Java/JUC进阶/Java 并发 - 02 Thread

1. 线程概述

对于Java 中的线程主要是依赖于系统的API 的实现，这一点可以从 java.lang.Thread 源码中关键的方法都是 native 方法看出，亦可以直接查看OpenJDK 源码看出来；对于JDK8 而言， window 和 linux 版使用的都是 1 ： 1 线程模型，即系统内核线程和轻量级进程的比是 1 ： 1

内核线程（Kernel-Level Thread, KLT）: 是由操作系统内核直接支持的线程，这种线程由内核来完成切换，内核通过调度器（Schedule）进行调度，并负责将线程的任务映射到各个处理器上；
轻量级进程（Light Weight Process, LWP）: 程序可以直接使用的一种内核线程高级接口，也就是我们通常意义上说的线程

如图所示：

优点：由内核线程的支持，每个线程都成为一个独立的调度单元，即线程之间不会相互阻塞影响；使用内核提供的线程调度功能及处理器映射，可以完成线程的切换，并将线程的任务映射到其他处理器上，充分利用多核处理器的优势，实现真正的并行

缺点：同时由于基于内核线程实现，线程的创建、关闭、同步操作都需要系统调用；需要在用户态和内核态之间切换，代价相对较高；另外每个线程都需要消耗一定的内核资源，如内核线程的栈空间，所以系统支持的轻量级进程是有限的；

2. 线程状态

Java 线程整个生命周期可能会经历5个状态

新建（New）：新建后未启动的线程
运行（Runnable）: 包括运行中（Running）和就绪（Ready）两种状态；也就是正在运行，或者等待CPU 分配执行时间；
等待（Waiting）: 无限期的等待其他线程显示唤醒
超时等待（Timed_Waiting）: 一定时间内没有被其他线程唤醒，由系统自动唤醒
阻塞（Blocked）: 等待获取排他锁
终止（Terminated）: 运行终止

3. 源码分析

3.1. native 注册

/* Make sure registerNatives is the first thing <clinit> does. */
private static native void registerNatives();
static {
  registerNatives();
}

这段代码在很多地方都出现过，比如：

java.lang.System
java.lang.Object
java.lang.Class

其作用就是在使用 JNI 时需要向 JVM 注册，其方法名默认为 Java_<fully qualified class name>_method；但是如果觉得这样的名字太长，这是就可以使用 registerNatives() 向 JVM 注册任意的函数名；

Thread 中的 native 方法有：

private native void start0();
private native void stop0(Object o);
public final native boolean isAlive();
private native void suspend0();
private native void resume0();
private native void setPriority0(int newPriority);
public static native void yield();
public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;
public static native Thread currentThread();
public native int countStackFrames();
private native void interrupt0();
private native boolean isInterrupted(boolean ClearInterrupted);
public static native boolean holdsLock(Object obj);
private native static Thread[] getThreads();
private native static StackTraceElement[][] dumpThreads(Thread[] threads);
private native void setNativeName(String name);

3.2 构造方法和成员变量

public class Thread implements Runnable {
  private volatile String name;        // 线程名称，如果没有指定，就通过 Thread-线程序列号 命名
  private int priority;                // 线程优先级，1-10 默认与父线程优先级相同(main 线程优先级为 5)
  private boolean daemon = false;      // 是否是守护线程
  private Runnable target;             // Runnable 对象
  private ThreadGroup group;           // 所属线程组
  ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;             // 线程本地变量
  ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;  // 可继承的线程本地变量
  private long tid;                                           // 线程 tid
  
  ...

  public Thread() {
    init(null, null, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
  }

  public Thread(Runnable target) {
    init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
  }

  public Thread(ThreadGroup group, Runnable target) {
    init(group, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
  }

  public Thread(String name) {
    init(null, null, name, 0);
  }

  public Thread(ThreadGroup group, String name) {
    init(group, null, name, 0);
  }

  public Thread(Runnable target, String name) {
    init(null, target, name, 0);
  }

  public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name) {
    init(group, target, name, 0);
  }

  public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name, long stackSize) {
    init(group, target, name, stackSize);
  }
  
  private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name, long stackSize, AccessControlContext acc, boolean inheritThreadLocals) {
    if (name == null) {
      throw new NullPointerException("name cannot be null");
    }

    this.name = name;

    Thread parent = currentThread();
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    if (g == null) {
      if (security != null) {
        g = security.getThreadGroup();
      }
      if (g == null) {
        g = parent.getThreadGroup();
      }
    }
    
    g.checkAccess();

    if (security != null) {
      if (isCCLOverridden(getClass())) {
        security.checkPermission(SUBCLASS_IMPLEMENTATION_PERMISSION);
      }
    }

    g.addUnstarted();

    this.group = g;
    this.daemon = parent.isDaemon();
    this.priority = parent.getPriority();
    if (security == null || isCCLOverridden(parent.getClass()))
      this.contextClassLoader = parent.getContextClassLoader();
    else
      this.contextClassLoader = parent.contextClassLoader;
    this.inheritedAccessControlContext = acc != null ? acc : AccessController.getContext();
    this.target = target;
    setPriority(priority);
    if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
      this.inheritableThreadLocals = ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
    this.stackSize = stackSize;
    tid = nextThreadID();
  }

  ...
  
