Java多線程-第20章

1.創(chuàng)建線程

Java是一種支持多線程編程的編程語言。多線程是指在同一程序中同時(shí)執(zhí)行多個(gè)獨(dú)立任務(wù)的能力。在Java中，線程是一種輕量級(jí)的子進(jìn)程，它是程序中的最小執(zhí)行單元。Java的多線程編程可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：繼承Thread類或?qū)崿F(xiàn)Runnable接口。

1. 繼承Thread類：

   class MyThread extends Thread {public void run() {// 線程執(zhí)行的代碼}
   }
   

   創(chuàng)建并啟動(dòng)線程：

   MyThread myThread = new MyThread();
   myThread.start();  // 啟動(dòng)線程
   

2. 實(shí)現(xiàn)Runnable接口：

   class MyRunnable implements Runnable {public void run() {// 線程執(zhí)行的代碼}
   }
   

   創(chuàng)建并啟動(dòng)線程：

   MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
   Thread thread = new Thread(myRunnable);
   thread.start();  // 啟動(dòng)線程
   

所有的程序都是通過main方法開始執(zhí)行的。當(dāng)一個(gè)Java程序啟動(dòng)時(shí)，JVM（Java虛擬機(jī)）會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)主線程，該線程負(fù)責(zé)執(zhí)行main方法。在多線程編程中，你可以創(chuàng)建額外的線程來執(zhí)行其他任務(wù)。

Java提供了一些關(guān)鍵字和方法來控制線程的執(zhí)行，其中一些關(guān)鍵字包括：

• synchronized：用于控制多個(gè)線程訪問共享資源時(shí)的同步問題。
• wait()、notify()、notifyAll()：用于實(shí)現(xiàn)線程間的通信和協(xié)調(diào)。
• sleep(long milliseconds)：讓線程休眠一段時(shí)間。
• join()：等待一個(gè)線程終止。
• yield()：讓出CPU執(zhí)行權(quán)，讓其他線程執(zhí)行。

多線程編程的主要挑戰(zhàn)之一是避免競(jìng)態(tài)條件（Race Condition）和死鎖（Deadlock）。競(jìng)態(tài)條件發(fā)生在多個(gè)線程試圖同時(shí)訪問和修改共享數(shù)據(jù)時(shí)，而死鎖則是線程相互等待對(duì)方釋放資源，導(dǎo)致所有線程都無法繼續(xù)執(zhí)行的情況。

線程的狀態(tài)有以下幾種：

• 新建（New）： 線程已經(jīng)創(chuàng)建，但還沒有開始執(zhí)行。
• 就緒（Runnable）： 線程可以開始執(zhí)行，等待CPU時(shí)間片。
• 運(yùn)行（Running）： 線程正在執(zhí)行。
• 阻塞（Blocked）： 線程被阻塞，等待某個(gè)事件的發(fā)生。
• 死亡（Terminated）： 線程執(zhí)行完成。

請(qǐng)注意，Java的多線程編程也有一些高級(jí)的概念和工具，如線程池、Callable和Future等，用于更靈活地處理多線程任務(wù)。

實(shí)例1：讓線程循環(huán)打印1-10的數(shù)字

實(shí)例2：讓窗口中的圖標(biāo)動(dòng)起來

2.線程的生命周期

Java線程的生命周期描述了一個(gè)線程從創(chuàng)建到運(yùn)行再到結(jié)束的整個(gè)過程，它包括多個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)代表了線程在不同階段的狀態(tài)。Java線程的生命周期可以分為以下幾個(gè)狀態(tài)：

