java多线程、线程同步与线程池

简介: java多线程、线程同步与线程池

1. 线程的基本概念


1.1 进程

任何的软件存储在磁盘中,运行软件的时候,OS使用IO技术,将磁盘中的软件的文件加载到内存,程序在能运行。


进程的概念 : 应用程序(typora,word,IDEA)运行的时候进入到内存,程序在内存中占用的内存空间(进程).



1.2 线程

线程(Thread) : 在内存和CPU之间,建立一条连接通路,CPU可以到内存中取出数据进行计算,这个连接的通路,就是线程.


一个内存资源 : 一个独立的进程,进程中可以开启多个线程 (多条通路)


并发: 同一个时刻多个线程同时操作了同一个数据


并行: 同一个时刻多个线程同时执行不同的程序



2. Java实现线程程序

今天之前的所有程序都有一个共性 : main启动之后,一条线走到底 (单线程)


2.1 java.lang.Thread类

一切都是对象,线程也是对象,Thread类是线程对象的描述类


实现线程程序的步骤 :    

  • 定义类继承Thread
  • 子类重写方法run
  • 创建子类对象
  • 调用子类对象的方法start()启动线程
//- 定义类继承Thread
//- 子类重写方法run
public class SubThread extends Thread {
    public void run(){
        for(int x = 0 ; x < 50 ;x++)
            System.out.println("run..."+x);
    }
}
public static void main(String[] args) {
    //创建线程程序
    SubThread subThread = new SubThread();
    //调用子类对象的方法start()启动线程
    //启动线程,JVM调用方法run
    subThread.start();
    for(int x = 0 ; x < 50 ;x++)
      System.out.println("main..."+x);
}



2.2 线程的内存图



2.3 Thread类方法

  • Thread类的方法 getName()返回线程的名字,返回值是String类型
public class ThreadName extends Thread {
    public void run (){
        System.out.println("线程名字:: "+ super.getName());
    }
}
   public static void main(String[] args) {
        ThreadName threadName = new ThreadName();
        //threadName.setName("旺财");
        threadName.start();
        ThreadName threadName1 = new ThreadName();
        //threadName1.setName("小强");
        threadName1.start();
    }


   Thread类静态方法 : Thread currentThread()

       静态调用,作用是返回当前的线程对象

       “当前” , 当今皇上. 本地主机


//获取当前线程对象,拿到运行main方法的线程对象
Thread thread =  Thread.currentThread();
System.out.println("name::"+thread.getName());


Thread类的方法 join()    

  • 解释,执行join()方法的线程,他不结束,其它线程运行不了
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        JoinThread t0 = new JoinThread();
        JoinThread t1 = new JoinThread();
        t0.start();
        t0.join();
        t1.start();
    }


Thread类的方法 static yield()    

  • 线程让步,线程把执行权让出
    public void run() {
        for(int x = 0 ; x < 50 ;x++){
            Thread.yield();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"x.."+x);
        }
    }



3. Java实现线程程序


3.1 java.lang.Runnable接口


实现线程程序的步骤 :    

  • 定义类实现接口
  • 重写接口的抽象方法run()
  • 创建Thread类对象      
  • Thread类构造方法中,传递Runnable接口的实现类对象
  • 调用Thread对象方法start()启动线程


//- 定义类实现接口
// - 重写接口的抽象方法run()
public class SubRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for(int x = 0 ; x < 50 ;x++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"x.."+x);
        }
    }
}
    public static void main(String[] args) {
        //创建接口实现类对象
        Runnable r = new SubRunnable();
        //创建Thread对象,构造方法传递接口实现类
        Thread t0 = new Thread(r);
        t0.start();
        for(int x = 0 ; x < 50 ;x++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"x.."+x);
        }
    }


3.2 实现接口的好处


接口实现好处是设计上的分离效果 : 线程要执行的任务和线程对象本身是分离的.

