第六章：多線程

6.1：程序、進程、線程基本概念

1. 程序

   程序program是為了完成特定任務(wù)、用某種語言編寫的一組指令的集合。即指一段靜態(tài)的代碼，靜態(tài)對象。

2. 進程

   ? 進程process是程序的一次執(zhí)行過程，或是正在運行的一個程序。是一個動態(tài)的過程：有它自身的產(chǎn)生、存在和消亡的過程?！旧芷凇?/p>

   • 程序是靜態(tài)的，進程是動態(tài)的。
   • 進程作為資源分配的單位，系統(tǒng)在運行時會為每個進程分配不同的內(nèi)存區(qū)域。

3. 線程

   進程可進一步細化為線程，是一個程序內(nèi)部的一條執(zhí)行路徑。

   • 若一個進行同一時間并行執(zhí)行多個線程，就是支持多線程的。
   • 線程作為調(diào)度和執(zhí)行的單位，每個線程擁有獨立的運行棧和程序計數(shù)器(pc)，線程切換的開銷小。
   • 一個進程中的多個線程共享相同的內(nèi)存單元/內(nèi)存地址空間。他們從同一堆中分配對象，可以訪問相同的變量和對象。這就使得線程間通信更簡便、高效。但是多個線程操作共享的系統(tǒng)資源可能就會帶來安全的隱患。

4. 單核CPU和多核CPU的理解

   • 單核CPU，其實是一種假的多線程，因為在一個時間單元內(nèi)，也只能執(zhí)行一個線程的任務(wù)。
   • 如果是多核的話，才能更好的發(fā)揮多線程的效率。
   • 一個Java應(yīng)用程序java.exe，其實至少有三個線程。main()主線程、gc()垃圾回收線程、異常處理線程。

5. 并行與并發(fā)

   • 并行：多個CPU同時執(zhí)行多個任務(wù)。

   • 并發(fā)：一個CPU(采用時間片)同時執(zhí)行多個任務(wù)。

6. 使用多線程的優(yōu)點

   • 提高應(yīng)用程序的響應(yīng)。對圖形化界面更有意義，可增強用戶體驗。
   • 提供計算機系統(tǒng)CPU的利用率。
   • 改善程序結(jié)構(gòu)。將既長又復(fù)雜的進程分為多個線程，獨立運行，利于理解和修改。

7. 何時需要多線程

   • 程序需要同時執(zhí)行兩個或多個任務(wù)。
   • 程序需要實現(xiàn)一些需要等待的任務(wù)時，如用戶輸入、文件讀寫操作、網(wǎng)絡(luò)操作、搜索等。
   • 需要一些后臺運行的程序時。

6.2：線程的創(chuàng)建和使用

? Java語言的JVM允許程序運行多個線程，它通過java.lang.Thread類來體現(xiàn)。

1. Thread類的特性

   • 每個線程都是通過某個特定Thread對象的run()方法來完成操作的，經(jīng)常把run()方法的主體稱為線程體。
   • 通過該Thread對象的start()方法來啟動這個線程，而非直接調(diào)用run()。

2. Thread類的構(gòu)造器

   • Thread()：創(chuàng)建新的Thread對象
   • Thread(String threadname)：創(chuàng)建線程并指定線程實例名。
   • Thread(Runnable target)：指定創(chuàng)建線程的目標(biāo)對象，它實現(xiàn)了Runnable接口中的run方法。
   • Thread(Runnable target, String name)：創(chuàng)建新的Thread對象。

3. 多線程的創(chuàng)建一：繼承Thread類

   • 創(chuàng)建一個繼承與Thread類的子類。
   • 重寫Thread類的run() ----> 將此線程執(zhí)行的操作聲明在run()中。
   • 創(chuàng)建Thread類的子類的對象。
   • 通過此對象調(diào)用start()。

   // 1.創(chuàng)建一個繼承與Thread類的子類。
   class MyThread extends Thread{// 2.重寫Thread類的run()  public void run() {for(int i = 0; i < 100; i++) {if(i % 2 == 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);}}}
   }public class ThreadTest {public static void main(String[] args) {// 1.創(chuàng)建Thread類的子類的對象MyThread t1 = new MyThread();// 2.通過此對象調(diào)用start()t1.start();}
   }
   

4. 多線程的創(chuàng)建二：實現(xiàn)Runnable接口

   • 創(chuàng)建一個實現(xiàn)了Runnable接口的類。
   • 實現(xiàn)類去實現(xiàn)Runnable中的抽象方法：run()
   • 創(chuàng)建實現(xiàn)類的對象。
   • 將此對象作為參數(shù)傳遞到Thread類的構(gòu)造器中，創(chuàng)建Thread類的對象。
   • 通過Thread類的對象調(diào)用start()。

