下：

public class Counter { private int count = 0; public void add(int n) { synchronized(this) { count += n; } } public void dec(int n) { synchronized(this) { count -= n; } } public int get() { return count; }
}

这样一来，线程调用add()、dec()方法时，它不必关心同步逻辑，因为synchronized代码块在add()、dec()方法内部。并且，我们注意到，synchronized锁住的对象是this，即当前实例，这又使得创建多个Counter实例的时候，它们之间互不影响，可以并发执行：

var c1 = Counter();
var c2 = Counter();
// 对c1进行操作的线程:
new Thread(() -> { c1.add();
}).start();
new Thread(() -> { c1.dec();
}).start();
// 对c2进行操作的线程:
new Thread(() -> { c2.add();
}).start();
new Thread(() -> { c2.dec();
}).start();

七、死锁

JVM允许同一个线程重复获取同一个锁，这种能被同一个线程反复获取的锁，就叫做可重入锁。

由于Java的线程锁是可重入锁，所以，获取锁的时候，不但要判断是否是第一次获取，还要记录这是第几次获取。每获取一次锁，记录+1，每退出synchronized块，记录-1，减到0的时候，才会真正释放锁。

死锁

一个线程可以获取一个锁后，再继续获取另一个锁。例如：

public void add(int m) { synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁 this.value += m; synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁 this.another += m; } // 释放lockB的锁 } // 释放lockA的锁
}
public void dec(int m) { synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁 this.another -= m; synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁 this.value -= m; } // 释放lockA的锁 } // 释放lockB的锁
}

在获取多个锁的时候，不同线程获取多个不同对象的锁可能导致死锁。对于上述代码，线程1和线程2如果分别执行add()和dec()方法时：

• 线程1：进入add()，获得lockA；
• 线程2：进入dec()，获得lockB。

随后：

• 线程1：准备获得lockB，失败，等待中；
• 线程2：准备获得lockA，失败，等待中。

此时，两个线程各自持有不同的锁，然后各自试图获取对方手里的锁，造成了双方无限等待下去，这就是死锁。

死锁发生后，没有任何机制能解除死锁，只能强制结束JVM进程。

线程获取锁的顺序要一致。即严格按照先获取lockA，再获取lockB的顺序，改写dec()方法如下：

public void dec(int m) { synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁 this.value -= m; synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁 this.another -= m; } // 释放lockB的锁 } // 释放lockA的锁}