继承Thread重写方法run() : Thread是线程对象,run()是线程要执行的任务

实现Runnable接口 : 方法run在实现类,和线程无关,创建Thread类传递接口的实现类对象,线程的任务和Thread没有联系, 解开耦合性



4. 线程安全

出现线程安全的问题需要一个前提 : 多个线程同时操作同一个资源

线程执行调用方法run,同一个资源是堆内存的


4.1 售票例子

火车票的票源是固定的,购买渠道在火车站买,n多个窗口


/**
 * 票源对象,需要多个线程同时操作
 */
public class Ticket implements Runnable {
    //定义票源
    private int tickets = 100;
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (tickets > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(10);//线程休眠,暂停执行
                }catch (Exception ex){}
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 出售第" + tickets + "张");
                tickets--;
            }else
                break;;
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Ticket ticket = new Ticket();
    //创建3个窗口,3个线程
    Thread t0 = new Thread(ticket);
    Thread t1 = new Thread(ticket);
    Thread t2 = new Thread(ticket);
    t0.start();
    t1.start();
    t2.start();
}


解决线程的安全问题 : 当一个线程没有完成全部操作的时候,其它线程不能操作


4.2 同步代码块

同步代码块可以解决线程安全问题 : 格式 synchronized关键字

synchronized(任意对象){
    //线程操作的共享资源
}


   任意对象 : 在同步中这个对象称为对象锁,简称锁,官方的文档称为 对象监视器

同步代码块,如何保证线程的安全性.

   同步代码块的执行原理 : 关键点就是对象锁

       线程执行到同步,判断锁是否存在

           如果锁存在,获取到锁,进入到同步中执行

           执行完毕,线程出去同步代码块,讲锁对象归还

       线程执行到同步,判断锁所否存在

           如果锁不存在,线程只能在同步代码块这里等待,锁的到来


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使用同步 : 线程要先判断锁,然后获取锁,出去同步要释放锁, 增加了许多步骤,因此线程安全运行速度慢. 牺牲性能,不能牺牲数据安全



4.3 同步方法


当一个方法中,所有代码都是线程操作的共享内容,可以在方法的定义上添加同步的关键字 synchronized , 同步的方法,或者称为同步的函数.


   同步方法中有对象锁吗 , this对象

   静态同步方法中有对象锁吗,锁对象是本类.class属性. 这个属性表示这个类的class文件的对象.


    @Override
    public void run() {
        while (true)
          sale();
    }
private static synchronized void sale(){
    //  synchronized (Ticket.class) {
    if (tickets > 0) {
    try {
        Thread.sleep(20);//线程休眠,暂停执行
        } catch (Exception ex) {
    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出售第" + tickets + "张");
    tickets--;
    }
//  }
}



5. 死锁

死锁程序 : 多个线程同时争夺同一个锁资源,出现程序的假死现象.


面试点 : 考察开发人员是否充分理解同步代码的执行原理

同步代码块 : 线程判断锁,获取锁,释放锁,不出代码,锁不释放


完成死锁的案例 : 同步代码块的嵌套

  • 死锁代码
/**
 * 实现死锁程序
 */
public class ThreadDeadLock implements Runnable{
    private boolean flag ;
    public ThreadDeadLock(boolean flag){
        this.flag = flag;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            //同步代码块的嵌套
            if (flag){
                //先进入A锁同步
                synchronized (LockA.lockA){
                    System.out.println("线程获取A锁");
                    //在进入另一个同步B锁
                    synchronized (LockB.lockB){
                        System.out.println("线程获取B锁");
                    }
                }
            }else {
                //先进入B锁同步
                synchronized (LockB.lockB){
                    System.out.println("线程获取B锁");
                    //再进入另一个同步锁A锁
                    synchronized (LockA.lockA){
                        System.out.println("线程获取A锁");
                    }
                }
            }
        }
    }
}
public class LockA {
    public static LockA lockA = new LockA();
}


public class LockB {
    public static LockB lockB = new LockB();
}


    public static void main(String[] args) {
        ThreadDeadLock threadDeadLock = new ThreadDeadLock(true);
        ThreadDeadLock threadDeadLock2 = new ThreadDeadLock(false);
        new Thread(threadDeadLock).start();
        new Thread(threadDeadLock2).start();
    }




6. JDK5新特性Lock锁


JDK5新的特性 : java.util.concurrent.locks包. 定义了接口Lock.