}

可以看到左右的构造方法最终都会调用 init()；并初始化所属线程组、名字、 Runnable、栈大小等信息；整个过程相当于配置了一个线程工厂，此时只是初始化了所有的配置，线程还没有真正创建，当然资源同样也还没有分配，只有在调用 start() 的时候线程才会真正创建；

此外可以看到线程创建过程中会有很多的权限检查，例如：

SecurityManager security = System.getSecurityManager();
if (security != null) {
  if (isCCLOverridden(getClass())) {
    security.checkPermission(SUBCLASS_IMPLEMENTATION_PERMISSION);
  }
}

通常情况下权限的检查默认是没有开启的，所以 security 一直都是 null ；这里需要在启动 JVM 的时候指定 -Djava.security.manager ；当然也可以指定特定的 SecurityManager；但是在开启的时候很可能会遇到类似：java.security.AccessControlException: access denied ；权限检查失败的错误；

此时可以在 jre\lib\security\java.policy 中添加相应的权限；或者直接开启所有权限 permission java.security.AllPermission;

// jre\lib\security\java.policy

grant {
  permission java.lang.RuntimePermission "stopThread";
  permission java.net.SocketPermission "localhost:0", "listen";
  permission java.util.PropertyPermission "java.version", "read";

  ...

  permission java.security.AllPermission;
};

3.3 start 方法

public synchronized void start() {
  if (threadStatus != 0) throw new IllegalThreadStateException();
  group.add(this);
  boolean started = false;
  try {
    start0();
    started = true;
  } finally {
    try {
      if (!started) {
        group.threadStartFailed(this);
      }
    } catch (Throwable ignore) {
      //
    }
  }
}

private native void start0();

可以看到这是一个同步方法，并且同一个线程不能启动两次；这里首先将线程加入对应的线程组，再真正创建线程，如果创建失败就在线程组中标记；对应的这个 native 方法 start0 ，的源码同样可以查看 openjdk\hotspot\src\share\vm\prims\jvm.cpp，这里就不详细介绍了；

5.4 exit 方法

private void exit() {
  if (group != null) {
    group.threadTerminated(this);
    group = null;
  }
  /* Aggressively null out all reference fields: see bug 4006245 */
  target = null;
  /* Speed the release of some of these resources */
  threadLocals = null;
  inheritableThreadLocals = null;
  inheritedAccessControlContext = null;
  blocker = null;
  uncaughtExceptionHandler = null;
}

exit 方法则是由系统调用，在 Thread 销毁前释放资源；

5.5 弃用方法

public final void stop() { }            // 停止线程
public final void suspend() { }         // 暂停线程
public final void resume() { }          // 恢复线程

stop：停止线程会导致它解锁已锁定的所有监视器，从而产生同步问题，因为它本质上是不安全的。
suspend：暂停线程容易出现死锁，如果目标线程在监视器上保持锁定，那么在恢复目标线程之前，任何线程都无法访问此资源。
resume：恢复线程同样容易出现死锁，如果 A 线程在恢复 B 线程之前锁定监视器，然后在调用 resume 恢复 B，此时 B 会尝试再次获取锁，这样就会导致死锁。

4. 线程通讯

其实所有的多线程问题，其本质都是线程之间的通讯问题，也有的说是通讯和同步两个问题（线程间操作的顺序）；但我觉得同步仍然是线程之间通过某种方式进行通讯，确定各自执行的相对顺序；所以仍然可以算作是一种通讯问题；这里线程之间的通讯问题可以分成两种：

共享变量，类似锁对象、volatile、中断等操作都可以算是共享变量通讯；
消息传递，类似 wait\notify、管道等则可以算是通过消息直接传递通讯；

下面我们将介绍和 Thread 类直接相关的几种通讯，关于锁的部分之后的博客还会详细介绍

4.1 wait\notify 机制

package com.test;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @Descrintion:
 * @Date : Created in 19:41 2019/5/13
 * @
 */
public class Waitnotify {

    private static boolean flag = true ;
    private static final Object LOCK = new Object();




    private static class Wait implements  Runnable{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (LOCK){
                try {
                    while (flag) {
                        System.out.println("flag is true , wait");
                        LOCK.wait();
                    }
                }catch (Exception e){

                }
                System.out.println("flag is false ,running");
            }
        }
    }

    private static class Notify implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (LOCK){
                System.out.println("hold lock,notify");
                LOCK.notify();
                flag = false;
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                }catch (Exception e){

                }
            }

            synchronized (LOCK){
                try {
                    System.out.println("hold lock again, sleep");
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                }catch (Exception e){