   // 1.創(chuàng)建一個實現(xiàn)了Runnable接口的類
   class MThread implements Runnable {// 2.實現(xiàn)類去實現(xiàn)`Runnable`中的抽象方法：run()public void run() {for(int i = 0; i < 100; i++) {if(i % 2 == 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);}}}
   }public class ThreadTest1 {public static void main(String[] args) {// 3.創(chuàng)建實現(xiàn)類的對象MThread mThread = new MThread();// 4.將此對象作為參數(shù)傳遞到Thread類的構(gòu)造器中，創(chuàng)建Thread類的對象Thread t1 = new Thread(mThread);// 5.通過Thread類的對象調(diào)用start()t1.start();}
   }
   

5. 比較創(chuàng)建線程的兩種方式

   • 開發(fā)中：優(yōu)先選擇實現(xiàn)Runnable接口的方式。
   • 原因：
     1. 實現(xiàn)的方式?jīng)]有類的單繼承性的局限性。
     2. 實現(xiàn)的方式更適合來處理多個線程有共享數(shù)據(jù)的情況。
   • 聯(lián)系：public class Thread implememts Runnable
   • 相同點：兩種方式都需要重寫run()，將線程要執(zhí)行的邏輯聲明在run()中。

6. Thread中的常用方法

   • start()：啟動當(dāng)前線程，調(diào)用當(dāng)前線程的run()。
   • run()：通常需要重寫Thread類中的此方法，將創(chuàng)建的線程要執(zhí)行的操作聲明在此方法中。
   • currentThread()：靜態(tài)方法，返回執(zhí)行當(dāng)前代碼的線程。
   • getName()：獲取當(dāng)前線程的名字。
   • setName()：設(shè)置當(dāng)前線程的名字。
   • yield()：釋放當(dāng)前cpu執(zhí)行權(quán)。
   • join()：在線程a中調(diào)用線程b的join()，此時線程a就進入阻塞狀態(tài)，知道線程b完全執(zhí)行完以后，線程a才結(jié)束阻塞狀態(tài)。
   • stop()：已過時。當(dāng)執(zhí)行此方法時，強制結(jié)束當(dāng)前線程。
   • isAlive()：判斷當(dāng)前線程是否存活。

7. 線程的優(yōu)先級

   MAX_PRIORITY: 10
   MIN_PRIORITY: 1
   NORM_PRIORITY: 5 --> 默認優(yōu)先級
   

   • 如何獲取和設(shè)置當(dāng)前線程的優(yōu)先級

     1. getPriority()：獲取線程的優(yōu)先級。
     2. setPriority(int p)：設(shè)置線程的優(yōu)先級。

   • 說明

     ? 高優(yōu)先級的線程要搶占低優(yōu)先級線程cpu的執(zhí)行權(quán)。但是只是從概率上講，高優(yōu)先級的線程高概率的情況下被執(zhí)行。并不意味著只有當(dāng)高優(yōu)先級的線程執(zhí)行完以后，低優(yōu)先級的線程才執(zhí)行。

8. 線程的分類

   Java中的線程分為兩類：一種是守護線程，一種是用戶線程。

   • 它們在幾乎每個方面都是相同的，唯一的區(qū)別是判斷JVM何時離開。
   • 守護是用來服務(wù)用戶線程的，通過在start()方法前調(diào)用thread.setDaemon(true)可以把一個用戶線程變成一個守護線程。
   • Java垃圾回收就是一個典型的守護線程。
   • 若JVM中都是守護線程，當(dāng)前JVM將退出。

6.3：線程的生命周期

1. JDK中用Thread.State類定義了線程的幾種狀態(tài)

   ? 想要實現(xiàn)多線程，必須在主線程中創(chuàng)建新的線程對象。Java語言使用Thread類及其子類的對象來表示線程，在它的一個完整的生命周期中通常要經(jīng)歷如下的五種狀態(tài)。

