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Java进程 vs 线程

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Java进程 vs 线程
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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RunnableBlockedWaitingTimed 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");
    }
}

start 

hello 

end 

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startt线程再打印hellomain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!");
        }
    }
}

1 hello! 

2 hello! 

3 hello! 

end 

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()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
}
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