多线程

作者: c_gentle | 来源:发表于2021-01-25 21:20 被阅读0次

一、线程与并发

1、线程与进程的区别

进程：是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有自己独立的一块内存空间，一个进程中可以有多个线程（1，n）。比如在Windows的任务管理器中，一个运行的xx.exe就是一个进程。
线程：是指进程中的一个执行任务(控制单元)，一个进程中可以运行多个线程，多个线程可共享数据。
多进程：操作系统中同时运行的多个程序。
并行和并发
并行：同一时间点执行多个任务
并发：同一时间段中执行多个任务

2、主线程

在运行一个简单的Java程序的时候，就已经存在了两个线程，一个是主线程，一个是后台线程——维护的垃圾回收。主线程很特殊，在启动JVM的时候自动启动的。

3、线程的创建和启动

3.1线程的创建

方式一,继承Thread类:
自定义类继承Thread
重写run方法
创建自定义对象
自定义对象调用start方法

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        //线程体，线程启动时，会自动调用本方法，所有这里是我们写代码的主体部分
    }
}

public class ExceptionDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t = new MyThread();
        t.start();//调用Thread的start方法，JVM会自动调用run方法。
    }
}

方式二、实现Runnable 接口
自定义类实现Runable接口
重写run方法
创建自定义类对象
把自定类的对象作为Thread类构造器参数，并调用Thread对象start方法

class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        //线程体，线程启动时，会自动调用本方法，所有这里是我们写代码的主体部分
    }
}

public class ThreadDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable target = new MyRunnable();
        Thread t = new Thread(target);
        t.start();
    }
}

第一种使用起来方便，启动一个线程也方便，很多功能都在Thread类中定义好了；
第二种方式启动得依赖于Thread，因为本身Runnable中只有run方法，请看Thread的构造方法。后期的功能拓展有优势
线程体-run方法
不管哪种方式创建的线程，都得覆写run 方法，因为这是线程体方法，该方法在线程启动之后会自动被调用。

public void run() {
    //线程体，线程启动时，会自动调用本方法，所有这里是我们写代码的主体部分
}

线程的执行随机性：
一旦一个线程启动之后就是一个独立的线程，等待CPU的调度分配资源，不会因为启动它的外部线程结束而结束。

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        //自定义线程中的for循环打印i,打印顺序是完全随机的。
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("MyThread  ==> " + i);
        }
    }
}

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread mt = new MyThread();
        mt.start();
        //主线程中的for循环打印i
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("main  ==> " + i);
        }
    }
}

多次运行该程序，观察每次运行的结果

3.2线程的启动

启动线程必须调用线程类Thread中的start方法，该方法应该由Thread类的一个实例来调用，下面是方法签名：

public void start()

底层会调用该线程的 run 方法。
只有调用了线程对象的start方法才会开启一个新的线程，如果是直接调用对象的run方法不会开启新的线程，只是一个单线程。
注意：启动一个新线程，不能使用run()方法，只能使用start方法。

4、线程的生命周期和状态

image.png

新建：当程序使用new创建一个线程后，该线程处于新建状态，此时他和其他java对象一样，仅仅由Java虚拟机为其分配内存并初始化成员变量值。
可运行状态：RUNNABLE状态实际上可细分成两种状态，READY和RUNNING。分别表示就绪状态和运行状态。

就绪状态：当线程对象调用start()方法后，该线程处于就绪状态，进入线程队列排队。此时该状态线程并未开始执行，仅表示可以运行了。至于该线程何时运行，取决于CPU调度器的调度。
运行状态：表示某线程对象被CPU调度器的调度，执行线程体。就绪状态和运行状态是可以相互切换的，切换的原因依旧参照CPU调度器调度了哪一个线程。
阻塞状态：正在运行的线程遇到某个特殊情况如，同步、等待I/O操作完成等。进入阻塞状态的线程让出CPU资源，并暂时停止自己的执行。
等待状态：有时一个可运行状态线程转变成等待状态，它会等待另一个线程来执行一个任务，一个等待状态的线程只有通过另一个线程通知它转到可运行状态，才能继续执行。
计时等待状态：进入等待状态的线程如果没有其他线程对象来唤醒它，那么该线程对象将一直等待下去，此时我们可以考虑设计一个类似于闹钟一样的提示器，该提示器会在等待特定时间段之后唤醒该线程对象。
终止状态：即死亡状态，表示线程终止。当线程成功执行完成或线程抛出未捕获的Exception或Error或调用线程的stop方法(易导致死锁，不推荐)。

