Java并发编程之线程生命周期、守护线程、优先级、关闭和join、sleep、yield、interrupt

Java并发编程中，其中一个难点是对线程生命周期的理解，和多种线程控制方法、线程沟通方法的灵活运用。这些方法和概念之间彼此联系紧密，共同构成了Java并发编程基石之一。

Java线程的生命周期

Java线程类定义了New、Runnable、Running Man、Blocked和Dead五种状态。

New

当初始化了一个线程对象之后，线程就进入了New的状态。此时JVM会为其分配堆内存、初始化成员变量的值，获取当前线程为父线程。

Runnable

当调用线程对象的start方法之后，就进入Runnable状态。JVM会为其创建虚拟机栈和程序计数器。此时仅表明线程可以开始运行，但何时运行取决于JVM的线程调度器。

Running

当线程获取到CPU资源的时候，就进入Running状态执行线程方法了。如果线程数大于多处理器的数目，会存在多个线程轮换，尽管多个处理器会同时并行处理几个线程。

线程调度的细节取决于底层平台，当Running的线程调用其yield方法或失去CPU资源的时候，即回到Runnable状态。

Blocked

当发生如下情况，线程会被阻塞/重新进入Runnable状态：

1. 线程调用sleep等可中断方法　　　　　　　　　　　　===>　　　　sleep方法经过指定时间/其它线程调用了阻塞线程的interrupt方法

2. 线程调用了一个阻塞式IO　　　　　　　　　　　　　 ===>　　　　调用的阻塞式IO方法返回 

3. 试图获取一个正被使用的同步锁　　　　　　　　　　 ===>　　　　成功获取同步锁

4. 调用了wait/await方法　　　　　　　　　　　　　　 ===>　　　　其它线程发出了notify/notifyAll/signal/signalAll

5. 调用了其它线程的join方法，进入阻塞　　　　　　　  ===>　　　　 调用了join线程的线程执行体完成或死亡

6. 线程调用suspend方法（容易导致死锁，不建议使用） ===>　　　　 被调用了resume方法

Dead

当发生如下情况，线程结束

1. 线程执行体完成

2. 抛出未捕获的异常或错误

3. 直接调用stop方法（容易导致死锁，不建议使用）

可通过调用线程对象的isAlive方法，如果处于新建和死亡状态会返回false

线程管理

常用的线程管理包括设置后台线程、设置优先级、join、sleep、yield、以及interrupt

设置后台线程

setDaemon(true)：设置为后台线程

isDaemon()：用于判断指定线程是否为后台线程

设置优先级

setPriority(int priority)：设置优先级

getPriority()：获取优先级

public class ThreadPriority {

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(()->
        {
            while(true) {
                System.out.println("t11111");
            }
        }, "t1");
        t1.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
        
        Thread t2 = new Thread(()->{
            while (true) {
                System.out.println("t22222");
            }
        });
        t2.setPriority(10);

        t1.start();
        t2.start();
    }

}

join

在某个程序执行流中(如main线程)，调用其它线程的join方法，调用线程(如main线程)将被阻塞，直到被join方法加入的线程执行完为止。

join线程可以理解为把一个问题分为若干小问题由不同的线程处理，在其它线程处理完毕后，再回到运行状态的概念。

public class ThreadJoin {
    
    private static void shortSleep() {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    private static Thread create(int seq) {
        return new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "#" + i);
                shortSleep();
            }
        }, String.valueOf(seq));
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
        List<Thread> threads = IntStream.range(1, 3).mapToObj(ThreadJoin::create).collect(Collectors.toList());
        
        threads.forEach(Thread::start);
        //在main线程中, 依次调用thread的join方法, main会进入阻塞, 等其它线程完成了再行继续
        for(Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }
        
        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "#" + i);
            shortSleep();
        }

    }

}

sleep

Thread类的静态方法，用于暂停线程的执行。一般建议使用1.5后新增的TimeUnit类来更好的暂停线程

public class ThreadSleep {
    
    private static void sleep(int ms) {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(ms);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        new Thread(() -> 
        {
            long startTime = System.currentTimeMillis();
            sleep(2);
            long endTime = System.currentTimeMillis();
            System.out.println(String.format("Total spend %d second", (endTime - startTime)));
        }).start();
        
        /*
         * Thread sleep times depends on your system
         */
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        sleep(3);
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(String.format("Main thread total spend %d second", (endTime - startTime)));
        
