Java多线程基础
1. 前言
这篇文章，是对Java多线程编程的基础性介绍。
文章将介绍Java语言为支持多线程编程提供的一些特性。通过这篇文章，您将了解到如何通过Java语言创建一个线程，如何通过内置的锁来实现线程间的同步，如何在线程间进行通信以及线程的中断机制。
2. 什么是线程
线程是操作系统调度的最小单位，在一个进程中，一般至少有一个线程在运行。一个进程中包含的多个线程，在多核处理器中，操作系统可以将多个线程调度到不同的CPU核心上运行，多个线程可以并行运行。
在同一个进程中的多个线程，共享同一个进程空间，这意味着，线程间通信的成本相对进程间会低很多，但是由于可以同时访问同一个内存地址，所以不正确的同步可能会导致数据竞争而发生错误。
3. 创建一个线程
在Java中，创建一个线程最简单的方式是继承 java.lang.Thread 类。通过重写Thread类的run()方法，可以将线程中需要执行的代码放到run()方法中，这样，当这个线程被启动以后，可以在新启动的线程中执行这些逻辑。
public class SimpleThread extends Thread { @Override public void run() { // TODO 线程需要运行的代码 } public static void main(String ...args) throws Exception { Thread t = new SimpleThread(); // 启动线程 t.start(); t.join(); } }
上面的代码中，我们通过继承Thread创建了一个SimpleThread类，然后重写了Thread的run()方法，把需要在新的线程中执行的逻辑放到run()方法中，当通过Thread的start()方法启动线程以后，run()方法就会在新线程中被执行。
如果采用这种方式创建线程，那么当我们有多个不同的逻辑需要并行执行，那么我们需要像上面一样，通过继承的方式创建多个Thread的子类，然后重写run()方法来实现。这样看来，我们其实是创建了多个不同类型的线程，然后启动它们。
除了采用继承Thread类型，重新run()方法来创建线程，java还提供了一个java.lang.Runnable接口来"创建"多线程。准确的说，Runnable接口并没有创建一个线程，而是通过实现Runnable接口，我们可以定义一个可以被线程执行的任务。
public class SimpleTask implements Runnable { @Override public void run() { // TODO 当前任务中的逻辑 } }
Thread类的构造函数接受一个实现了Runnable接口的对象，通过将实现了Runnable接口的对象传递给一个Thread实例，相当于对这个线程提交了一个任务，当Thread启动以后，提交的任务就会被执行。
public Thread(Runnable target) { init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0); }
可以看到，在Thread类中，其中的一个构造函数，就是接受实现了Runnable接口的对象，将其视为一个任务执行。通过Runnable方式创建线程的完整代码如下：
public class SimpleTask implements Runnable { @Override public void run() { // TODO 当前任务中的逻辑 } public static void main(String ...args) throws Exception { Thread t = new Thread(new SimpleTask()); // 启动线程 t.start(); t.join(); } }
这两种方式的区别是，实现Runnable的方式更加注重定义的是一个任务，它定义了可以被并发执行的代码边界。作为一个单独的任务，任务中的代码和线程Thread之间是松耦合的，在run()中的代码并不关心它是如何被执行的。我们可以把它扔给Thread，作为一个并行的任务执行，也可以直接调用run()方法。而Thread方式创建的线程，其实相当于创建一个特定的线程的目的是为了执行一个任务，更多的是"创建一个线程"，而前者更多表示的是"创建一个任务"。一般推荐采用实现Runnable接口创建任务的方式。还有一个原因，是提倡面向接口的设计。
4. 内置锁
4.1 synchronized关键字
在同一个进程中的所有线程，都可以共享该进程的地址空间。为了保证操作的原子性，需要使用"锁"来保证临界区的安全访问。Java提供了一种称为内置锁的机制来保证原子性。Java在语言层面提供了synchronized关键字，通过synchronized关键字来定义一个同步块。
synchronized (lock_obj) { // 同步块 }
一个同步块相当于是一个临界区，只允许一个线程可以进入这个同步块，而其他尝试进入的线程将会被阻塞。其中lock_obj可以是任何一个java对象，在Java中，每个Java对象都可以作为同步块的锁，这个锁就被称为内置锁。通过内置锁，我们可以实现一种称为监视器模式的同步模式。
public synchronized void entry() { // 同步块 }
当两个线程同时调用一个对象上的entry()方法的时候，将会去争用这个对象的内置锁，只有持有了这个对象上的内置锁的时候，才被允许进入这个方法体，而在当前进入的线程从该方法中返回之前，其他尝试进入该方法的线程将会被阻塞，所以整个方法体其实就是一个临界区。Java提供的这种同步的方式，使得同步代码编写更加方便，代码可读性更高。
4.1 可重入
Java的内置锁是可重入的，这意味着，如果同一个线程可以多次持有同一个内置锁而不会被阻塞。
public synchronized void entryA() { // 同步块 } public synchronized void entryB() { // 再次持有内置锁 this.entryA(); }
上面的方法entryA()和entryB()是在同一个方法中，当在entryB()中调用entryA()的时候，由于当前线程已经持有了该对象的内置锁，由于内置锁是可重入的，所以再次调用entryA()的时候，不会被阻塞。
5. 通知
5.1 机制
当一个线程由于一些执行条件不满足而等待，而该执行条件的满足需要别的线程触发的时候，就需要一种通知机制来保证：当条件被满足的时候，可以告知等待这个条件的线程可以继续执行。通知机制是线程间同步的一种方式，可以让多个线程协同工作，保持同步。
Java提供了Object.wait()和Object.notify()/Object.notifyAll()方法来实现通知机制。Java的通知机制，需要和Java的内置锁配合使用。
首先，我们创建一个线程threadA，让它调用wait进入等待状态：