   • 新建

     當(dāng)一個Thread或其子類的對象被聲明并創(chuàng)建時，新生的線程對象處于新建狀態(tài)。

   • 就緒

     ? 處于新建狀態(tài)的線程被start()后，將進入線程隊列等待CPU時間片，此時它已具備了運行的條件，只是沒分配到CPU資源。

   • 運行

     當(dāng)就緒的線程被調(diào)度并獲得CPU資源時，便進入運行狀態(tài)，run()方法定義了線程的操作和功能。

   • 阻塞

     在某種特殊情況下，被人為掛起或執(zhí)行輸入輸出操作時，讓出CPU并臨時中止自己的執(zhí)行，進入阻塞狀態(tài)。

   • 死亡

     線程完成了它的全部工作或線程被提前強制性地中止或出現(xiàn)異常導(dǎo)致結(jié)束。

2. 線程的生命周期圖解
   

6.4：線程的同步

1. 多線程出現(xiàn)了安全問題

   • 問題的原因

     ? 當(dāng)多條語句在操作同一個線程共享數(shù)據(jù)時，一個線程對多條語句只執(zhí)行了一部分，還沒有執(zhí)行完，另一個線程參與進來執(zhí)行，導(dǎo)致共享數(shù)據(jù)的錯誤。

   • 解決辦法

     ? 對多條操作共享數(shù)據(jù)的語句，只能讓一個線程都執(zhí)行完，在執(zhí)行過程中，其他線程不可以參與執(zhí)行。Java對于多線程的安全問題提供了專業(yè)的解決方式：同步機制。

2. 方式一：同步代碼塊

   • 格式

     synchronized(同步監(jiān)視器) {// 需要被同步的代碼
     }
     

   • 操作共享數(shù)據(jù)的代碼，即為需要被同步的代碼。

   • 共享數(shù)據(jù)：多個線程共同操作的變量。

   • 同步監(jiān)視器【俗稱：鎖】。任何一個類的對象，都可以充當(dāng)鎖。多個線程必須要共用同一把鎖。

   • 解決實現(xiàn)Runnable接口方式的線程安全問題

     class Window1 implements Runnable {private int ticket = 100;public void run() {while(true) {synchronized (this) {if (ticket > 0) {try {Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(getName() + ":買票，票號為：" + ticket);ticket--;} else {break;}}}}
     }public class WindowTest1 {public static void main(String[] args) {Window1 w = new Window1();Thread t1 = new Thread(w);Thread t2 = new Thread(w);Thread t3 = new Thread(w);t1.setName("窗口一");t2.setName("窗口二");t3.setName("窗口三");t1.start();t2.start();t3.start();}
     }
     

     在實現(xiàn)Runnable接口創(chuàng)建多線程的方式中，我們可以考慮使用this充當(dāng)同步監(jiān)視器。

   • 解決繼承Thread類方式的線程安全問題

     class Window2 extends Thread {private static int ticket = 100;public void run() {while(true) {synchronized(Window2.class) {if(ticket > 0) {try{Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(getName() + "：買票，票號為：" + ticket);ticket--;} else {break;}}}}
     }public class WindowTest2 {public static void main(String[] args) {Window2 t1 = new Window2();Window2 t2 = new Window2();Window2 t3 = new Window2();t1.setName("窗口一");t2.setName("窗口二");t3.setName("窗口三");t1.start();t2.start();t3.start();}
     }
     

     在繼承Thread類創(chuàng)建多線程的方式中，慎用this充當(dāng)同步監(jiān)視器，考慮使用當(dāng)前類充當(dāng)同步監(jiān)視器。

3. 方式二：同步方法

   • 格式

     權(quán)限修飾符 synchronized 返回值類型 方法名() {}
     

     如果操作共享數(shù)據(jù)的代碼完整的聲明在以方法中，我們不妨將此方法聲明為同步的。

   • 同步方法仍然設(shè)計到同步監(jiān)視，只是不需要我們顯式的聲明。

   • 非靜態(tài)的同步方法，同步監(jiān)視器是this。靜態(tài)的同步方式，同步監(jiān)視器是當(dāng)前類本身。

   • 解決實現(xiàn)Runnable接口方式的線程安全問題

     class Window3 implements Runnable {private int ticket = 100;public void run() {while(true) {show();}}private synchronized void show() {if (ticket > 0) {try {Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(getName() + ":買票，票號為:" + ticket);ticket--;}}
     }public class WindowTest3 {public static void main(String[] args) {Window3 w = new Window3();Thread t1 = new Thread(w);Thread t2 = new Thread(w);Thread t3 = new Thread(w);t1.setName("窗口1");t2.setName("窗口2");t3.setName("窗口3");t1.start();t2.start();t3.start();}
     }
     

   • 解決繼承Thread類方式的線程安全問題

     class Window4 extends Thread {private static int ticket = 100;public void run() {while(true) {show();}}public static synchronized void show() {if(ticket > 0) {try {Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：買票，票號為：" + ticket);ticket--;}}
     }public class WindowTest4 {public static void main(String[] args) {Window4 t1 = new Window4();Window4 t2 = new Window4();Window4 t3 = new Window4();t1.setName("窗口1");t2.setName("窗口2");t3.setName("窗口3");t1.start();t2.start();t3.start();}
     }
     