                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Thread waitThread = new Thread(new Wait(), "WaitThread");
        waitThread.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        Thread notifyThread = new Thread(new Notify(), "NotifyThread");
        notifyThread.start();

    }


}

4.2 join

package com.test;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @Descrintion:
 * @Date : Created in 19:57 2019/5/13
 * @
 */
public class JoinTest {

    public static void main(String[] args)throws Exception {
        Thread previous = Thread.currentThread();
        for(int i = 0 ; i < 5 ; i++){
            Thread thread = new Thread(new Domino(previous), String.valueOf(i));
            thread.start();
            previous = thread ;
        }

        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.println("terminate");

    }

    private static class Domino implements Runnable{
        private Thread thread;

        public Domino(Thread thread){
            this.thread = thread;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                thread.join();
            }catch (Exception e){

            }
            System.out.println("terminate");
        }
    }
}

每个线程拥有前一个线程的引用，需要等待前一个线程终止，才能从等待中返回

4.3 interrupt

private volatile Interruptible blocker;
private final Object blockerLock = new Object();

// Set the blocker field; invoked via sun.misc.SharedSecrets from java.nio code
void blockedOn(Interruptible b) {
  synchronized (blockerLock) {
    blocker = b;
  }
}

public void interrupt() {
  if (this != Thread.currentThread()) checkAccess();

  synchronized (blockerLock) {
    Interruptible b = blocker;
    if (b != null) {
      interrupt0();       // Just to set the interrupt flag
      b.interrupt(this);
      return;
    }
  }
  interrupt0();
}

private native void interrupt0();

如果线程处于 WAITINF、TIMED_WAITING （正阻塞于 Object 类的 wait()、wait(long)、wait(long, int)方法，或者 Thread 类的 join()、join(long)、join(long, int)、sleep(long)、sleep(long, int)方法），则该线程的中断状态将被清除，并收到一个 java.lang.InterruptedException；
如果线程正阻塞于 InterruptibleChannel 上的 I/O 操作，则该通道将被关闭，同时该线程的中断状态被设置，并收到一个java.nio.channels.ClosedByInterruptException；
如果线程正阻塞于 java.nio.channels.Selector 操作，则该线程的中断状态被设置，同时它将立即从选择操作返回，并可能带有一个非零值，其效果同 java.nio.channels.Selector.wakeup() 方法一样；
如果上述条件都不成立，则该线程的中断状态将被设置；

其中 Interruptible blocker 就是在 NIO 操作的时候通过 sun.misc.SharedSecrets 设置的（其效果同反射，但是不会生成其他对象，也就是不会触发 OOM）；

interrupted 、isInterrupted 方法：

public static boolean interrupted() {
  return currentThread().isInterrupted(true);
}

public boolean isInterrupted() {
  return isInterrupted(false);
}

private native boolean isInterrupted(boolean ClearInterrupted);

可以很清楚的看到他们都是通过 isInterrupted(boolean ClearInterrupted) 方法实现的，但是 interrupted 会清除中断状态，而 isInterrupted 则不会清除；

以上 interrupt 机制 就通过设置 interrupt flag，查询中断状态，以及中断异常构成了一套完整的通讯机制；也可以看作是通过 interrupt flag 共享变量实现的，下面我们简单举例：

public class Interrupted {
  public static void main(String[] args) throws Exception {
    // sleepThread不停的尝试睡眠
    Thread sleepThread = new Thread(new SleepRunner(), "SleepThread");
    sleepThread.setDaemon(true);
    
    // busyThread不停的运行
    Thread busyThread = new Thread(new BusyRunner(), "BusyThread");
    busyThread.setDaemon(true);
    sleepThread.start();
    busyThread.start();
    
    // 休眠5秒，让sleepThread和busyThread充分运行
    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
    
    sleepThread.interrupt();
    busyThread.interrupt();
    log.info("SleepThread interrupted is {}", sleepThread.isInterrupted());
    log.info("BusyThread interrupted is {}", busyThread.isInterrupted());

    // 防止sleepThread和busyThread立刻退出
    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
    log.info("exit");
  }

  static class SleepRunner implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
      try {
        while (true) {
          Thread.sleep(2000);
        }
      } catch (InterruptedException e) {
        log.error("SleepThread interrupted is {}", Thread.currentThread().isInterrupted());
        Thread.currentThread().interrupt();
        log.error("SleepThread interrupted is {}", Thread.currentThread().isInterrupted());
      }
      log.info("exit");
    }
  }

  static class BusyRunner implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
      if (1 == 1) {
        while (true) {
        }
      }
      log.info("exit");
    }
  }
}

打断的确是一个标记，对于未处于可打断状态的线程，或者没有处理打断状态的线程是没有影响的，就像 BusyThread；
使用 interrupt 打断睡眠线程，也的确符合上面的情况，但是因为收到 InterruptedException 的时候会清楚中断标记，所以这里可以再次设置中断标记；

Java/JUC进阶/Java 并发 - 02 Thread

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