Thread threadA = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { synchronized (mutex) { System.out.println("Run in Thread A"); System.out.println("wait"); try { mutex.wait(); } catch (InterruptedException ex) { // some code } System.out.println("resume from wait"); System.out.println("exit"); } } });
上面，我们在持有了mutex锁，进入临界区以后，调用mutex.wait()方法让当前的线程进入等待状态。下面，我们需要创建一个线程threadB来唤醒线程threadA：
Thread threadB = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { synchronized (mutex) { System.out.println("Run in Thread B"); System.out.println("notify"); mutex.notify(); System.out.println("exit"); } } });
在线程threadB中，我们通过调用mutex.notify()方法来唤醒在mutex上等待的线程。通知机制的时序图如下：
Object.wait()方法的语义是：当一个线程A持有某个对象mutex上的内置锁时，该线程A可以调用mutex.wait()方法让自己阻塞，并且释放持有的mutex的内置锁。当线程B持有对象mutex上的内置锁的时候，可以通过调用mutex.notify()来通知所有在mutex内置锁上等待的线程。而A得到通知以后，需要等到再次持有mutex的内置锁的时候，才会从wait()调用中唤醒返回。
Object.notify()将设置锁上的条件，并通知在该锁的条件上等待的其中任意一个线程。当线程B退出临界区并释放持有的mutex锁以后，线程A再次尝试获取mutex锁，并继续执行。Object.notifyAll()和Object.notify()的主要区别是，前者是唤醒在同一个锁上所有在等待的线程，而后者只会唤醒其中的任意一个。不管是前者还是后者，被唤醒并不意味着可以执行，只是表示它们有争夺进入临界区的资格，最终只有一个线程可以进入临界区，而其他被唤醒的线程将会阻塞在内置锁的争夺上，等待锁被释放。
完整的代码如下：
public class WaitNotify { private static final Object mutex = new Object(); public static void main(String ...args) throws Exception { Thread threadA = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { synchronized (mutex) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Run in Thread A"); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": wait"); try { mutex.wait(); } catch (InterruptedException ex) { // some code } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": resume from wait"); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": exit"); } } }); threadA.setName("Thread-A"); Thread threadB = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { synchronized (mutex) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Run in Thread B"); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": notify"); mutex.notify(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": exit"); } } }); threadB.setName("Thread-B"); // 启动线程A threadA.start(); // 等待一段时间，保证线程A已经启动，并且已经在等待 Thread.sleep(1000); threadB.start(); } }
输出结果：
Thread-A: Run in Thread A Thread-A: wait Thread-B: Run in Thread B Thread-B: notify Thread-B: exit Thread-A: resume from wait Thread-A: exit
可以从输出中标红的部分可以看到，只有当线程thread-B从临界区返回，释放了锁以后，线程thread-A才得以真正恢复执行。
5.2 信号丢失
上面的代码中，我们需要满足ThreadA先于ThreadB执行的条件，并且在ThreadA进入wait()等待以后，才执行ThreadB的notify()，这样程序才会正确执行。这样做的目的，是为了防止信号丢失。首先，我们来看下，调整ThreadA和ThreadB的执行顺序以后，程序会怎么样。我们让ThreadB先执行一段时间后，再执行ThreadA：
public class WaitNotify { private static final Object mutex = new Object(); public static void main(String ...args) throws Exception { Thread threadA = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { synchronized (mutex) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Run in Thread A"); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": wait"); try { mutex.wait(); } catch (InterruptedException ex) { // some code } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": resume from wait"); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": exit"); } } }); threadA.setName("Thread-A"); Thread threadB = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { synchronized (mutex) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Run in Thread B"); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": notify"); mutex.notify(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": exit"); } } }); threadB.setName("Thread-B"); threadB.start(); // 等待一段时间，保证线程B已经运行一段时间 Thread.sleep(1000); // 启动线程A threadA.start(); } }