    }
}

interrupt

interrupt方法，主要是另外一个线程用于打断一个阻塞状态的线程，使其重新进入Runnable状态。如果一个阻塞方法（如sleep、wait）可以被interrupt至Runnable状态，这些方法又叫“可中断方法”。interrupt包括3个方法：

1. void interrupt()

2. static boolean interrupted()

3. boolean isInterrupted()

public class ThreadInterrupt {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread() {
            public void run() {
                while(true) {
                    try {
                        /*
                         * sleep为可中断方法, 因此会擦除interrupt标志;
                         * 如果注释掉sleep方法, thread收到中断信号后,interrupt标志不会被移除
                         */
                        TimeUnit.MINUTES.sleep(2);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.out.printf("I am be interrupted? %s\n", isInterrupted());
                    }
                }
            }
        };
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();
        //确保thread线程启动完毕
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.printf("I am be interrupted? %s\n", thread.isInterrupted());
        //在main线程中, 调用线程对象thread的interrupt()方法, 中断thread线程的sleep阻塞状态.
        thread.interrupt();
        //确保thread线程进入Runnable并被线程调度器调动
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.printf("I am be interrupted? %s\n", thread.isInterrupted());
    }
}

事实上，在Thread中维护了一个interrupt的flag，它对线程对象的影响在于：

1. 如果一个线程在运行过程中，另外一个线程调用interrupt方法，相当于似得interrupt的flag为true（上面的代码中，注释掉thread线程的sleep代码，可以看到28结果为true）

2. 如果一个线程因为可中断方法而导致的阻塞，另一个线程调用interrupt方法，阻塞线程捕获中断信号，会把interrupt的flag改为false，实现重置。

static boolean interrupted()方法除了判断线程是否中断外，会直接把interrupt的flag变为true。

public class ThreadInterrupted {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (true) {
                if(Thread.interrupted()) {
                    System.out.println("Yes my interrupt flag has been removed!");
                }else {
                    System.out.println("I am running");
                }
            }
        });
        
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();
        
        //Main sleep to make sure thread start
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(2);
        thread.interrupt();
        //以下显示false
        System.out.println("Main thread is interrupted? " + Thread.interrupted());
        
        Thread.currentThread().interrupt();
        //以下显示true
        System.out.println("Main thread is interrupted? " + Thread.currentThread().isInterrupted());
        
        try {
            TimeUnit.MINUTES.sleep(2);
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("I am be interrupted!!!!!!");
        }
    }
}

yield

与sleep方法不同，yield方法只是让当前线程暂停一下，以便线程调度器操作线程调度。该方法不会让线程进入阻塞

public class ThreadYield {
    
    private static Thread create(int index) {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return new Thread(()->
        {
            if (index == 0) {
                Thread.yield();
            }
            System.out.println(index);
        });
    }

    public static void main(String[] args) {
        IntStream.range(0, 2).mapToObj(ThreadYield::create).forEach(Thread::start);
    }
}

线程关闭

线程关闭不建议使用stop方法，一般来说，线程关闭分为正常和异常两种情况。本文不讨论线程执行体正常完成退出以及异常抛出这两种情况，就业务逻辑中介绍两种主动关闭线程的方法。

1. 通过捕获interrupt中断信号来关闭线程

public class InterruptThreadExit {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
        Thread t = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("I will start to work");
                //此处通过IsInterrupt或interrupted方法来判断中断状态, 以便控制while循环实现控制线程关闭的目的
                while(!interrupted()) {
                    //System.out.println(isInterrupted());
                }
                System.out.println(isInterrupted());
                System.out.println("I will exit");
            }
        };
        t.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        System.out.println("ready to send interrupt signal");
        t.interrupt();
    }
}

2. 通过volatile设置关闭开关

更一般地，可以使用volatile的可见性特点，设置线程控制开关，来控制线程的关闭

/*
 * 通过volatile修饰符, 设置开关来控制线程关闭
 */
public class FlagThreadExit {
    
    static class MyTask extends Thread{
        //使用volatile修饰一个boolean开关变量
        private volatile boolean closed = false;
        public void run() {
            System.out.println("I will start to work");
            //通过开变量和中断标识, 以便控制while循环实现控制线程关闭的目的
            while(!closed && !interrupted()) {
                //working
            }
            System.out.println("I will exit");
        }
        //定义用于关闭的close方法, 设置开关变量和调用中断方法
        public void close() {
            closed = true;
            interrupt();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyTask t = new MyTask();
        t.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.println("use close method");
        t.close();
    }
}