java多线程基础

作者: 吾乃零陵上将军邢道荣是也 | 来源:发表于2020-10-04 16:43 被阅读0次

一、基础知识

并发与并行:

并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
并行：指两个或多个事件在同一时刻发生。

线程与进程：

进程：进程是一个具有某个功能的程序在计算机中的一次动态执行过程，是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位。因为它是资源分配的一个独立单位，所以每个进程都有一个独立的内存空间。
线程：首先线程是进程中的一个执行单元。在早期的OS中并没有线程的概念，进程是拥有资源和独立运行的最小单位。后来，由于计算机的发展，对CPU的要求越来越高，而且进程之间的切换开销较大（因为每个进程都有一个独立的内存空间）。为了更好的满足需求，就发明了线程。让线程成为CPU调度的最小单位，而一个进程可以包括多个线程，多个线程共享一个内存空间，这样我们进行线程切换的开销要比进程的切换要小得多。

总结：
线程是程序执行的最小单位，而进程是操作系统分配资源的最小单位。

举个例子：我们运行着的一个QQ就是一个进程，我们可以在QQ上进行视频聊天、发语音和文字聊天等功能，这里的三个功能就对应着进程中的线程。

进程与线程的关系图.png

二、多线程

创建线程：
Java使用 java.lang.Thread类代表线程，所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例。每个线程的作用是完成一定的任务，实际上就是执行一段程序流即一段顺序执行的代码。Java中创建一个新的线程有两种方法。一个是通过继承Thread类来创建并启动多线程，具体步骤如下：

定义Thread类的子类，并重写该类的run()方法，该run()方法的方法体就代表了线程需要完成的任务,因此把run()方法称为线程执行体。
创建Thread子类的实例，即创建了线程对象。
调用线程对象的start()方法来启动该线程。

代码如下：

测试类：
public class Demo01 { 
      public static void main(String[] args) { 
        //创建自定义线程对象 
        MyThread mt = new MyThread("新的线程！"); 
        //开启新线程 
        mt.start(); 
        //在主方法中执行for循环 
        for (int i = 0; i < 10; i++) { 
            System.out.println("main线程！"+i); 
        } 
    } 
}

自定义线程类：
public class MyThread extends Thread { 
    //定义指定线程名称的构造方法 
    public MyThread(String name) { 
       //调用父类的String参数的构造方法，指定线程的名称  
       super(name); 
    }
     //重写run方法，完成该线程执行的逻辑 
     @Override 
     public void run() { 
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
           System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i); 
        } 
     } 
}

多线程原理：程序启动运行main时候，java虚拟机启动一个进程，主线程main在main()调用时候被创建。随着调用mt的对象的 start方法，另外一个新的线程也启动了，这样，整个应用就在多线程下运行。

Thread类：
构造方法：

public Thread():分配一个新的线程对象。
public Thread(String name):分配一个指定名字的新的线程对象。
public Thread(Runnable target)：分配一个带有指定目标新的线程对象。
public Thread(Runnable target,String name)：分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。

常用方法：

public String getName():获取当前线程名称。
public void start():导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法。
public void run() :此线程要执行的任务，在此处定义代码。
public static void sleep(long millis):使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停（暂时停止执行)。
public static Thread currentThread():返回对当前正在执行的线程对象的引用。

前面讲了创建线程有两种方式，一种是继承Thread类方式，还有一种就是实现Runnable接口方式。

实现Runnable接口来创建线程
具体步骤如下：

定义Runnable接口的实现类，并重写该接口的run()方法，该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。
创建Runnable实现类的实例，并以此实例作为Thread的target来创建Thread对象，该Thread对象才是真正的线程对象。
调用线程对象的start()方法来启动线程。

代码示例如下：

public class RunnableImpl implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i=0;i<20;i++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->"+i);
        }
    }
}

public class Demo03Runnable{
    public static void main(String[] args) {
        RunnableImpl run=new RunnableImpl();
        //创建线程对象
        Thread t=new Thread(run);
        t.start();
        for (int i=0;i<20;i++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->"+i);
        }
    }
}

实际上所有的多线程代码都是通过运行Thread的start()方法来运行的。因此，不管是继承Thread类还是实现 Runnable接口来实现多线程，最终还是通过Thread的对象的API来控制线程的，熟悉Thread类的API是进行多线程编程的基础。

实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势：

适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。
可以避免java中的单继承的局限性。
增加程序的健壮性，实现解耦操作，代码可以被多个线程共享，代码和线程独立。
线程池只能放入实现Runable或Callable类线程，不能直接放入继承Thread的类。

使用匿名内部类来实现线程的创建

public class Demo04InnerClassThread {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 20; i++) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->" + "程序员");
                }
            }
        };

        new Thread(r).start();

    }
}

三、线程安全

所谓的线程安全，就是指在多个线程同时运行的情况下，程序仍能按照我们期望的那样运行下去。

举个例子：

public class GetCount implements Runnable{

    private  Integer count=0;
    
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            count++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在访问count，count为：" + count);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程任务对象
        GetCount gc=new GetCount();
        //创建三个线程
        Thread t1=new Thread(gc,"线程一");
        Thread t2=new Thread(gc,"线程二");
        Thread t3=new Thread(gc,"线程三");

        //同时访问count变量
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

    }
}

运行结果：
线程一正在访问count，count为：2
线程三正在访问count，count为：3
线程二正在访问count，count为：2
......