输出结果：
Thread-B: Run in Thread B Thread-B: notify Thread-B: exit Thread-A: Run in Thread A Thread-A: wait
上面的代码，加粗部分是改动后的代码，我们交换了threadA和threadB的启动顺序，保证threadA在wait()前，threadB已经notify()过了。可以看到，当输出Thread-A: wait以后，会发现程序并没有退出，而是被阻塞而无法退出。为什么呢？我们可以通过jstack工具看下当前JVM的调用栈，可以发现如下的输出：
"Thread-A" #12 prio=5 os_prio=31 tid=0x00007faba4073800 nid=0x5207 in Object.wait() [0x00007000013cf000] java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor) at java.lang.Object.wait(Native Method) - waiting on <0x0000000795778bf8> (a java.lang.Object) at java.lang.Object.wait(Object.java:502) at WaitNotify$1.run(WaitNotify.java:15) - locked <0x0000000795778bf8> (a java.lang.Object) at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
可以看到，threadA当前正阻塞在wait()调用上，它在等他条件发生。但是在我们的程序中，条件永远也不会发生了，因为threadB已经通知过了（但是丢失了），并且退出了，所以threadA将会永远等待下去。
由于Java没有在通知以后保留信号，所以一旦在等待之前通知已经发出，那么先前发出的信号就会被丢失，这就导致了上面的问题。为了防止信号被丢失，我们需要在写代码的时候，需要在通知发生的时候保留下来这个信号。通常，可以使用使用一个单独的二值状态变量来记录信号，可以是int类型的0/1，或者boolean类型的true/false。
现在，我们来改写下原先的代码，让它可以处理信号丢失的问题：
public class WaitNotify { private static final Object mutex = new Object(); // 标记条件是否满足 0-为满足；1-满足 private static int status = 0; public static void main(String ...args) throws Exception { Thread threadA = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { synchronized (mutex) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Run in Thread A"); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": wait"); // 在进入等待前，检查条件是否满足 if (status == 0) { try { mutex.wait(); } catch (InterruptedException ex) { // some code } } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": resume from wait"); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": exit"); } } }); threadA.setName("Thread-A"); Thread threadB = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { synchronized (mutex) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Run in Thread B"); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": notify"); // 记录信号已经发生 status = 1; mutex.notify(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": exit"); } } }); threadB.setName("Thread-B"); threadB.start(); // 等待一段时间，保证线程B已经运行一段时间 Thread.sleep(1000); // 启动线程A threadA.start(); } }
输出结果
Thread-B: Run in Thread B Thread-B: notify Thread-B: exit Thread-A: Run in Thread A Thread-A: wait Thread-A: resume from wait Thread-A: exit
这次，我们使用一个status变量来保存信号。当我们需要wait()的时候，先检查下status状态是否已经被设置，如果被设置，则表示信号已经发生过了，不需要再次调用wait()，而在notify()之前，我们先把信号保留到status字段中，这样就保证信号不会丢失。现在，程序可以正确执行了。
5.3 意外唤醒
现在，我们的代码可以正确执行了，好像没有问题了。但是，在我们调用wait()阻塞期间，JVM有可能会意外地唤醒阻塞的线程，这被称为Spurious wakeup。
Spurious wakeup describes a complication in the use of condition variables as provided by certain multithreading APIs such as POSIX Threads and the Windows API.