Lock接口替代了synchronized,可以更加灵活


  • Lock接口的方法
  • void lock() 获取锁
  • void unlock()释放锁
  • Lock接口的实现类ReentrantLock
/**
 *  优化为juc包的接口Lock
 */
public class Ticket implements Runnable {
    //定义票源
    private  int tickets = 100;
    //获取Lock接口的实现类对象
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    @Override
    public void run() {
        while (true)
          sale();
    }
    private void sale(){
        //获取锁
        lock.lock();
        if (tickets > 0) {
            try {
                Thread.sleep(20);//线程休眠,暂停执行
            } catch (Exception ex) {
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出售第" + tickets + "张");
            tickets--;
        }
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}



7. 生产者与消费者

创建2个线程,一个线程表示生产者,另一个线程表示消费者

/**
 * 定义资源对象
 *   成员 : 产生商品的计数器
 *          标志位
 */
public class Resource {
    int count ;
    boolean flag ;
}
/**
 * 生产者线程
 *   资源对象中的变量++
 */
public class Produce implements Runnable{
    private Resource r ;
    public Produce(Resource r) {
        this.r = r;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            synchronized (r) {
                //判断标志位,是否允许生产
                //flag是true,生产完成,等待消费
                if (r.flag )
                    //无限等待
                   try{ r.wait();
                   }catch (Exception ex){}
                r.count++;
                System.out.println("生产第" + r.count + "个");
                //修改标志位,已经生产了,需要消费
                r.flag = true;
                //唤醒消费者线程
                r.notify();
            }
        }
    }
}
/**
 * 消费者线程
 *   资源对象中的变量输出打印
 */
public class Customer implements Runnable{
    private Resource r ;
    public Customer(Resource r) {
        this.r = r;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            synchronized (r) {
                //是否要消费,判断标志位 ,允许消费才能执行
                if (!r.flag )
                    //消费完成,不能再次消费,等待生产
                    try{r.wait();}catch (Exception ex){}
                System.out.println("消费第" + r.count);
                    //消费完成后,修改标志位,变成已经消费
                r.flag = false;
                //唤醒生产线程
                r.notify();
            }
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Resource r = new Resource();
    //接口实现类,生产的,消费的
    Produce produce = new Produce(r);
    Customer customer = new Customer(r);
    //创建线程
    new Thread(produce).start();
    new Thread(customer).start();
}


  • 线程通信的方法 wait() notify()
  • 方法的调用必须写在同步中
  • 调用者必须是作为锁的对象
  • wait(),notify()为什么要定义在Object类      
  • 同步中的锁,是任意对象,任何类都继承Object
  • 案例改为方法实现
/**
 * 定义资源对象
 *   成员 : 产生商品的计数器
 *          标志位
 */
public class Resource {
   private int count ;
   private boolean flag ;
   //消费者调用
   public synchronized void getCount() {
         //flag是false,消费完成,等待生产
         if (!flag)
            //无限等待
            try{this.wait();}catch (Exception ex){}
         System.out.println("消费第"+count);
            //修改标志位,为消费完成
         flag = false;
         //唤醒对方线程
         this.notify();
   }
   //生产者调用
   public synchronized void setCount() {
         //flag是true,生产完成,等待消费
         if (flag)
            //无限等待
            try{this.wait();}catch (Exception ex){}
         count++;
         System.out.println("生产第"+count+"个");
         //修改标志位,为生产完成
         flag = true;
         //唤醒对方线程
         this.notify();
   }
}
/**
 * 消费者线程
 *   资源对象中的变量输出打印
 */
public class Customer implements Runnable{
    private Resource r ;
    public Customer(Resource r) {
        this.r = r;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            r.getCount();
        }
    }
}
/**
 * 生产者线程
 *   资源对象中的变量++
 */
public class Produce implements Runnable{
    private Resource r ;
    public Produce(Resource r) {
        this.r = r;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            r.setCount();
        }
    }
}
//测试类
package thread.thread09;
public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
//        接口实现类,生产者,消费者
        Resource r = new Resource();
        Produce produce = new Produce(r);
        Customer customer=new Customer(r);
//    创建线程
        new Thread(produce).start();
//        Produce produce1=new Produce(r);
//        Thread t1=new Thread(produce1);
//        t1.start();跟上边效果相同
        new Thread(customer).start();
    }
}




