多线程编程核心技术(九)线程
通用的线程生命周期基本上可以用下图这个“五态模型”来描述。这五态分别是：初始状态、可运行状态、运行状态、休眠状态和终止状态。
- 初始状态，指的是线程已经被创建，但是还不允许分配 CPU 执行。这个状态属于编程语言特有的，不过这里所谓的被创建，仅仅是在编程语言层面被创建，而在操作系统层面，真正的线程还没有创建。
- 可运行状态，指的是线程可以分配 CPU 执行。在这种状态下，真正的操作系统线程已经被成功创建了，所以可以分配 CPU 执行。
- 当有空闲的 CPU 时，操作系统会将其分配给一个处于可运行状态的线程，被分配到 CPU 的线程的状态就转换成了运行状态。
- 运行状态的线程如果调用一个阻塞的 API（例如以阻塞方式读文件）或者等待某个事件（例如条件变量），那么线程的状态就会转换到休眠状态，同时释放 CPU 使用权，休眠状态的线程永远没有机会获得 CPU 使用权。当等待的事件出现了，线程就会从休眠状态转换到可运行状态。
- 线程执行完或者出现异常就会进入终止状态，终止状态的线程不会切换到其他任何状态，进入终止状态也就意味着线程的生命周期结束了。
Java 中线程的生命周期
Java 语言中线程共有六种状态，分别是：NEW（初始化状态）RUNNABLE（可运行 / 运行状态）BLOCKED（阻塞状态）WAITING（无时限等待）TIMED_WAITING（有时限等待）TERMINATED（终止状态）
BLOCKED（阻塞状态）WAITING（无时限等待）TIMED_WAITING（有时限等待）对应的就是上面的休眠状态
1. RUNNABLE 与 BLOCKED 的状态转换
只有一种场景会触发这种转换，就是线程等待 synchronized 的隐式锁。synchronized 修饰的方法、代码块同一时刻只允许一个线程执行，其他线程只能等待，这种情况下，等待的线程就会从 RUNNABLE 转换到 BLOCKED 状态。而当等待的线程获得 synchronized 隐式锁时，就又会从 BLOCKED 转换到 RUNNABLE 状态。
这个状态只针对JVM，在JVM眼中等待CPU和进行IO操作都是一样的，都属于RUNABLE状态
2. RUNNABLE 与 WAITING 的状态转换
第一种场景，获得 synchronized 隐式锁的线程，调用无参数的 Object.wait() 方法。会进入等待队列
第二种场景，调用无参数的 Thread.join() 方法。其中的 join() 是一种线程同步方法，例如有一个线程对象 thread A，当调用 A.join() 的时候，执行这条语句的线程会等待 thread A 执行完，而等待中的这个线程，其状态会从 RUNNABLE 转换到 WAITING。当线程 thread A 执行完，原来等待它的线程又会从 WAITING 状态转换到 RUNNABLE。
第三种场景，调用 LockSupport.park() 方法。其中的 LockSupport 对象，也许你有点陌生，其实 Java 并发包中的锁，都是基于它实现的。调用 LockSupport.park() 方法，当前线程会阻塞，线程的状态会从 RUNNABLE 转换到 WAITING。调用 LockSupport.unpark(Thread thread) 可唤醒目标线程，目标线程的状态又会从 WAITING 状态转换到 RUNNABLE。
3. RUNNABLE 与 TIMED_WAITING 的状态转换
调用带超时参数的 Thread.sleep(long millis) 方法；
获得 synchronized 隐式锁的线程，调用带超时参数的 Object.wait(long timeout) 方法；
调用带超时参数的 Thread.join(long millis) 方法；
调用带超时参数的 LockSupport.parkNanos(Object blocker, long deadline) 方法；
调用带超时参数的 LockSupport.parkUntil(long deadline) 方法。
这里你会发现 TIMED_WAITING 和 WAITING 状态的区别，仅仅是触发条件多了超时参数。
4. 从 RUNNABLE 到 TERMINATED 状态
线程执行完 run() 方法后，会自动转换到 TERMINATED 状态，当然如果执行 run() 方法的时候异常抛出，也会导致线程终止。有时候我们需要强制中断 run() 方法的执行，例如 run() 方法访问一个很慢的网络，我们等不下去了，想终止怎么办呢？Java 的 Thread 类里面倒是有个 stop() 方法，不过已经标记为 @Deprecated，所以不建议使用了。正确的姿势其实是调用 interrupt() 方法。
stop() 方法会真的杀死线程，不给线程喘息的机会，如果线程持有 ReentrantLock 锁，被 stop() 的线程并不会自动调用 ReentrantLock 的 unlock() 去释放锁，那其他线程就再也没机会获得 ReentrantLock 锁，但是隐式锁可以被释放。
interrupt() 方法仅仅是通知线程，线程有机会执行一些后续操作，同时也可以无视这个通知。被 interrupt 的线程，是怎么收到通知的呢？一种是异常，另一种是主动检测。
当线程 A 处于 WAITING、TIMED_WAITING 状态时，如果其他线程调用线程 A 的 interrupt() 方法，会使线程 A 返回到 RUNNABLE 状态，同时线程 A 的代码会触发 InterruptedException 异常。上面我们提到转换到 WAITING、TIMED_WAITING 状态的触发条件，都是调用了类似 wait()、join()、sleep() 这样的方法，我们看这些方法的签名，发现都会 throws InterruptedException 这个异常。这个异常的触发条件就是：其他线程调用了该线程的 interrupt() 方法。
public void interrupt() {
//安全检测
if (this != Thread.currentThread())
checkAccess();
//互斥锁来实现
synchronized (blockerLock) {
Interruptible b = blocker;
if (b != null) {
interrupt0(); // Just to set the interrupt flag
b.interrupt(this);
return;
}
}
interrupt0();