我们可以看到，这里出现了两个2，这种情况明显就是不符合我们的预期，也就是所谓的线程不安全。出现这种问题的原因有很多，最常见的就是，当线程一在进入方法后，拿到了count的值，刚把该值读取出来，但还没有进行count++操作，线程二就进来了，结果导致线程一和线程二拿到的count值是一样的。

线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

线程同步
为了解决上面所讲的线程安全问题，java为我们提供了同步机制(synchronized)来解决。

这里我们先讲一下异步和同步的关系。

异步：由于OS中的进程是并发执行的，所以进程以不可预知的速度向前推进。内存中的每个进程何时执行,何时暂停,以怎样的速度向前推进,每道程序总共需要多少时间才能完成等,都是不可预知的。
同步：同步是为了解决异步产生的问题，使得程序最终能够按照我们预期的那样执行。

java中提供了三种方式来完成同步操作：

同步代码块
同步方法
锁机制

同步代码块

同步代码块：synchronized关键字可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。

格式：

synchronized(同步锁){
    需要同步操作的代码
}

同步锁
对象的同步锁只是一个概念，可以想象为在对象上标记了一个锁。

锁对象可以是任意类型。
多个线程对象要使用同一把锁。

注意:在任何时候,最多允许一个线程拥有同步锁,谁拿到锁就进入代码块,其他的线程只能在外等着 (BLOCKED)。

修改线程任务类的代码：

public class GetCount implements Runnable{

    private  Integer count=0;

    Object lock=new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            synchronized (lock){
                count++;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在访问count，count为：" + count);
            }
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

运行结果：
线程一正在访问count，count为：1
线程三正在访问count，count为：2
线程二正在访问count，count为：3
线程一正在访问count，count为：4
线程二正在访问count，count为：5
线程三正在访问count，count为：6
线程一正在访问count，count为：7
线程三正在访问count，count为：8
线程二正在访问count，count为：9
线程一正在访问count，count为：10
线程二正在访问count，count为：11
线程三正在访问count，count为：12
线程一正在访问count，count为：13
线程二正在访问count，count为：14
线程三正在访问count，count为：15
......

使用了同步代码块后，上述的线程安全问题就解决了。

同步方法

同步方法：使用synchronized修饰的方法，就叫做同步方法，保证A线程执行该方法的时候，其他线程只能在方法外等着。

格式：

public synchronized void method(){ 
    可能会产生线程安全问题的代码 
}

同步锁是谁?
对于非static方法,同步锁就是this。
对于static方法,我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。

修改线程任务类：

public class GetCount implements Runnable{

    private  Integer count=0;

    public synchronized void getCount(){
        count++;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在访问count，count为：" + count);

    }

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            getCount();
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

执行结果：
线程一正在访问count，count为：1
线程三正在访问count，count为：2
线程二正在访问count，count为：3
线程一正在访问count，count为：4
线程三正在访问count，count为：5
线程二正在访问count，count为：6
线程三正在访问count，count为：7
线程二正在访问count，count为：8
......

同步方法同样解决了线程不安全的问题。

Lock锁
java.util.concurrent.locks.Lock机制提供了比synchronized代码块和synchronized方法更广泛的锁定操作，同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有,除此之外更强大,更体现面向对象。

Lock锁也称同步锁，将加锁与释放锁方法化了，如下：

public void lock():加同步锁。
public void unlock():释放同步锁。

使用如下：

public class GetCount implements Runnable{

    private  Integer count=0;

    Lock lock=new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            lock.lock();
            count++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在访问count，count为：" + count);
            lock.unlock();

            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

执行结果：
线程三正在访问count，count为：1
线程二正在访问count，count为：2
线程一正在访问count，count为：3
线程二正在访问count，count为：4
线程一正在访问count，count为：5
线程三正在访问count，count为：6
线程二正在访问count，count为：7
线程一正在访问count，count为：8
线程三正在访问count，count为：9
......

四、线程状态和线程池

线程状态概述
在线程的生命周期中，拥有六种状态。在api中java.lang.Thread.State这个枚举中给出了六种线程状态。

线程状态表

线程状态转换图

我们不需要去研究这几种状态的实现原理，我们只需知道在做线程操作中存在这样的状态即可。

等待和唤醒机制
前面我们谈到的都是线程之间的竞争，比如去争夺锁。下面我们讲讲线程之间的协作机制，即等待唤醒机制。

等待唤醒机制就是用于解决线程间通信的问题的，使用到的3个方法的含义如下：

wait：线程不再活动，不再参与调度，进入 wait set 中，因此不会浪费 CPU 资源，也不会去竞争锁了，这时的线程状态即是 WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作，也即是“通知（notify）”在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来，重新进入到调度队列（ready queue）中。
notify：则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；
notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

