Java并发编程之线程基础

线程通知与等待

Java中的Object类是所有类的父类，鉴于继承机制，Java把所有类都需要的方法放到了Object类里面，其中就包括了线程的通知和等待。

wait以及notify

当一个线程调用一个共享变量的wait()方法时，该调用线程会被阻塞挂起。直到发生下面几件事情之一才返回。

其他线程调用了该共享对象的notify()或者notifyAll()。
其他线程调用了该线程的interrupt()方法，该线程抛出InterruptedException异常返回。

另外，需要注意的是，如果调用wait()方法的线程没有事先获取该对象的监视器锁，则调用wait()时调用线程会抛出IllegalMonitorStateException异常。

一个线程如何获取一个共享变量的监视器锁

方法1:执行sychronized同步代码块时，使用该共享变量作为参数

 sychronized(该共享变量){}

方法2：调用该共享变量的方法，并且该方法使用了sychronized修饰。

 sychronized void method{}

虚假唤醒：一个线程即使没有被其他线程调用notify()、notifyAll()进行通知或者被中断，等待超时也可以从挂起状态变为可以运行状态，这就是所谓的虚假唤醒。

虽然虚假唤醒在应用实践中很少发生，但要防患于未然，做法就是不停的去测试该线程被唤醒的条件是否满足，不满足则继续等待。也就是说在一个循环中调用wait()方法进行防范，退出循环的条件是满足了唤醒该线程的条件。

synchronized (obj) {while (条件不满足){obj.wait() ;}
}

实例

其中queue为共享变量，生产者线程在调用queue的wait()方法之前，使用sychronized关键字拿到了该共享变量queue的监视器锁，所以调用wait()方法才不会抛出IllegalMonitorStateException异常。如果当前队列没有空闲容量则会调用queued的wait()方法挂起当前线程，这里使用循环就是为了避免虚假唤醒问题。假如当前线程被虚假唤醒了，但是队列还是没有空余容量，那么当前线程还是会调用wait()方法把自己挂起。

//生产线程
synchronized (queue) {
//消费队列满，贝等待队列空闲
while (queue.size() == MAX SIZE) {try { //挂起当前线程， 并释放通过同步块获取的 queue上的锁，上消费者线程可以获取该锁，然后获取队列里面的元素queue .wait() ;} catch (Exception ex) {ex.printStackTrace() ;}
}
// 空闲则生成元素，并通知消费者线程queue.add(e);queue.notifyAll();
}//消费者线程
sychronized(queue){while(queue.size == 0){try{//挂起当前线程，并释放通过同步块获取的queue上的锁，让生产者线程可以获取该锁，将生产元素放入队列queue.wait();}catch(Exception e){e.printStackTrace() ;}}//消费元素，并唤醒生产者线程queue.take();queue.notifyAll();
}

此外，当前线程调用共享变量的wait()方法后，只会释放当前共享变量上的锁，如果当前线程还持有其他共享变量的锁，则这些锁不会释放。

如下所示：

//创建共享资源
private static volatile Object resourceA = new Object();
private static volatile Object resourceB = new Object();
new Thread(()->{try{sychronized(resourceA){sychronized(resourceB){// 此处线程A只释放了获取到的resourceA的锁，resourceB的锁并为释放resourceA.wait();   }}}}).start();

wait(long timeout)

该方法相比wait()多了一个超时参数，他的不同之处在于，如果一个线程调用共享对象的该方法挂起后，没有在指定的timeout ms时间内被其他线程调用该共享变量的notify()或者notifyAll()唤醒，该函数会因为超时而返回。如果将timeout设置为0，则不限制超时时间。

notify()

一个线程调用共享对象的notify()方法后，会唤醒一个在该共享变量上调用wait系列方法后被挂起的线程。一个共享变量上可能会有多个线程在等待，具体唤醒哪个等待的线程是随机的。

此外，被唤醒的线程不能马上从wait方法返回并继续执行，他仍然需要和其他线程一起竞争该锁，只有竞争到了共享变量的监视器锁后才可以继续执行。

notifyAll()

不同于在共享变量上调用notify()函数会唤醒被阻塞到该共享变量上的一个线程，notifyAll()方法则会唤醒所有在该共享变量上由于调用wait系列方法而被挂起的线程。

等待线程执行终止的join方法

在主线程里面启动两个子线程，然后分别调用他们的join()方法，那么主线程首先会在调用theadOne.join()方法后被阻塞，等待theadOne执行完毕后返回。然后主线程调用threadTwo.join()方法后再次被阻塞，等待threadTwo执行完毕后返回。

yield()让出CPU执行权

Thread类中有一个静态的yield方法，当一个线程调用yield方法时，实际上就是在暗示线程调度器当前线程请求让出自己的CPU使用，但是线程调度器可以无条件忽略这个暗示。

