Java 多线程概念

本文记录一些 Java 多线程相关的概念性的知识。

线程的状态

新建 (New)

线程已被创建，但是尚未启动

可运行 (Runnable)

此线程在 JVM 中正在运行

阻塞 (Blocked)

此线程正在等待获取一个监视锁 (monitor lock)，需要其他线程显式唤醒

等待 (Waiting)

此线程正在无限期等待另一个线程完成某些工作

进入方法	退出方法
Object#wait()	Object#notify() 或 Object#notifyAll()
Thread#join()	被调用的线程执行完毕

限期等待 (Timed waiting)

此线程正在有限期等待另一个线程完成某些工作

进入方法	退出方法
Thread.sleep()	设定的休眠时间结束
Object#wait(long timeout)	时间结束 / Object#notify() / Object#notifyAll()
Thread#join(long millis)	时间结束 / 被调用的线程执行完毕

终止 (Terminated)

线程结束

使用线程

见 Java 如何创建和运行多线程

互斥同步

synchronized

同步一个代码块

只作用于同一个对象，如多个 Thread 使用同一个 Runnable 时。一个线程若要使用此方法，则必须获得 obj 对象的锁。

public void something() {
    synchronized (obj) {
        // do something
    }
}

同步一个方法

// 只作用于同一个对象。
// 一个线程若要使用此方法，则必须获得该方法所在对象的锁
public void synchronized something() {
    // do something
}

// 作用于整个类
// 一个线程若要使用此方法，则必须获得该方法所在类的锁
public void static synchronized aStaticMethod() {
    // do something
}

同步一个类

作用于整个类，即使两个线程使用同一个类的不同对象，也会进行同步。一个线程若要使用此方法，则必须获得该类的锁。

public void something() {
    synchronized (SynchronizationExample.class) {
        // do something
    }
}

ReentrantLock

ReentrantLock 是 java.util.concurrent 包中的锁

public class LockDemo implements Runnable {
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        try {
            lock.lock();
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.println(i + " ");
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        LockDemo lockDemo = new LockDemo();

        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

        executorService.execute(lockDemo);
        executorService.execute(lockDemo);

    }
}

线程协作

Thread#join()

在 A 线程中调用 B 线程的 join() 方法，会将当前线程挂起，直到目标线程结束。

public class MyRunnable implements Runnable {

    private AtomicInteger ticketCount = new AtomicInteger(5);

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " started.");

        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            if (ticketCount.get() > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " has " + ticketCount.getAndDecrement() + " tickets");
            } else {
                break;
            }
        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " stopped.");
    }
}

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(new MyRunnable());
        Thread t2 = new Thread(new MyRunnable());
        Thread t3 = new Thread(new MyRunnable());

        t1.start();

        // 主线程等待 t1 执行完毕
        t1.join();

        t2.start();
        t3.start();
    }
}

执行结果如下：

Thread-0 started.
Thread-0 has 5 tickets
Thread-0 has 4 tickets
Thread-0 has 3 tickets
Thread-0 has 2 tickets
Thread-0 has 1 tickets
Thread-0 stopped.
Thread-1 started.
Thread-2 started.
Thread-1 has 5 tickets
Thread-2 has 5 tickets
Thread-2 has 4 tickets
Thread-1 has 4 tickets
Thread-2 has 3 tickets
Thread-1 has 3 tickets
Thread-2 has 2 tickets
Thread-1 has 2 tickets
Thread-1 has 1 tickets
Thread-2 has 1 tickets
Thread-1 stopped.
Thread-2 stopped.

wait()，notify()，和 notifyAll()

wait() 将当前线程变为等待状态，notify() 和 notifyAll() 将等待状态的线程唤醒。wait() 方法必须在有锁 (即 synchronized) 的代码块中执行。

当有多个线程处于等待状态时，notify() 会任意选择一个线程来唤醒，选择的方式由 JVM 的实现来决定；而 notifyAll() 则会唤醒所有等待中的线程。

因为线程唤醒后，程序将会从 wait() 的下一条语句中开始执行，所以 wait() 方法应当总在 while 循环中调用，通过循环条件控制线程是否继续等待。

public class WaitNotifyDemo {
    public synchronized void before() {
        System.out.println("before");
        notifyAll();
    }

    public synchronized void after() {
        try {
            wait();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("after");
    }
}

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        WaitNotifyDemo waitNotifyDemo = new WaitNotifyDemo();

        // 调用after()后，遇到wait()进入等待状态
        executorService.execute(waitNotifyDemo::after);

        // 调用before()后，遇到`notifyAll()`，唤醒所有线程
        executorService.execute(waitNotifyDemo::before);
    }
}

执行结果：

before
after