八、Java面向对象-多线程

1、概述

• 进程是程序（任务）的执行过程，并持有资源（共享内存、共享文件）和线程。
• 进程具有动态性。
• 进程是资源的载体，也是线程的载体。
• 资源指的是内存。
• 线程是系统中最小的执行单元。
• 同一进程中有多个线程。
• 线程共享进程的资源。
• 多个线程之间的通信为线程的交互。
• 线程交互的方式包括互斥与同步。

2、Java中线程的常用方法

• Java中实现线程的两种方法：
  • 继承Thread类
  • 实现Runnable接口
  • 重写run方法
• Thread常用方法

Thread常用方法.png

3、线程基本行为代码演示

package com.lord.demo.thead;

public class Actor extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(getName() + "是一个演员！");
        int count = 0;
        boolean keepRunning = true;

        while (keepRunning) {
            System.out.println(getName() + "登台演出：" + (++count));

            if (count == 100) {
                keepRunning = false;
            }

            if (count % 10 == 0) {
                try {
                    // 1秒
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

        System.out.println(getName() + "的演出结束了！");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread actor = new Actor();
        actor.setName("Mr.Thread");
        actor.start();

        Thread actress = new Thread(new Actress(), "Ms.Runnable");
        actress.start();
    }

}

class Actress implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        // Thread.currentThread():获取当前线程的引用
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "是一个演员！");
        int count = 0;
        boolean keepRunning = true;

        while (keepRunning) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "登台演出：" + (++count));

            if (count == 100) {
                keepRunning = false;
            }

            if (count % 10 == 0) {
                try {
                    // 1秒
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "的演出结束了！");
    }

}

4、线程体验代码演示：（隋唐演义故事）

• 军队线程

package com.lord.demo.concurrent;

/**
 * 军队线程
 * 模拟作战双方的行为
 */
public class ArmyRunnable implements Runnable {

    // volatile很重要哦，这是可见性的关键
    // volatile保证了线程可以正确的读取其他线程写入的值
    // 可见性 ref JMM, happens-befor原则
    volatile boolean keepRunning = true;

    @Override
    public void run() {

        while (keepRunning) {
            // 发动5连击
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                // Thread.currentThread():获取当前线程的引用
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进攻对象[" + i + "]");

                // 让出了处理器时间，下次该谁进攻还不一定呢！
                Thread.yield();
            }
        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束了战斗!");
    }

}

• 舞台线程

package com.lord.demo.concurrent;

/**
 * 隋唐演义的大戏舞台
 */
public class Stage extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("欢迎观看隋唐演义");

        try {
            // 让观众们安静片刻，等待大戏上演
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e2) {
            e2.printStackTrace();
        }

        System.out.println("大幕徐徐拉开...");

        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e2) {
            e2.printStackTrace();
        }

        System.out.println("话说隋唐末年，隋军与农民起义军杀的昏天黑地...");

        ArmyRunnable armyTaskOfSuiDynasty = new ArmyRunnable();
        ArmyRunnable armyTaskOfRevolt = new ArmyRunnable();

        // 使用Runnable接口创建线程
        Thread armyOfSuiDynasty = new Thread(armyTaskOfSuiDynasty, "隋军");
        Thread armyOfRevolt = new Thread(armyTaskOfRevolt, "农民起义军");

        // 启动线程，让军队开始作战
        armyOfSuiDynasty.start();
        armyOfRevolt.start();

        try {
            // 舞台线程休眠，大家专心观看军队厮杀
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("正当双方激战正酣，半路杀出来个程咬金！");

        Thread mrCheng = new KeyPersonThread();
        mrCheng.setName("程咬金");

        System.out.println("程咬金的理想就是结束战争，使百姓安居乐业！");

        // 停止军队作战
        // 停止线程的方法
        armyTaskOfSuiDynasty.keepRunning = false;
        armyTaskOfRevolt.keepRunning = false;

        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }

        /**
         * 历史大戏留给关键人物
         */
        mrCheng.start();

        // 万众瞩目，所有线程等待程先生完成历史使命
        try {
            mrCheng.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("战争结束，人民安居乐业，程先生实现了积极的人生理想，为人民作出了贡献！");
        System.out.println("谢谢观看隋唐演义，再见！");

    }

    public static void main(String[] args) {
        new Stage().start();
    }

}

• 关键任务线程

package com.lord.demo.concurrent;

/**
 * 关键人物
 */
public class KeyPersonThread extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始了战斗！");

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "左突右杀，攻击隋军");
        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束了战斗！");
    }