由于存在意外唤醒，所以，如果我们在wait()等待条件发生的时候，线程被意外唤醒了，那么我们的代码就应该重新进入wait()状态而不是继续执行。为了处理意外唤醒的情况，我们还需要对ThreadA的代码做一些改动：
Thread threadA = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { synchronized (mutex) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Run in Thread A"); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": wait"); while (status == 0) { try { mutex.wait(); } catch (InterruptedException ex) { // some code } } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": resume from wait"); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": exit"); } } });
我们将if (status == 0) 改成了while(status == 0)，这样，当被唤醒的时候，我们可以判断是否是因为条件满足而被唤醒的，还是被意外唤醒的。
6. 中断
一个线程启动以后，因为一些情况，我们需要让在跑的线程停止运行，比如某个在运行的任务被临时取消。我们需要一种机制，可以让已经启动的线程中途退出。Java提供了一种称为"中断"的机制，来告知运行中的线程终止运行。
public class Thread implement Runnable { public static boolean interrupted() {} public void interrupt() {} public boolean isInterrupted() {} }
Java的Thread类中，上面的三个方法和中断相关。
当需要中断一个正在运行的线程的时候，可以通过Thread.interrupt()向需要被中断的线程发送中断请求。然后，被中断的线程将会设置线程的中断状态，如果被中断的线程当前正处于阻塞状态，并且当前的阻塞状态是可被中断的，那么在当前阻塞的地方会抛出一个InterruptedException异常，线程会从阻塞状态唤醒，并且线程的中断状态会消除（这是为下一次中断做准备）。如果被中断的线程处于运行状态，那么外部发起的中断请求只会设置当前线程的中断状态，标记该线程被中断了，但是并不会发生任何事情，除非被中断的线程将要被挂起或者该线程主动去检查中断状态。
如果一个线程当前的中断状态被设置了，那么当改线程将要从运行状态被挂起的时候，会检查当前的中断状态是否被设置，如果当前的中断状态被设置（改线程已经被请求中断），那么该线程不会被挂起，而是抛出一个InterruptedException，并重置中断状态。这种处理机制的目的，是为了防止中断信号丢失。设想，如果不检查中断状态而将线程挂起，那么有可能这个被挂起的线程将会永远无法退出，除非后面再次收到中断请求，但是再次收到中断请求的情况是未知的，所以在被挂起前对中断状态做检查是必要的。
通过对当前线程调用Thread.isInterrupted()可以检查当前线程的中断状态是否被设置。这是运行中的线程检查中断状态的一种途径，使用这种方式来检查线程的中断状态的好处是，只有运行中的线程才知道当前是否是一个合适的执行点终止改线程，当代码需要检查中断状态的时候，一般意味着当前是一个可以退出执行的安全的执行点。
Thread.isInterrupted()方法接受一个boolean参数，表示是否清除中断状态标记，true表示检查完以后清除中断标记，false表示保留中断标记（用于在下一个检查点判断）。Thread.interrupted()方法是一个静态方法，它判断当前线程是否处于被中断状态，并且清除当前的中断状态。改静态方法是对Thread.isInterrupted()方法的包装。
public static boolean interrupted() { return currentThread().isInterrupted(true); }
Java的中断机制，实际上并没有真正中断一个线程。Java的中断以一种相对比较温和的方式中断线程，它以合作的方式来中断一个线程。不管是通过抛出异常或者通过线程自觉检查中断状态，对于被中断的线程而言，当它收到中断请求以后，它可以选择在合适（安全）的执行点响应这个中断请求，也可以丢弃这个中断请求，继续执行，这取决于线程代码编写者的意图。一般建议在线程代码编写的时候，应该对中断请求做出相应或者将中断状态存储下来，以便在下一个合适的执行点，对这个中断请求做出响应，而不应该简单得忽视这个中断请求。除非忽视这个中断是允许，并且这个中断请求是意料之中，可以被忽略的，才可以丢弃这个中断状态。
7. 结束语
通过上面的介绍，我们已经大致了解了在Java中编写多线程代码的基本知识。我们从如何在Java中创建一个线程开始，学习了如何用Java提供的内置锁来实现同步。讨论了如何通过通知机制进行线程间通信，简单探讨了通知机制中信号的丢失和意外唤醒问题，并给出了简单的解决方案。最后，我们介绍了Java中的中断机制——一种合作方式的中断策略，简单探讨了这种中断机制的好处以及编写中断处理代码时应该注意的一些问题。
希望文章中的内容可以帮助到您，如果有叙述错误的地方，欢迎指正。