7.1 安全问题产生


线程本身就是一个新创建的方法栈内存 (CPU进来读取数据)

线程的notify(),唤醒第一个等待的线程

解决办法 : 全部唤醒 notifyAll()

被唤醒线程,已经进行过if判断,一旦醒来继续执行

线程被唤醒后,不能立刻就执行,再次判断标志位,利用循环

while(标志位) 标志位是true,永远也出不去


/**
 * 定义资源对象
 *   成员 : 产生商品的计数器
 *          标志位
 */
public class Resource {
   private int count ;
   private boolean flag ;
   //消费者调用
   public synchronized void getCount() {
         //flag是false,消费完成,等待生产
         while (!flag)
            //无限等待
            try{this.wait();}catch (Exception ex){}
         System.out.println("消费第"+count);
            //修改标志位,为消费完成
         flag = false;
         //唤醒对方线程
         this.notifyAll();
   }
   //生产者调用
   public synchronized void setCount() {
         //flag是true,生产完成,等待消费
       while (flag)
            //无限等待
            try{this.wait();}catch (Exception ex){}
         count++;
         System.out.println("生产第"+count+"个");
         //修改标志位,为生产完成
         flag = true;
         //唤醒对方线程
         this.notifyAll();
   }
}
/**
 * 生产者线程
 *   资源对象中的变量++
 */
public class Produce implements Runnable{
    private Resource r ;
    public Produce(Resource r) {
        this.r = r;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            r.setCount();
        }
    }
}
/**
 * 消费者线程
 *   资源对象中的变量输出打印
 */
public class Customer implements Runnable{
    private Resource r ;
    public Customer(Resource r) {
        this.r = r;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            r.getCount();
        }
    }
}
    public static void main(String[] args) {
        Resource r = new Resource();
        //接口实现类,生产的,消费的
        Produce produce = new Produce(r);
        Customer customer = new Customer(r);
        //创建线程
        new Thread(produce).start();
        new Thread(produce).start();
        new Thread(produce).start();
        new Thread(produce).start();
        new Thread(produce).start();
        new Thread(produce).start();
        new Thread(customer).start();
        new Thread(customer).start();
        new Thread(customer).start();
        new Thread(customer).start();
        new Thread(customer).start();
        new Thread(customer).start();
    }

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7.2 线程方法sleep和wait的区别

  • sleep在休眠的过程中,同步锁不会丢失 ,不释放
  • wait()等待的时候,发布监视器的所属权, 释放锁.唤醒后要重新获取锁,才能执行



7.3 生产者和消费者案例性能问题

wait()方法和notify()方法, 本地方法调用OS的功能,和操作系统交互,JVM找OS,把线程停止. 频繁等待与唤醒,导致JVM和OS交互的次数过多.


1)wait()方法:

  线程调用wait()方法,释放它对锁的拥有权,同时他会在等待的位置加一个标志,为了以后使用notify()或者notifyAll()方法 唤醒它时,它好能从当前位置获得锁的拥有权,变成就绪状态

  要确保调用wait()方法的时候拥有锁,即,wait()方法的调用必须放在synchronized方法或synchronized块中。 在哪里等待被唤醒时,就在那里开始执行。


2)notify方法

当执行notify/notifyAll方法时,会唤醒一个处于等待该 对象锁 的线程,然后继续往下执行,直到执行完退出对象锁锁住的区域(synchronized修饰的代码块)后再释放锁。


2)notifyAll方法

notifyAll()唤醒全部的线程,也浪费线程资源,为了一个线程,不得以唤醒的了全部的线程.