二、线程的操作方法

1、join方法

join方法的主要作用就是同步，它可以使得线程之间的并行执行变为串行执行。
比如在A线程中调用了B线程的join()方法时，表示只有当B线程执行完毕时，A线程才能继续执行。

2、sleep方法

sleep方法让正在执行的线程暂停一段时间，进入阻塞状态，常常用来模拟网络延迟等。
sleep(long milllis) throws InterruptedException：毫秒为单位
调用sleep()后，在指定时间段之内，该线程不会获得执行的机会

3、线程的优先级

每个线程都有优先级，优先级的高低只和线程获得执行机会的次数多少有关。并不是说优先级高的就一定先执行，哪个线程的先运行取决于CPU的调度；
Thread对象的setPriority(int x)和getPriority()用来设置和获得优先级。

4、后台线程

所谓后台线程，一般用于为其他线程提供服务。也称为守护线程。JVM的垃圾回收就是典型的后台线程。
特点：若所有的前台线程都死亡，后台线程自动死亡。
Thread对象setDaemon(true)用来设置后台线程。
setDaemon(true)必须在start()调用前，否则抛IllegalThreadStateException异常。

三、线程的安全性

1、继承方式VS实现方式

当多线程并发访问同一个资源时，会导致线程出现安全性的原因，看案例。
案例：现有50个苹果，现在有请三个童鞋(小A、小B、小C)上台表演吃苹果。
因为A、B、C三个人可以同时吃苹果，此时得使用多线程技术来实现这个案例。
分析: 可以定义三个线程对象，并启动线程.
第一步：每一个同学吃苹果的时候：先展示自己拿到手上苹果的编号，如1，2，3，36...
第二步：再吃掉苹果（意味着苹果的总数少一个）
使用继承方式

 class Person extends Thread {   
 private int num = 50;//苹果总数   
 public Person(String name) {        
super(name);    }    
public void run() {        
for (int i = 0; i < 50; i++) {            
if (num > 0) {                
System.out.println(super.getName() + "吃了编号为：" + num-- + "的苹果");            }        }    }}
public class ThreadDemo1 {   
 public static void main(String[] args) {        
//创建三个线程，吃苹果        
new Person("小A").start();       
 new Person("小B").start();       
 new Person("小C").start();    }}

使用继承方式完成该案例的时候，会发现A、B、C都各自吃了50个苹果，为何？
使用实现方式

class Apple implements Runnable {
    private int num = 50;//苹果总数
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            if (num > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
+ "吃了编号为：" + num-- + "的苹果");
            }
        }
    }
}

public class ThreadDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        Apple a = new Apple();
        //创建三个线程，吃苹果
        new Thread(a, "小A").start();
        new Thread(a, "小B").start();
        new Thread(a, "小C").start();
    }
}

在使用实现方式的时候，我们发现A、B、C一共吃了50个苹果，为何？
通过吃苹果比赛，分析继承方式和实现方式的区别：
继承方式：

Java中类是单继承的，如果继承了Thread了，该类就不能再有其他的直接父类了。
从操作上分析，继承方式更简单，获取线程名字也简单。
从多线程共享同一个资源上分析，继承方式不能多个线程共享同一个资源。
实现方式：
Java中类可以多实现接口，此时该类还可以继承其他类，并且还可以实现其他接口（设计上,更优雅）。
从操作上分析，获取线程名字也比较复杂，得使用Thread.currentThread()来获取当前线程的引用。
从多线程共享同一个资源上分析，实现方式可以多线程共享同一个资源。

