Eine detaillierte Beschreibung der fünf Zustände von Java-Threads sowie ihrer Eigenschaften und Leistung in Multithread-Umgebungen

Erläutern Sie die fünf Zustände von Java-Threads sowie deren Eigenschaften und Leistung in einer Multithread-Umgebung.

Java ist eine objektorientierte Programmiersprache, die es uns ermöglicht, mehrere Aufgaben gleichzeitig auszuführen. Verbesserung der Parallelität und Reaktionsfähigkeit des Programms. In Java haben Threads fünf verschiedene Zustände, nämlich den neuen Zustand (New), den ausführbaren Zustand (Runnable), den blockierten Zustand (Blocked), den Wartezustand (Waiting) und den beendeten Zustand (Terminated). In diesem Artikel werden die Merkmale dieser fünf Zustände im Detail vorgestellt und die Leistung in einer Multithread-Umgebung anhand spezifischer Codebeispiele gezeigt.

1. Neuer Zustand (Neu)
Der Zustand, in dem ein Thread erstellt wurde, aber noch nicht mit der Ausführung begonnen hat, wird als neuer Zustand bezeichnet. Im neu erstellten Zustand wurde die start()-Methode des Threads noch nicht aufgerufen, sodass die Ausführung noch nicht tatsächlich begonnen hat. Zu diesem Zeitpunkt wurde das Thread-Objekt erstellt, aber das Betriebssystem hat ihm keine Ausführungsressourcen zugewiesen.

2. Ausführbarer Zustand (Runnable)
Nachdem der Thread von der start()-Methode aufgerufen wurde, wechselt er in den ausführbaren Zustand. Der Thread in diesem Zustand nutzt die CPU zur Ausführung seiner Aufgaben, kann jedoch aufgrund anderer Threads mit hoher Priorität, fehlender Zeitscheiben oder Wartens auf Eingabe/Ausgabe angehalten werden. Im ausführbaren Zustand weisen Threads die folgenden Eigenschaften auf:

1. Threads in diesem Zustand sind die Grundeinheit der Betriebssystemplanung.
2. Mehrere Threads werden gleichzeitig ausgeführt, und jedem Thread werden CPU-Zeitscheiben zugewiesen, sodass sie abwechselnd ausgeführt werden.
3. Die Planung von Threads ist unkontrollierbar, da sie vom Betriebssystem bestimmt wird.

Hier ist ein einfaches Codebeispiel, das den ausführbaren Zustand von zwei Threads zeigt:

class MyRunnable implements Runnable{
    public void run(){
        for(int i=0; i<10; i++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new MyRunnable());
        Thread t2 = new Thread(new MyRunnable());
        
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

Im obigen Beispiel haben wir zwei Threads t1 und t2 erstellt und sie gleichzeitig gestartet. Da beide Threads gleichzeitig laufen, wechseln sich ihre Ausgaben ab.

3. Blockierter Zustand (Blockiert)
Der Thread wechselt in den blockierten Zustand, weil er bestimmte Ressourcen nicht erhalten kann oder darauf wartet, dass bestimmte Bedingungen erfüllt werden. Ein Thread in einem blockierten Zustand verbraucht keine CPU-Zeit, bis er Ressourcen erhält oder in einen ausführbaren Zustand wechselt, wenn die Bedingungen erfüllt sind.

Das Folgende ist ein einfaches Codebeispiel, das den Blockierungszustand eines Threads zeigt:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                try {
                    System.out.println("Thread 1 is waiting");
                    lock.wait();
                    System.out.println("Thread 1 is running again");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                
                synchronized (lock) {
                    System.out.println("Thread 2 is waking up Thread 1");
                    lock.notify();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

Im obigen Beispiel haben wir zwei Threads t1 und t2 erstellt. t1 tritt in den Wartezustand ein, indem er während des Ausführungszustands die Methode wait() aufruft, bis t2 ihn aufweckt über die Methode notify() aufrufen. Der Grund dafür, dass sich t1 hier im Blockierungszustand befindet, ist, dass die Ausführung nicht fortgesetzt werden kann, bis t2 eine Benachrichtigung ausgibt. Wenn t2 eine Benachrichtigung sendet, hebt t1 die Blockierung auf und wechselt wieder in den ausführbaren Zustand.

4. Wartezustand (Warten)
Ein Thread wechselt in den Wartezustand, weil er darauf warten muss, dass andere Threads bestimmte Aktionen ausführen. Ein Thread im Wartezustand wartet, bis er benachrichtigt oder unterbrochen wird.

Das Folgende ist ein einfaches Codebeispiel, das den Wartezustand eines Threads zeigt:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("Thread 1 is waiting");
                try {
                    lock.wait(); // 进入等待状态
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                
                System.out.println("Thread 1 is running again");
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                
                synchronized (lock) {
                    System.out.println("Thread 2 is waking up Thread 1");
                    lock.notify(); // 唤醒等待的线程
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

Im obigen Beispiel versetzen wir den T1-Thread über die Methode lock.wait() in den Wartezustand, bis der T2-Thread lock.notify passiert ( )-Methode, um es zu benachrichtigen.

5. Beendeter Zustand (Terminiert)
Wenn ein Thread seine Aufgabe abschließt oder aufgrund einer Ausnahme beendet wird, wechselt er in den beendeten Zustand. Ein Thread im beendeten Zustand wird nicht mehr ausgeführt und kann nicht erneut gestartet werden.

Hier ist ein einfaches Codebeispiel, das den Beendigungsstatus eines Threads zeigt:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for(int i=0; i<10; i++){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
            }
        });
        
        t1.start();
        
        try {
            t1.join(); // 确保线程执行完
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        System.out.println("Thread 1 is terminated");
    }
}

Im obigen Beispiel haben wir einen Thread t1 erstellt und gestartet. Verwenden Sie dann die Methode t1.join(), um sicherzustellen, dass der Thread nach Abschluss der Ausführung weiterhin nachfolgenden Code ausführt.

Zusammenfassend stellt dieser Artikel die fünf Zustände von Java-Threads sowie ihre Eigenschaften und Leistung in einer Multithread-Umgebung vor. Für die Multithread-Programmierung ist es wichtig, die Übergänge und Eigenschaften von Thread-Zuständen zu verstehen. Durch die Verwendung geeigneter Thread-Zustände kann das Programm effizienter und zuverlässiger werden. Ich hoffe, dass die Leser durch die Einleitung dieses Artikels den Arbeitsmechanismus von Java-Threads besser verstehen und die Multithread-Programmierung in tatsächlichen Projekten korrekt anwenden können.

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