}

5、Java线程的正确停止

• 千万、千万、千万不要使用stop方法。
• 使用退出标识（参考上述代码中的keepRunning）。
• interrupt方法初衷并不是用于停止线程。

6、线程交互

• 争用条件（Race Condition）当多个线程同时共享访问同一数据（内存区域）时，每个线程都尝试操作该数据，从而导致数据破坏（corrupted），这种现象称为争用条件。
• 互斥的实现：synchronized (intrinsic lock)。
• 同步的实现：wait()/notify()/notifyAll()。

7、线程交互代码演示：（宇宙的能量系统）

package com.lord.demo.racecondition;

/**
 * 宇宙的能量系统
 * 遵循能量守恒定律：
 * 能量不会凭空创生或消失，只会从一处转移到另一处
 */
public class EnergySystem {

    // 能量盒子，能量存贮的地方
    private final double[] energyBoxes;
    private final Object lockObj = new Object();

    /**
     * 
     * @param n    能量盒子的数量
     * @param initialEnergy 每个能量盒子初始含有的能量值
     */
    public EnergySystem(int n, double initialEnergy) {
        energyBoxes = new double[n];
        for (int i = 0; i < energyBoxes.length; i++)
            energyBoxes[i] = initialEnergy;
    }

    /**
     * 能量的转移，从一个盒子到另一个盒子
     * @param from 能量源
     * @param to     能量终点 
     * @param amount 能量值
     */
    public void transfer(int from, int to, double amount) {

        synchronized (lockObj) {

            // if (energyBoxes[from] < amount)
            // return;
            // while循环，保证条件不满足时任务都会被条件阻挡
            // 而不是继续竞争CPU资源
            // Wait set
            while (energyBoxes[from] < amount) {
                try {
                    // 条件不满足, 将当前线程放入Wait Set
                    lockObj.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            System.out.print(Thread.currentThread().getName());
            energyBoxes[from] -= amount;
            System.out.printf("从%d转移%10.2f单位能量到%d", from, amount, to);
            energyBoxes[to] += amount;
            System.out.printf(" 能量总和：%10.2f%n", getTotalEnergies());

            // 唤醒所有在lockObj对象上等待的线程
            lockObj.notifyAll();
        }

    }

    /**
     * 获取能量世界的能量总和 
     */
    public double getTotalEnergies() {
        double sum = 0;
        for (double amount : energyBoxes)
            sum += amount;
        return sum;
    }

    /**
     * 返回能量盒子的长度
     */
    public int getBoxAmount() {
        return energyBoxes.length;
    }

}

package com.lord.demo.racecondition;

public class EnergyTransferTask implements Runnable {

    // 共享的能量世界
    private EnergySystem energySystem;
    // 能量转移的源能量盒子下标
    private int fromBox;
    // 单次能量转移最大单元
    private double maxAmount;
    // 最大休眠时间（毫秒）
    private int DELAY = 10;

    public EnergyTransferTask(EnergySystem energySystem, int from, double max) {
        this.energySystem = energySystem;
        this.fromBox = from;
        this.maxAmount = max;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                int toBox = (int) (energySystem.getBoxAmount() * Math.random());
                double amount = maxAmount * Math.random();
                energySystem.transfer(fromBox, toBox, amount);
                Thread.sleep((int) (DELAY * Math.random()));
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

package com.lord.demo.racecondition;

public class EnergySystemTest {

    // 将要构建的能量世界中能量盒子数量
    public static final int BOX_AMOUNT = 100;
    // 每个盒子初始能量
    public static final double INITIAL_ENERGY = 1000;

    public static void main(String[] args) {
        EnergySystem eng = new EnergySystem(BOX_AMOUNT, INITIAL_ENERGY);
        for (int i = 0; i < BOX_AMOUNT; i++) {
            EnergyTransferTask task = new EnergyTransferTask(eng, i, INITIAL_ENERGY);
            Thread t = new Thread(task, "TransferThread_" + i);
            t.start();
        }
    }

}

8、Java线程提升参考

• Java Memory Mode
  • JMM描述了Java线程如何通过内存进行交互
  • happens-before
  • synchronized、volatile & final
• Locks & Condition
  • Java锁机制和等待条件的高层实现
  • java.util.concurrent.locks
• 线程安全性
  • 原子性和可见性
  • java.util.concurrent.atomic
  • synchronized & volatile
  • DeadLocks
• 多线程编程常用的交互模型
  • Producer-Consumer模型
  • Read-Write Lock模型
  • Future模型
  • Worker Thread模型
• Java5中并发编程工具
  • java.util.concurrent
  • 线程池ExecutorService
  • Callable & Future
  • BlockingQueue
• 推荐书籍
  • <java核心技术>-Java Volume I-Fundamentals
  • <java并发编程实战>-Java Concurrency In Practice