1. 新建狀態(tài)（New）：
   • 當(dāng)線程對(duì)象被創(chuàng)建時(shí)，它處于新建狀態(tài)。
   • 此時(shí)，線程還沒有開始執(zhí)行。
2. 就緒狀態(tài)（Runnable）：
   • 當(dāng)線程調(diào)用start()方法后，線程進(jìn)入就緒狀態(tài)。
   • 此時(shí)，線程已經(jīng)準(zhǔn)備好運(yùn)行，等待獲取CPU時(shí)間片。
3. 運(yùn)行狀態(tài)（Running）：
   • 當(dāng)就緒狀態(tài)的線程獲取到CPU時(shí)間片時(shí)，線程進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。
   • 此時(shí)，線程正在執(zhí)行其任務(wù)。
4. 阻塞狀態(tài)（Blocked）：
   • 線程在運(yùn)行過程中，可能由于某些原因需要暫時(shí)放棄CPU時(shí)間片，進(jìn)入阻塞狀態(tài)。
   • 典型的例子包括等待I/O完成、等待獲取鎖、等待通知等。
   • 當(dāng)阻塞條件解除時(shí)，線程會(huì)重新進(jìn)入就緒狀態(tài)。
5. 等待狀態(tài)（Waiting）：
   • 線程在等待某個(gè)條件滿足時(shí)，會(huì)進(jìn)入等待狀態(tài)。
   • 調(diào)用Object.wait()、Thread.join()、LockSupport.park()等方法可以使線程進(jìn)入等待狀態(tài)。
   • 等待狀態(tài)的線程需要其他線程通知或中斷才能繼續(xù)執(zhí)行。
6. 超時(shí)等待狀態(tài)（Timed Waiting）：
   • 線程在等待一段時(shí)間后會(huì)進(jìn)入超時(shí)等待狀態(tài)。
   • 調(diào)用帶有超時(shí)參數(shù)的Object.wait()、Thread.sleep()、Thread.join()等方法會(huì)導(dǎo)致線程進(jìn)入超時(shí)等待狀態(tài)。
7. 終止?fàn)顟B(tài)（Terminated）：
   • 線程執(zhí)行完任務(wù)或者發(fā)生了未捕獲的異常時(shí)，線程進(jìn)入終止?fàn)顟B(tài)。
   • 一個(gè)終止?fàn)顟B(tài)的線程不能再次啟動(dòng)。

這些狀態(tài)構(gòu)成了線程的生命周期，如下圖所示：

New -> Runnable -> (Running) -> Blocked -> (Runnable) -> (Terminated)\-> Waiting -> (Runnable) -> (Terminated)\-> Timed Waiting -> (Runnable) -> (Terminated)

注意，生命周期中的括號(hào)表示這些狀態(tài)可能是短暫的，線程可能在運(yùn)行、等待、超時(shí)等待等狀態(tài)間切換。在實(shí)際的多線程應(yīng)用中，正確地管理線程生命周期是至關(guān)重要的，以避免潛在的問題，如死鎖、競(jìng)態(tài)條件等。

3.操作線程的方法

4.1線程的休眠

線程休眠是通過Thread.sleep(long milliseconds)方法實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)方法讓當(dāng)前正在執(zhí)行的線程在指定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入休眠狀態(tài)（即暫停執(zhí)行），單位是毫秒。在指定時(shí)間過去或者線程被中斷時(shí)，線程將恢復(fù)執(zhí)行。

方法簽名為：

public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;

• millis：休眠時(shí)間，以毫秒為單位。

注意，sleep方法可能拋出InterruptedException異常，因?yàn)榫€程在休眠時(shí)可以被其他線程中斷。在處理中斷時(shí)，可以選擇捕獲該異常并處理，或者將異常繼續(xù)傳播出去。

4.2線程的加入

在Java中，可以使用join()方法來等待一個(gè)線程完成其執(zhí)行。join()方法的作用是使當(dāng)前線程等待調(diào)用join()方法的線程執(zhí)行結(jié)束，然后再繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前線程。

方法簽名為：

public final void join() throws InterruptedException;

或者可以使用帶有超時(shí)參數(shù)的join(long millis)方法：

javaCopy code
public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException;