注意：哪怕只通知了一个等待的线程，被通知线程也不能立即恢复执行，因为它当初中断的地方是在同步块内，而此刻它已经不持有锁，所以她需要再次尝试去获取锁（很可能面临其它线程的竞争），成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。

总结如下：
如果能获取锁，线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE 状态；
否则，从 wait set 出来，又进入 entry set，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED 状态

调用wait和notify方法需要注意的细节

wait方法与notify方法必须要由同一个锁对象调用。因为：对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。
wait方法与notify方法是属于Object类的方法的。因为：锁对象可以是任意对象，而任意对象的所属类都是继承了Object类的。
wait方法与notify方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用。因为：必须要通过锁对象调用这2个方法。

举例：生产者与消费者问题

包子资源类：
public class BaoZi { 
    String pier ; 
    String xianer ; 
    boolean flag = false ;//包子资源是否存在 
}

吃货线程类：
public class ChiHuo extends Thread{

    private BaoZi bz;

    public ChiHuo(BaoZi bz){
        this.bz=bz;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            synchronized (bz){
                if (bz.flag==false){
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                //被唤醒之后
                System.out.println("吃货正在吃："+bz.pi+bz.xian+"包子");

                bz.flag=false;

                bz.notify();

                System.out.println("吃货已经把："+bz.pi+bz.xian+"包子吃完了，包子铺开始生产包子");

                System.out.println("--------------------------");
            }

        }
    }
}

包子铺线程类：
public class BaoZiPu extends Thread{
    private BaoZi bz;

    public BaoZiPu(BaoZi bz) {
        this.bz = bz;
    }

    @Override
    public void run() {
        int count=0;
        while (true){
            synchronized (bz){
                if (bz.flag==true){
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                if (count%2==0){
                    //生产薄皮三鲜馅包子
                    bz.pi="薄皮";
                    bz.xian="三鲜馅";
                }else {
                    //生产 冰皮 牛肉大葱馅
                    bz.pi="冰皮";
                    bz.xian="牛肉大葱馅";
                }
                count++;
                System.out.println("包子铺正在生产："+bz.pi+bz.xian+"包子");

                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                bz.flag=true;

                bz.notify();

                System.out.println("包子铺已经生产好了："+bz.pi+bz.xian+"包子,吃货可以开吃了");

            }
        }
    }
}

测试类：
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        BaoZi bz=new BaoZi();
        new BaoZiPu(bz).start();
        new ChiHuo(bz).start();

    }
}

执行结果：
包子铺正在生产：薄皮三鲜馅包子
包子铺已经生产好了：薄皮三鲜馅包子,吃货可以开吃了
吃货正在吃：薄皮三鲜馅包子
吃货已经把：薄皮三鲜馅包子吃完了，包子铺开始生产包子
--------------------------
包子铺正在生产：冰皮牛肉大葱馅包子
包子铺已经生产好了：冰皮牛肉大葱馅包子,吃货可以开吃了
吃货正在吃：冰皮牛肉大葱馅包子
吃货已经把：冰皮牛肉大葱馅包子吃完了，包子铺开始生产包子
--------------------------
......

线程池
前面我们每次使用线程的时候就去创建一个线程，这会导致一个问题。比如说系统中并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁的创建和销毁线程就会大大降低系统的效率。

因此java中提供了一种可以复用线程的方法（线程池），就是执行完一个任务，并不被销毁，而是可以继续执行其他的任务。

线程池：其实就是一个容纳多个线程的容器，其中的线程可以反复使用，省去了频繁创建线程对象的操作，无需反复创建线程而消耗过多资源。

线程池的使用
java里面线程池的顶级接口是java.util.concurrent.Executor,但是严格意义上讲Executor并不是一个线程池，而是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是java.util.concurrent.ExecutorService。

要配置一个线程池是比较复杂的，尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下，很有可能配置的线程池不是较优的，因此在java.util.concurrent.Executors线程工厂类里面提供了一些静态工厂，生成一些常用的线程池。官方建议使用Executors工程类来创建线程池对象。

Executors类中有个创建线程池的方法如下：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads):返回线程池对象。（创建的是有界线程池,也就是池中的线程个数可以指定最大数量）

获取到了一个线程池 ExecutorService 对象，那么怎么使用呢，在这里定义了一个使用线程池对象的方法如下：

public Future<?> submit(Runnable task)：获取线程池中的某一个线程对象，并执行。

Future接口：用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用。

使用线程池中线程对象的步骤：

创建线程池对象。
创建Runnable接口子类对象。
提交Runnable接口子类对象。
关闭线程池（一般不用）。

示例代码如下：

public class RunnableImpl implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"创建了一个新的线程执行");
    }
}

public class Demo01ThreadPool {

    public static void main(String[] args) {
        //创建线程池对象
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(2);

        //从线程池中获取线程对象，然后调用其的run()方法
        es.submit(new RunnableImpl());
        es.submit(new RunnableImpl());
        es.submit(new RunnableImpl());

        //关闭线程池
        es.shutdown();

    }

}

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一、基础知识

二、多线程

三、线程安全

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