7.4 Lock接口深入

Lock接口替换了同步synchronized, 提供了更加灵活,性能更好的锁定操作

  • Lock接口中方法 : newCondition() 方法的返回值是接口 : Condition



7.5 生产者与消费者改进为Lock接口


  • Condition接口 (线程的阻塞队列)    
  • 进入队列的线程,释放锁
  • 出去队列的线程,再次的获取锁
  • 接口的方法 : await() 线程释放锁,进入队列
  • 接口的方法 : signal() 线程出去队列,再次获取锁

线程的阻塞队列,依赖Lock接口创建

/**
 *  改进为高性能的Lock接口和线程的阻塞队列
 */
public class Resource {
   private int count ;
   private boolean flag ;
   private Lock lock = new ReentrantLock();//Lock接口实现类对象
    //Lock接口锁,创建出2个线程的阻塞队列
    private Condition prod = lock.newCondition();//生产者线程阻塞队列
    private Condition cust = lock.newCondition();//消费者线程阻塞队列
   //消费者调用
   public  void getCount() {
       lock.lock();//获取锁
         //flag是false,消费完成,等待生产
         while (!flag)
            //无限等待,消费线程等待,执行到这里的线程,释放锁,进入到消费者的阻塞队列
             try{cust.await();}catch (Exception ex){}
         System.out.println("消费第"+count);
            //修改标志位,为消费完成
         flag = false;
         //唤醒生产线程队列中的一个
         prod.signal();
         lock.unlock();//释放锁
   }
   //生产者调用
   public  void setCount() {
       lock.lock();//获取锁
         //flag是true,生产完成,等待消费
       while (flag)
            //无限等待,释放锁,进入到生产线程队列
            try{prod.await();}catch (Exception ex){}
         count++;
         System.out.println("生产第"+count+"个");
         //修改标志位,为生产完成
         flag = true;
         //唤醒消费者线程阻塞队列中年的一个
         cust.signal();
       lock.unlock();//释放锁
   }
}


测试类:

package thread.thread11;
public class test {
    public static void main(String[] args) {
        Res res = new Res();
        Pro pro = new Pro(res);
        Cust cust = new Cust(res);
        Thread t0 = new Thread(pro);
        t0.setName("生产者1号");
        Thread t1 = new Thread(pro);
        t1.setName("生产者2号");
        Thread t2 = new Thread(pro);
        t2.setName("生产者3号");
        Thread t3=new Thread(cust);
        t3.setName("消费者1号");
        Thread t4=new Thread(cust);
        t4.setName("消费者2号");
        Thread t5=new Thread(cust);
        t5.setName("消费者3号");
        t0.start();
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
        t5.start();
    }
}



7.6 Lock锁的实现原理

使用技术不开源,技术的名称叫做轻量级锁


使用的是CAS锁 (Compare And Swap) 自旋锁

JDK限制 : 当竞争的线程大于等于10,或者单个线程自旋超过10次的时候

JDK强制CAS锁取消.升级为重量级锁 (OS锁定CPU和内存的通信总线)



8. 单例设计模式


设计模式 : 不是技术,是以前的人开发人员,为了解决某些问题实现的写代码的经验.

所有的设计模式核心的技术,就是面向对象.

Java的设计模式有23种,分为3个类别,创建型,行为型,功能型


8.1 单例模式


要求 : 保证一个类的对象在内存中的唯一性

  • 实现步骤    
  • 私有修饰构造方法
  • 自己创建自己的对象
  • 方法get,返回本类对象


/**
 * - 私有修饰构造方法
 * - 自己创建自己的对象
 * - 方法get,返回本类对象
 */
public class Single {
    private Single(){}
  //饿汉式
    private static Single s = new Single(); // 自己创建自己的对象
//    方法get,返回本类对象
    public static Single getInstance(){
        return s;
    }
}
 public static void main(String[] args) {
        //静态方法,获取Single类的对象
        Single instance = Single.getInstance();
        System.out.println("instance = " + instance);
 }