• millis：等待的最大時(shí)間（以毫秒為單位）。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，演示了線程的加入：

class MyThread extends Thread {public void run() {for (int i = 1; i <= 5; i++) {System.out.println("Task " + i + " in progress by " + Thread.currentThread().getName());try {// 模擬任務(wù)執(zhí)行時(shí)間Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}public class JoinExample {public static void main(String[] args) {MyThread thread1 = new MyThread();MyThread thread2 = new MyThread();// 啟動(dòng)線程1thread1.start();try {// 等待線程1執(zhí)行完成，然后再繼續(xù)執(zhí)行主線程thread1.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}// 啟動(dòng)線程2thread2.start();// 主線程繼續(xù)執(zhí)行System.out.println("Main thread continues its work.");}
}

在這個(gè)例子中，主線程啟動(dòng)了thread1，然后調(diào)用thread1.join()等待thread1執(zhí)行完成，接著啟動(dòng)了thread2。由于join()方法會(huì)使主線程等待被調(diào)用的線程執(zhí)行完成，所以在這個(gè)例子中主線程會(huì)等待thread1執(zhí)行完成后再啟動(dòng)thread2。

4.3線程的中斷

線程的中斷是一種線程間的協(xié)作機(jī)制，它允許一個(gè)線程通知另一個(gè)線程，以請(qǐng)求它停止正在執(zhí)行的任務(wù)。線程的中斷通過調(diào)用interrupt()方法來觸發(fā)。

1. 中斷線程：

   • 使用interrupt()方法中斷線程。

     Thread myThread = new MyThread();
     myThread.start();
     // ...
     myThread.interrupt();  // 中斷線程
     

   • interrupt()方法會(huì)設(shè)置線程的中斷標(biāo)志位，但并不會(huì)立即停止線程的執(zhí)行。線程需要檢查自己的中斷狀態(tài)并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候終止執(zhí)行。

2. 檢查中斷狀態(tài)：

   • 使用Thread.interrupted()方法檢查當(dāng)前線程的中斷狀態(tài)，并清除中斷狀態(tài)。

     if (Thread.interrupted()) {// 線程已被中斷，執(zhí)行相應(yīng)的處理
     }
     

   • 或者使用isInterrupted()方法檢查線程的中斷狀態(tài)而不清除中斷狀態(tài)。

     if (myThread.isInterrupted()) {// 線程已被中斷，執(zhí)行相應(yīng)的處理
     }
     

3. 處理中斷：

   • 在線程的執(zhí)行過程中，可以通過檢查中斷狀態(tài)來決定是否停止執(zhí)行。

     public void run() {while (!Thread.interrupted()) {// 執(zhí)行任務(wù)}
     }
     

   • 或者在拋出InterruptedException異常的地方處理中斷。

     public void run() {try {while (true) {// 執(zhí)行任務(wù)if (Thread.interrupted()) {throw new InterruptedException();}}} catch (InterruptedException e) {// 處理中斷異常}
     }
     

   • 在處理中斷時(shí)，可以選擇終止線程的執(zhí)行，或者采取其他適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

中斷通常用于優(yōu)雅地停止線程，而不是強(qiáng)制終止線程。這種協(xié)作的方式允許線程在中斷請(qǐng)求到來時(shí)，完成正在進(jìn)行的工作，并進(jìn)行清理工作，提高程序的健壯性。

實(shí)例3：單擊按鈕停止進(jìn)度條滾動(dòng)

4.4線程的禮讓

線程的禮讓是指一個(gè)線程表明自己愿意讓出當(dāng)前的CPU執(zhí)行時(shí)間，以便讓其他線程有機(jī)會(huì)執(zhí)行。我們可以使用Thread.yield()方法來實(shí)現(xiàn)線程的禮讓。

方法簽名為：

public static native void yield();

