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并发理论基础--线程

生命周期

Java 语言中线程共有六种状态,分别是:

  1. NEW(初始化状态)
  2. RUNNABLE(可运行 / 运行状态)
  3. BLOCKED(阻塞状态)
  4. WAITING(无时限等待)
  5. TIMED_WAITING(有时限等待)
  6. TERMINATED(终止状态)
    这看上去挺复杂的,状态类型也比较多。但其实在操作系统层面,Java 线程中的 BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 是一种状态,即休眠状态。也就是说只要 Java 线程处于这三种状态之一,那么这个线程就永远没有 CPU 的使用权。所以 Java 线程的生命周期可以简化为下图:
    线程状态转换图

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。

RUNNABLE 与 WAITING 的状态转换

总体来说,有三种场景会触发这种转换:

  1. 获得 synchronized 隐式锁的线程,调用无参数的 Object.wait() 方法
  2. 调用无参数的 Thread.join() 方法。其中的 join() 是一种线程同步方法
  3. 调用 LockSupport.park() 方法

RUNNABLE 与 TIMED_WAITING 的状态转换

有五种场景会触发这种转换:

  1. 调用带超时参数的 Thread.sleep(long millis) 方法
  2. 获得 synchronized 隐式锁的线程,调用带超时参数的 Object.wait(long timeout) 方法
  3. 调用带超时参数的 Thread.join(long millis) 方法
  4. 调用带超时参数的 LockSupport.parkNanos(Object blocker, long deadline) 方法
  5. 调用带超时参数的 LockSupport.parkUntil(long deadline) 方法

从 NEW 到 RUNNABLE 状态

Java 刚创建出来的 Thread 对象就是 NEW 状态,NEW 状态的线程,不会被操作系统调度,因此不会执行。Java 线程要执行,就必须转换到 RUNNABLE 状态。从 NEW 状态转换到 RUNNABLE 状态很简单,只要调用线程对象的 start() 方法就可以了。

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,在Java 的 Thread 类里面有个 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。

线程个数

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 密集型计算场景,最佳的线程数是与程序中 CPU 计算和 I/O 操作的耗时比相关的,我们可以总结出这样一个公式:最佳线程数 =1 +(I/O 耗时 / CPU 耗时)

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