4. 方式三：Lock(鎖)

   • 從JDK 5.0開始，Java提供了更強大的線程同步機制——通過顯示定義同步鎖對象來實現(xiàn)同步。同步鎖使用Lock對象充當(dāng)。
   • java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多個線程對共享資源進行訪問的工具。鎖提供了對共享資源的獨占訪問，每次只能有一個線程對Lock對象加鎖，線程開始訪問共享資源之前應(yīng)先獲得Lock對象。
   • ReentrantLock類實現(xiàn)了Lock，它擁有synchronized相同的并發(fā)性和內(nèi)存語義，在實現(xiàn)線程安全的控制中，比較常用的是ReentrantLock，可以顯示加鎖、釋放鎖。

   class Window implements Runnable {private int ticket = 100;// 1.實例化ReentrantLockprivate ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public void run() {while(true) {try {// 2.調(diào)用鎖定方法lock()lock.lock();if(ticket > 0) {try {Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(getName() + ":售票，票號為：" + ticket);ticket--;} else {break;}} finally {// 3.調(diào)用解鎖方法：unlock()lock.unlock();}}}
   }public class LockTest {public static void main(String[] args) {Window w = new Window();Thread t1 = new Thread(w);Thread t2 = new Thread(w);Thread t3 = new Thread(w);t1.setName("窗口一");t2.setName("窗口二");t3.setName("窗口三");t1.start();t2.start();t3.start();}
   }
   

5. synchronized與Lock的異同

   相同點：二者都可以解決線程安全問題。

   不同點：

   • synchronized機制在執(zhí)行完相應(yīng)的同步代碼以后，自動的釋放同步監(jiān)視器。
   • Lock需要手動的啟動同步lock()，同時結(jié)束也需要手動的實現(xiàn)unlock()。

6. 線程死鎖

   不同的線程分別占用對方需要的同步資源不放棄，都在等待對方放棄自己需要的同步資源，就形成了線程的死鎖。

   public class ThreadTest {public static void main(String[] args) {StringBuffer s1 = new StringBuffer();StringBuffer s2 = new StringBuffer();new Thread() {public void run() {synchronized(s1) {s1.append("a");s2.append("1");try{Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}synchronized (s2) {s1.append("b");s2.append("2");System.out.println(s1);System.out.println(s2);}}}}.start();new Thread(new Runnable() {public void run() {synchronized (s2) {s1.append("c");s2.append("3");try{Thread.sleep(100);}catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}synchronized (s1) {s1.append("d");s2.append("4");System.out.println(s1);System.out.println(s2);}}}}).start();}
   }
   

   出現(xiàn)死鎖后，不會出現(xiàn)異常，不會出現(xiàn)提示，只是所有的線程都處于阻塞狀態(tài)，無法繼續(xù)。

   • 解決方法：
     1. 專門的算法、原則。
     2. 盡量減少同步資源的定義。
     3. 盡量避免嵌套同步。

6.5：線程的通信

1. 使用兩個線程交替打印1-100

   class Number implements Runnable {private int number = 1;public void run() {while(true) {synchronized (this) {// 線程通信方法二notify();if(number <= 100) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + number);number++;try{// 線程通信方法一wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}} else {break;}}}}
   }public class CommunicationTest {public static void main(String[] args){Number number = new Number();Thread t1 = new Thread(number);Thread t2 = new Thread(number);t1.setName("線程1");t2.setName("線程2");t1.start();t2.start();}
   }
   

2. 線程通信涉及到的方法

   • wait()：一旦執(zhí)行此方法，當(dāng)前線程就進入阻塞狀態(tài)，并釋放同步監(jiān)視器。
   • notify()：一旦執(zhí)行此方法，就會喚醒被wait的一個線程。如果有多個線程被wait，就喚醒優(yōu)先級高的那個。
   • notifyAll()：一旦執(zhí)行此方法，就會喚醒所有被wait的線程。

3. 說明

   • wait()、notify()、notifyAll()這三個方法必須使用在同步代碼塊或同步方法中。
   • wait()、notify()、notifyAll()這三個方法的調(diào)用這必須是同步代碼塊或同步方法中的同步監(jiān)視器。否則會出現(xiàn)IllegalMonitorStateException異常。
   • wait()、notify()、notifyAll()這三個方法是定義在java.lang.Object類中。