Thread.yield()方法是一個(gè)靜態(tài)方法，調(diào)用它的線程會(huì)讓出一些時(shí)間片，以便其他具有相同或更高優(yōu)先級(jí)的線程有機(jī)會(huì)執(zhí)行。然而，yield()方法并不能保證線程會(huì)讓出CPU執(zhí)行權(quán)，它只是向調(diào)度器發(fā)出一個(gè)提示。

5.線程的優(yōu)先級(jí)

線程調(diào)度器使用線程的優(yōu)先級(jí)來決定哪個(gè)線程應(yīng)該優(yōu)先執(zhí)行。線程的優(yōu)先級(jí)是一個(gè)整數(shù)值，范圍從Thread.MIN_PRIORITY（1）到Thread.MAX_PRIORITY（10）。默認(rèn)情況下，每個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)都是Thread.NORM_PRIORITY（5）。

線程的優(yōu)先級(jí)可以通過setPriority(int priority)方法進(jìn)行設(shè)置。該方法必須在啟動(dòng)線程之前調(diào)用。

以下是設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)的例子：

class MyThread extends Thread {public void run() {for (int i = 1; i <= 5; i++) {System.out.println("Task " + i + " in progress by " + Thread.currentThread().getName());}}
}public class PriorityExample {public static void main(String[] args) {MyThread thread1 = new MyThread();MyThread thread2 = new MyThread();// 設(shè)置線程1的優(yōu)先級(jí)為最高thread1.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);// 啟動(dòng)線程1thread1.start();// 啟動(dòng)線程2thread2.start();}
}

在這個(gè)例子中，thread1的優(yōu)先級(jí)被設(shè)置為最高（Thread.MAX_PRIORITY），而thread2使用默認(rèn)的優(yōu)先級(jí)。在運(yùn)行時(shí)，具有更高優(yōu)先級(jí)的線程更有可能被調(diào)度執(zhí)行，但并不能保證絕對(duì)順序。

注意，線程優(yōu)先級(jí)的調(diào)整并不是在所有平臺(tái)上都能生效的，而且過度依賴線程優(yōu)先級(jí)可能導(dǎo)致可移植性問題。在實(shí)際應(yīng)用中，更重要的是編寫穩(wěn)健的多線程代碼，而不是過分關(guān)注線程優(yōu)先級(jí)。

實(shí)例4：觀察不同優(yōu)先級(jí)的線程執(zhí)行完畢順序

6.線程同步

線程同步是一種機(jī)制，用于防止多個(gè)線程同時(shí)訪問共享資源，從而避免數(shù)據(jù)不一致性和競(jìng)態(tài)條件。在Java中，主要的線程同步機(jī)制包括使用synchronized關(guān)鍵字、wait()、notify()和notifyAll()方法、以及Lock和Condition接口等。

6.1線程安全

線程安全是指多個(gè)線程訪問某個(gè)共享資源時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)不確定的結(jié)果或?qū)е虏灰恢滦缘那闆r。在多線程環(huán)境中，如果沒有適當(dāng)?shù)耐綑C(jī)制，共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可能會(huì)被多個(gè)線程同時(shí)修改，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致或其他問題。確保線程安全是多線程編程中非常重要的一個(gè)方面。

以下是一些確保線程安全的常見方式：

1. 使用同步方法： 在方法上使用 synchronized 關(guān)鍵字，確保一次只有一個(gè)線程可以執(zhí)行該方法。

   public synchronized void synchronizedMethod() {// 同步的代碼塊
   }
   

2. 使用同步代碼塊： 在代碼塊中使用 synchronized 關(guān)鍵字，確保一次只有一個(gè)線程可以執(zhí)行同步代碼塊。

   public void someMethod() {// 非同步代碼synchronized (lockObject) {// 同步的代碼塊}// 非同步代碼
   }
   

3. 使用 java.util.concurrent 包中的線程安全類： Java提供了一些線程安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 等。