实现步骤

  • 私有修饰构造方法
  • 创建本类的成员变量, 不new对象
  • 方法get,返回本类对象
/**
 * - 私有修饰构造方法
 * - 创建本类的成员变量, 不new对象
 * - 方法get,返回本类对象
 */
public class Single {
    private Single(){}
  //懒汉,对象的延迟加载
    private static Single s = null;
    public static Single getInstance(){
        //判断变量s,是null就创建
        if (s == null) {
            s = new Single();
        }
        return s;
    }
}



8.2 懒汉式的安全问题

一个线程判断完变量 s=null,还没有执行new对象,被另一个线程抢到CPU资源,同时有2个线程都进行判断变量,对象创建多次

    public static Single getInstance(){
        synchronized (Single.class) {
            //判断变量s,是null就创建
            if (s == null) {
                s = new Single();
            }
        }
        return s;
    }


性能问题 : 第一个线程获取锁,创建对象,返回对象. 第二个线程调用方法的时候,变量s已经有对象了,根本就不需要在进同步,不要在判断空,直接return才是最高效的.双重的if判断,提高效率 Double Check Lock

private static volatile Single s = null; 
public static Single getInstance(){
        //再次判断变量,提高效率
        if(s == null) {
            synchronized (Single.class) {
                //判断变量s,是null就创建
                if (s == null) {
                    s = new Single();
                }
            }
        }
        return s;
    }


8.3 关键字volatile


成员变量修饰符,不能修饰其它内容


  • 关键字作用 :    
  • 保证被修饰的变量,在线程中的可见性
  • 防止指令重排序      
  • 单例的模式, 使用了关键字,不使用关键字,可能线程会拿到一个尚未初始化完成看的对象(半初始化)


public class MyRunnable implements Runnable {
    private volatile boolean flag = true;
    @Override
    public void run() {
        m();
    }
    private void m(){
        System.out.println("开始执行");
        while (flag){
        }
        System.out.println("结束执行");
    }
    public void setFlag(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }
}
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
        new Thread(myRunnable).start();
        Thread.sleep(2000);
        //main线程修改变量
        myRunnable.setFlag(false);
    }



9. 线程池ThreadPool


线程的缓冲池,目的就是提高效率. new Thread().start() ,线程是内存中的一个独立的方法栈区,JVM没有能力开辟内存空间,和OS交互.


JDK5开始内置线程池


9.1 Executors类


   静态方法static newFixedThreadPool(int 线程的个数)

       方法的返回值ExecutorService接口的实现类,管理池子里面的线程

   ExecutorService接口的方法

       submit (Runnable r)提交线程执行的任务



9.2 Callable接口


实现多线程的程序 : 接口特点是有返回值,可以抛出异常 (Runnable没有)

抽象的方法只有一个, call



启动线程,线程调用重写方法call


  • ExecutorService接口的方法    
  • submit (Callable c)提交线程执行的任务
  • Future submit()方法提交线程任务后,方法有个返回值 Future接口类型
  • Future接口,获取到线程执行后的返回值结果


public class MyCall implements Callable<String> {
    public String call() throws Exception{
        return "返回字符串";
    }
}
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        //创建线程池,线程的个数是2个
       ExecutorService  es =  Executors.newFixedThreadPool(2);
       //线程池管理对象service,调用方法啊submit提交线程的任务
        MyRunnable my = new MyRunnable();
        //提交线程任务,使用Callable接口实现类
        Future<String> future = es.submit(new MyCall());//返回接口类型 Future
        //接口的方法get,获取线程的返回值
        String str = future.get();
        System.out.println("str = " + str);
//        es.submit(my);
//        es.submit(my);
//        es.submit(my);
       // es.shutdown();//销毁线程池
    }


10. ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap类本质上Map集合,键值对的集合.使用方式和HashMap没有区别.

凡是对于此Map集合的操作,不去修改里面的元素,不会锁定



11. 线程的状态图-生命周期

在某一个时刻,线程只能处于其中的一种状态. 这种线程的状态反应的是JVM中的线程状态和OS无关.

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