4. sleep()和wait()的異同

   • 相同點

     一旦執(zhí)行方法，都可以使得線程進入阻塞狀態(tài)。

   • 不同點

     1. 兩個方法聲明的位置不同：Thread類中聲明sleep()，Object類中聲明wait()。
     2. 調(diào)用的要求不同：sleep()可以在任何場景下調(diào)用。wait()必須使用在同步代碼塊或同步方法中。
     3. 關(guān)于釋放同步監(jiān)視器：如果兩個方法都使用在同步代碼塊或同步方法中，sleep()不會釋放鎖，wait()會釋放鎖。

6.6：JDK5.0新增線程創(chuàng)建方式

1. 方式一：實現(xiàn)Callable接口

   • 與使用Runnable相比，Callable功能更強大一些。
     1. 相比run()方法，可以有返回值。
     2. 方法可以拋出異常。
     3. 支持泛型的返回值。
   • FutrueTask類
     1. FutrueTask是Futrue接口的唯一實現(xiàn)類。
     2. FutrueTask同時實現(xiàn)了Runnable、Future接口。它既可以作為Runnable被線程執(zhí)行，又可以作為Future得到Callable的返回值。

   //1.創(chuàng)建一個實現(xiàn)Callable的實現(xiàn)類
   class NumThread implements Callable{//2.實現(xiàn)call方法，將此線程需要執(zhí)行的操作聲明在call()中@Overridepublic Object call() throws Exception {int sum = 0;for (int i = 1; i <= 100; i++) {if(i % 2 == 0){System.out.println(i);sum += i;}}return sum;}
   }public class ThreadNew {public static void main(String[] args) {//3.創(chuàng)建Callable接口實現(xiàn)類的對象NumThread numThread = new NumThread();//4.將此Callable接口實現(xiàn)類的對象作為傳遞到FutureTask構(gòu)造器中，創(chuàng)建FutureTask的對象FutureTask futureTask = new FutureTask(numThread);//5.將FutureTask的對象作為參數(shù)傳遞到Thread類的構(gòu)造器中，創(chuàng)建Thread對象，并調(diào)用start()new Thread(futureTask).start();try {//6.獲取Callable中call方法的返回值//get()返回值即為FutureTask構(gòu)造器參數(shù)Callable實現(xiàn)類重寫的call()的返回值。Object sum = futureTask.get();System.out.println("總和為：" + sum);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} catch (ExecutionException e) {e.printStackTrace();}}
   }
   

2. 方式二：使用線程池

   • 背景

     經(jīng)常創(chuàng)建和銷毀、使用量特別大的資源【并發(fā)情況下的線程】，對性能影響很大。

   • 思路

     提前創(chuàng)建好多個線程，放入線程池中，使用時直接獲取，用完放回池中。可以避免頻繁創(chuàng)建銷毀、實現(xiàn)重復(fù)利用

   • 好處

     1. 提高響應(yīng)速度【減少了創(chuàng)建新線程的時間】。
     2. 降低資源消耗【重復(fù)利用線程池中線程，不需要每次都創(chuàng)建】。
     3. 便于線程管理。

   • 線程池相關(guān)API

     1. JDK 5.0起提供了線程池相關(guān)API：ExecutoService和Executors。
     2. ExecutorService：真正的線程池接口。常見子類ThreadPoolExecutor
        • void execute(Runnable command)：執(zhí)行任務(wù)/命令，沒有返回值，一般用來執(zhí)行Runnable
        • <T> Future<T> submit(Callable<T> task)：執(zhí)行任務(wù)，有返回值，一般又來執(zhí)行Callable
        • void shutdown()：關(guān)閉連接池
     3. Executors：工具類、線程池的工廠類，用于創(chuàng)建并返回不同類型的線程池。
        • Executors.newCachedThreadPool()：創(chuàng)建一個可根據(jù)需要創(chuàng)建新線程的線程池
        • Executors.newFixedThreadPool(n)：創(chuàng)建一個可重用固定線程數(shù)的線程池
        • Executors.newSingleThreadExecutor()：創(chuàng)建一個只有一個線程的線程池
        • Executors.newScheduledThreadPool(n)：創(chuàng)建一個線程池，它可安排在給定延遲后運行命令或定期執(zhí)行

   class NumberThread implements Runnable{@Overridepublic void run() {for(int i = 0;i <= 100;i++){if(i % 2 == 0){System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);}}}
   }public class ThreadPool {public static void main(String[] args) {//1. 提供指定線程數(shù)量的線程池ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);//2.執(zhí)行指定的線程的操作。需要提供實現(xiàn)Runnable接口或Callable接口實現(xiàn)類的對象service.execute(new NumberThread());//3.關(guān)閉連接池service.shutdown();}
   }