   Map<String, String> concurrentMap = new ConcurrentHashMap<>();
   List<String> copyOnWriteList = new CopyOnWriteArrayList<>();
   

4. 使用 Lock 和 Condition： 使用 Lock 接口及其實(shí)現(xiàn)類來提供更細(xì)粒度的同步控制。

   Lock lock = new ReentrantLock();
   Condition condition = lock.newCondition();lock.lock();
   try {// 臨界區(qū)的代碼
   } finally {lock.unlock();
   }
   

5. 使用 volatile 關(guān)鍵字： volatile 關(guān)鍵字可以保證變量的可見性，但不能解決復(fù)合操作的原子性問題。

   private volatile boolean flag = false;
   

6. 使用原子類： java.util.concurrent.atomic 包中提供了一些原子類，如 AtomicInteger、AtomicLong 等，用于執(zhí)行原子操作。

   AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0);
   atomicInt.incrementAndGet();
   

確保線程安全是一個(gè)綜合性的問題，需要在設(shè)計(jì)階段考慮，并采用適當(dāng)?shù)耐酱胧＿x擇合適的同步機(jī)制取決于具體的應(yīng)用場(chǎng)景和性能要求。在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)多線程程序時(shí)，充分了解并考慮線程安全性是至關(guān)重要的。

實(shí)例5：開發(fā)線程安全的火車售票系統(tǒng)

6.2線程同步機(jī)制

線程同步機(jī)制是一組用于確保多個(gè)線程訪問共享資源時(shí)不會(huì)發(fā)生競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)不一致的技術(shù)。以下是一些常見的線程同步機(jī)制：

1. synchronized 關(guān)鍵字：

   • synchronized 關(guān)鍵字用于修飾方法或代碼塊，確保在同一時(shí)刻最多只有一個(gè)線程能夠進(jìn)入被 synchronized 修飾的方法或代碼塊。

   // 同步方法
   public synchronized void synchronizedMethod() {// 同步的代碼塊
   }// 同步代碼塊
   public void someMethod() {// 非同步代碼synchronized (lockObject) {// 同步的代碼塊}// 非同步代碼
   }
   

2. Lock 和 Condition 接口：

   • Lock 接口提供了比 synchronized 更靈活的鎖定機(jī)制。通過 ReentrantLock 實(shí)現(xiàn)類，可以使用 lock() 和 unlock() 方法來控制臨界區(qū)的訪問。
   • Condition 接口用于在 Lock 上創(chuàng)建條件變量，通過 await()、signal() 和 signalAll() 方法實(shí)現(xiàn)更靈活的線程通信。

   Lock lock = new ReentrantLock();
   Condition condition = lock.newCondition();lock.lock();
   try {// 臨界區(qū)的代碼
   } finally {lock.unlock();
   }
   

3. volatile 關(guān)鍵字：

   • volatile 關(guān)鍵字用于聲明變量，確保線程之間對(duì)該變量的寫入和讀取操作是可見的。它不提供原子性，僅僅保證了可見性。

   private volatile boolean flag = false;
   

4. Atomic 類：

   • java.util.concurrent.atomic 包中提供了一組原子類，如 AtomicInteger、AtomicLong，用于執(zhí)行原子操作，避免競(jìng)態(tài)條件。

   AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0);
   atomicInt.incrementAndGet();
   

5. ReadWriteLock 接口：

   • ReadWriteLock 接口提供了讀寫鎖，允許多個(gè)線程同時(shí)讀取共享資源，但只允許一個(gè)線程寫入。

   ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
   rwLock.readLock().lock();
   // 讀取共享資源的操作
   rwLock.readLock().unlock();rwLock.writeLock().lock();
   // 寫入共享資源的操作
   rwLock.writeLock().unlock();
   

這些機(jī)制可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景選擇使用，每種機(jī)制都有其適用的情況。合理選擇同步機(jī)制可以提高多線程程序的性能和可維護(hù)性，避免潛在的并發(fā)問題。