当一个线程调用yield方法时，当前线程会让出CPU使用权，然后处于就绪状态，线程调度器会从线程就绪队列里面获取一个线程优先级最高的线程。

线程中断

Java中的线程中断是一种线程间的协作模式，通过设置线程的中断标志并不能直接终止线程的执行，而是被中断的线程根据中断状态自行处理。

void interrupt(): 中断线程，例如，当线程A运行时，线程B可以调用线程A的interrupt()方法来设置线程A的中断标志为true 并立即返回。线程A实际并没有被中断，他会继续往下执行。如果线程A因为调用了wait、join、sleep方法而被阻塞挂起，这个时候如果线程B调用线程A的interrupt方法，线程A会在调用这些方法的地方抛出InterruptedException异常而返回。
boolean isInterrupted()方法: 检测当前线程是否被中断，是返回true。
boolean interrupted() 方法检测当前线程是否被中断，如果是返回true，否则返回false。与isInterrupted方法不同，该方法如果发现当前线程被中断，则会清除中断标志。

示例，当线程为了等待一些特定条件的到来时，一般会调用sleep函数、wait函数或者join函数来阻塞挂起当前线程。比如一个线程调用了Threa.sleep(3000), 那么调用线程会被阻塞3s后才会从阻塞状态变为激活状态。但是有时候，如果一直等到3s后再返回有点浪费时间。这时候可以 调用线程的interrupt()方法，强制sleep方法抛出InterruptedException异常而返回。线程恢复到活跃状态。

线程上下文切换

在多线程编程中，线程个数一般大于CPU个数，而每个CPU同一时刻只能被一个线程使用，为了让用户感觉多个线程是在同时执行的，CPU资源的分配采用了时间片轮转的策略，也就是给每个线程分配一个时间片，线程在时间片内占用CPU执行任务。当前线程使用完时间片后，就会处于就绪状态并让出CPU给其他线程占用，这就是上下文切换。

从当前线程的上下文切换到其他线程，被切换到的线程需要知道上次CPU运行到了哪里，所以在切换线程的时候要保存好上下文。当再次执行时根据保存的现场信息恢复执行。

守护线程和用户线程

Java中的线程分为两类，分别为daemon线程（守护线程）和user线程（用户线程）。在JVM启动时会调用main函数，main函数所在的线程就是一个用户线程，其实，在JVM内部同时还启动了好多守护线程，比如垃圾回收线程。

守护线程和用户线程有什么区别：区别之一是当最后一个非守护线程结束时，JVM会正常退出，而不管当前是否有守护线程，并不影响JVM的退出。

如何创建一个守护线程，代码如下

   Thread thread = new Thread(() -> {});//设置为守护线程thread.setDaemon(true);thread.start();

只需要设置线程的dameon参数为true即可。

对比实验

例一：

    public static void main(String[] args) {new Thread(() -> {for (; ; ) {}}).start();System.out.println("main Thread is over");}

结果表明，main线程运行结束，JVM进程并未退出，说明当父线程结束后，子线程还是可以继续存在的，也就是子线程的生命周期并不受父线程的影响。也说明了在用户线程还存在的情况下JVM进程并不会终止。

例二：

    public static void main(String[] args) {Thread thread1 =  new Thread(() -> {for (; ; ) {}});thread1.setDameon(true);thread1.start();System.out.println("main Thread is over");}

修改以后，发现当main线程运行结束以后，JVM进程也已经终止了，在这个例子中，main函数是唯一的用户线程，thread线程是守护线程，当main线程运行结束后，JVM发现当前已经没有用户线程了，就会终止JVM进程。由于这里的守护线程执行的时候是一个死循环，这也说明了如果当前进程中不存在用户线程，但是还存在正在执行任务的守护线程，则 JVM不等守护线程运行完毕就结束JVM进程。

总结：非守护线程（也称为用户线程）都结束了，JVM就会终止，此时所有守护线程会被强制终止，它们正在执行的任务也会随之中断。

main线程运行结束后，JVM会自动启动一个叫做DestroyJavaVM的线程，该线程会等待所有用户线程结束后终止JVM进程。JVM代码如下：

    int JNICALL JavaMain(void * args){//执行 Java中的 main函数(*env) ->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs) ; //main函数返回值ret = (*env)->ExceptionOccured(env) == NULL ?0 :1;//等待所有非守护线程结束， 然后销毁JVM进程LEAVE();}

LEAVE()是C语言中的一个宏定义，作用是创建一个名为DestroyJavaVM的线程来等待所有用户线程执行结束。

总结：如果希望在主线程结束后JVM进程马上结束，那么在创建线程时可以将其设置为守护线程，如果希望在主线程结束后子线程继续工作，等子线程结束后再让JVM进程结束，那么就将子线程设置为用户线程。

补充：执行kill 信号，杀死一个应用程序时，如果应用程序仍然有未完成的任务，可以通过添加钩子函数的方式使其可以继续处理并优雅退出。

public class App {public static void main(String[] args) {// 添加一个关闭钩子Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {System.out.println("正在执行清理操作...");// 这里放置清理资源的代码，例如关闭文件、数据库连接等performCleanup();System.out.println("清理完成。");}));System.out.println("应用程序正在运行...");// 模拟应用程序运行try {Thread.sleep(10000); // 假设应用运行了一段时间} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();System.out.println("线程被中断。");}}private static void performCleanup() {// 执行实际的清理操作，比如关闭资源等System.out.println("执行资源关闭等清理操作。");}
}