四、线程同步

当多线程并发访问同一个资源对象的时候,可能出现线程不安全的问题。
但是，分析打印的结果，有时候发现没有问题：
意识：看不到问题，不代表没有问题，可能是我们经验不够，或者说问题出现的不够明显。
那么可以使用线程休眠来模拟网络延迟，让问题来得更明显一些：
Thread.sleep(10);//当前线程睡10毫秒,当前线程休息着,让其他线程去抢资源.
在程序中并不是使用Thread.sleep(10)之后程序才出现问题，而是使用之后，问题更明显，休眠的时间越久问题越明显，一般用10或100即可，具体根据情况而定。

class Apple implements Runnable {
    private int num = 50;//苹果总数

    public void run() {
        try {
            for (int i = 0; i < 50; i++) {
                if (num > 0) {
                    Thread.sleep(10);
                    System.out.println(
                       Thread.currentThread().getName()+ "吃了编号为：" + num-- + "的苹果"
                    );
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

分析运行结果，为什么有错误的结果。
在这里，打印苹果的编号和苹果数量的减少，应该是一个原子操作，也就说是一个不能分割的操作，两个步骤之间不能被其他线程插一脚。
第一步：System.out.println(Thread.currentThread().getName()

"吃了编号为：" + num + "的苹果");
第二步：num --;
解决方案：保证打印苹果编号和苹果总数减1操作，必须同步完成。
解决思路：A线程获得同步锁进入操作的时候，B和C线程只能在外等着，A操作结束，释放同步锁。A和B和C才有机会去抢同步锁（谁获得同步锁，谁才能执行代码）。
通俗例子：A、B、C三个人去抢厕所的雅间，为了保证安全规定谁抢到了必须上锁，把其他人排除外雅间外面。若A抢到了，进入后应该立马上锁，B和C只能在外等着，当A释放锁出来的时候，A、B、C又开始尝试抢资源。

方式1：同步代码块
方式2：同步方法

1、同步代码块

同步代码块语法:

synchronized(同步锁){
     //需要同步操作的代码
}

同步锁，又称之为同步监听对象/同步锁/同步监听器/互斥锁：
为了保证每个线程都能正常执行原子操作，Java引入了线程同步机制。
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。
Java程序允许使用任何对象作为同步监听对象，一般的，我们把当前并发访问的共同资源作为同步监听对象，比如此时三个线程的共同资源Apple对象。
注意：在任何时候，最多允许一个线程拥有同步锁，谁拿到锁就执行，其他的线程只能在代码块外等着。

class Apple implements Runnable {
    private int num = 50;//苹果总数

    public void run() {
        try {
            for (int i = 0; i < 50; i++) {
                synchronized (this) {
                    if (num > 0) {
                        Thread.sleep(10);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
+ "吃了编号为：" + num-- + "的苹果");
                    }
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

此时的同步锁this表示Apple对象，而程序中Apple对象只有一份，故可以作为同步锁。

2. 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。

synchronized  public  void  doWork(){
     ///TODO
}

此时同步锁是谁——其实就是，调用当前同步方法的对象：

对于非static方法，同步锁就是this。
对于static方法，同步锁就是当前方法所在类的字节码对象。

class Apple implements Runnable {
    private int num = 50;//苹果总数

    public void run() {
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            this.eat();
        }
    }

    synchronized private void eat() {
        try {
            if (num > 0) {
                Thread.sleep(10);
                System.out.println(
                    Thread.currentThread().getName() + "吃了编号为：" + num-- + "的苹果"
                );
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3、synchronized的优劣

好处：保证了多线程并发访问时的同步操作，避免线程的安全性问题。
缺点：使用synchronized的方法/代码块的性能要低一些。
建议：尽量减小synchronized的作用域。

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