}
还有一种是主动检测，如果线程处于 RUNNABLE 状态，并且没有阻塞在某个 I/O 操作上，例如中断计算圆周率的线程 A，这时就得依赖线程 A 主动检测中断状态了。如果其他线程调用线程 A 的 interrupt() 方法，那么线程 A 可以通过 isInterrupted() 方法，检测是不是自己被中断了。
public class demo9 implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("进入了多线程模式");
Thread th = Thread.currentThread();
while (true){
if(th.isInterrupted()) {
break;
}
System.out.println("进入了循环体");
try {
Thread.sleep(100);
}catch (InterruptedException e){
Thread.currentThread().interrupt();
System.out.println("进行了中断");
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
demo9 demo9 = new demo9();
Thread thread = new Thread(demo9);
thread.start();
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
int j = i;
System.out.println(j);
}
thread.interrupt();
}
}
//
进行了中断
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
at demo9.run(demo9.java:19)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
创建多少线程合适？
首先要思考为什么要使用多线程？多线程的应用场景有哪些？
如何度量性能？
提到多线程一般的想法就是快，那么快在哪里呢？
下面一段代码比较下，这是还没有加锁的情况下
public class demo10 implements Runnable {
int i = 0;
@Override
public void run() {
while (i<1000000){
i++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " "+i);
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
demo10 demo10 = new demo10();
Thread A = new Thread(demo10);
Thread B = new Thread(demo10);
long startMili=System.currentTimeMillis();
A.start();
B.start();
A.join();
B.join();
long endMili=System.currentTimeMillis();
System.out.println("/**总耗时为："+(endMili-startMili)+"毫秒");
}
}
/**总耗时为：8359毫秒
单线程情况下:
/**总耗时为：6644毫秒
也就是说多线程不一定会比单线快，问题在于这是要个CPU密集型，全程都在进行计算，进行上下文切换反而会拉低性能，如果再加锁就更加慢。
度量性能的指标有很多，但是有两个指标是最核心的，它们就是延迟和吞吐量。延迟指的是发出请求到收到响应这个过程的时间；延迟越短，意味着程序执行得越快，性能也就越好。 吞吐量指的是在单位时间内能处理请求的数量；吞吐量越大，意味着程序能处理的请求越多，性能也就越好。这两个指标内部有一定的联系（同等条件下，延迟越短，吞吐量越大），但是由于它们隶属不同的维度（一个是时间维度，一个是空间维度），并不能互相转换。
延迟和吞吐量在极限情况下应该是对冲的，延迟低。10核同时计算，那么吞吐量就会低。目的是处于一个平衡的状态。
要想“降低延迟，提高吞吐量”，对应的方法呢，基本上有两个方向，一个方向是优化算法，另一个方向是将硬件的性能发挥到极致。前者属于算法范畴，后者则是和并发编程息息相关了。那计算机主要有哪些硬件呢？主要是两类：一个是 I/O，一个是 CPU。简言之，在并发编程领域，提升性能本质上就是提升硬件的利用率，再具体点来说，就是提升 I/O 的利用率和 CPU 的利用率。
再看上面的例子，如果一个任务是多次IO的，如下图，那么使用多线程的作用还是比较显著的，蓝色的部分可以执行别的任务。对于蓝色部分越长，效果则越好。但是凡是不绝对，如果上面的代码是在多核情况下拆分计算的，线程A计算1到50000，B计算50001到100000。那么就会快。
创建多少线程合适，要看多线程具体的应用场景。我们的程序一般都是 CPU 计算和 I/O 操作交叉执行的，由于 I/O 设备的速度相对于 CPU 来说都很慢，所以大部分情况下，I/O 操作执行的时间相对于 CPU 计算来说都非常长，这种场景我们一般都称为 I/O 密集型计算；和 I/O 密集型计算相对的就是 CPU 密集型计算了，CPU 密集型计算大部分场景下都是纯 CPU 计算。I/O 密集型程序和 CPU 密集型程序，计算最佳线程数的方法是不同的。
对于 CPU 密集型计算，多线程本质上是提升多核 CPU 的利用率，所以对于一个 4 核的 CPU，每个核一个线程，理论上创建 4 个线程就可以了，再多创建线程也只是增加线程切换的成本。所以，对于 CPU 密集型的计算场景，理论上“线程的数量 =CPU 核数”就是最合适的。不过在工程上，线程的数量一般会设置为“CPU 核数 +1”，这样的话，当线程因为偶尔的内存页失效或其他原因导致阻塞时，这个额外的线程可以顶上，从而保证 CPU 的利用率。
对于 I/O 密集型的计算场景，比如前面我们的例子中，如果 CPU 计算和 I/O 操作的耗时是 1:1，那么 2 个线程是最合适的。如果 CPU 计算和 I/O 操作的耗时是 1:2，那多少个线程合适呢？是 3 个线程，如下图所示：CPU 在 A、B、C 三个线程之间切换，对于线程 A，当 CPU 从 B、C 切换回来时，线程 A 正好执行完 I/O 操作。这样 CPU 和 I/O 设备的利用率都达到了 100%。
最佳线程数 =1 +（I/O 耗时 / CPU 耗时）
