Java 多线程入门

目录

• 基本概念:程序、进程、线程
• 线程的创建与使用
• 线程的生命周期
• 线程的同步
• 线程的通信

一 程序、进程、线程

• 程序(program) 是为完成特定任务、用某种语言来编写的一组指令的集合,就是一段静态的代码、静态对象.
• 进程(process) 程序的一次执行过程,当程序被加载进内存,正在运行的一个程序,是一个动态的过程:有它自身的产生、存在、销毁的生命周期.
  • 比如:正在运行QQ应用.
  • 程序是静止的,进程是动态的
  • 进程作为进程资源分配的单位,系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域
• 线程(thread) 进程可进一步细化为线程,是一个程序内部的一个条执行路径
  • 若一个进程同时并行执行多个线程,就是支持多线程的
  • 线程作为执行和调度的单位,每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器,线程切换的开销小
  • 一个线程中的多线程共享相同的内存单元/内存地址空间,他们从同一堆中分配对象,可以访问相同的对象和变量.这就使得线程通信更便捷高效.但多个线程操作共享的资源可能就会带来安全隐患

• 单核、多核CUP
  • 单核CPU，其实是一种假的多线程，因为在一个时间单元内，也只能执行一个线程的任务。例如：虽然有多车道，但是收费站只有一个工作人员在收费，只有收了费才能通过，那么CPU就好比收费人员。如果有某个人不想交钱，那么收费人员可以把他“挂起”（晾着他，等他想通了，准备好了钱，再去收费）。但是因为CPU时间单元特别短，因此感觉不出来。
  • 如果是多核的话，才能更好的发挥多线程的效率。
  • 一个Java应用程序java.exe，其实至少有三个线程：main()主线程，gc()垃圾回收线程，异常处理线程。当然如果发生异常，会影响主线程。
• 并发、并行
  • 并行：多个CPU同时执行多个任务。比如：多个人同时做不同的事。
  • 并行:一个CPU(采用时间片)同时执行多个任务。比如：秒杀、多个人做同一件事。

二 多线程的创建和启动

1. Java语言JVM允许程序运行多个线程,通过java.lang.Thread来体现
   • Thread类特性
     • 每个线程都是通过某个特定Thread对象的run()方法来完成操作的，经常把run()方法的主体称为线程体
     • 通过该 Thread 对象的start()方法来启动这个线程，而非直接调用run()
2. API 创建线程的方式

JDK 1.5之前

1. 继承 Thread 类方式
2. 实现 Runnable 接口方式
   JDK 1.5之后新增
3. 实现Callable 接口方式
4. 使用线程池

• 方式一:继承 Thread 类
  1. 定义子类继承Thread类。
  2. 子类中重写Thread类中的run方法。
  3. 创建Thread子类对象，即创建了线程对象。
  4. 调用线程对象start方法：启动线程，调用run方法

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "_" + i);
        }
    }
}

class Test {
    public static void main(String[] args) {

        MyThread myThread = new MyThread();
        myThread.start();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "_" + i);
        }
    }
}

注意点

1. 如果自己手动调用run()方法，那么就只是普通方法，没有启动多线程模式。
2. run() 方法有JVM 调用，什么时候调用，执行的过程控制都有操作系统的CPU调度决定。
3. 想要启动多线程，必须调用start方法。
4. 一个线程对象只能调用一次start()方法启动，如果重复调用了，则将抛出以上的异常“IllegalThreadStateException”。

• 方式二:实现 Runnable 接口

1. 定义子类，实现Runnable接口。
2. 子类中重写Runnable接口中的run方法。
3. 通过Thread类含参构造器创建线程对象。
4. 将Runnable接口的子类对象作为实际参数传递给Thread类的构造器中。
5. 调用Thread类的start方法：开启线程，调用Runnable子类接口的run方法。

public class MyThread2 implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "_" + i);
        }
    }
}

class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(new MyThread2());
        thread.start();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "_" + i);
        }
    }
}

• 继承和实现两者的区别
  使用实现Runnable接口可以避免了单继承来了的局限性,另外多个线程可以共享同一个接口实现类对象,非常适合多个相同线程来处理同一份资源

• 方式三: 实现Callable 接口

  • 与使用Runnable相比， Callable功能更强大些
  • 相比run()方法，call()可以有返回值
  • 方法可以抛出异常
  • 支持泛型的返回值
  • 需要借助FutureTask类，比如获取返回结果

• Future 接口

  • 可以对具体Runnable、Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等。
  • FutrueTask是Futrue接口的唯一的实现类
  • FutureTask 同时实现了Runnable, Future接口。它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值

public class MyThread3 implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        int total = 0;
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            total += i;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
        }
        return total;
    }
}
class Test2 {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(new MyThread3());
        new Thread(task).start();
        Integer integer = task.get();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "_" + integer);
    }
}

• 方式四: 使用线程池
  概要:经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。
• 线程池相关API
  • JDK 5.0起提供了线程池相关API：ExecutorService 和Executors
  • ExecutorService：真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor
    • void execute(Runnable command) ：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable接口
    • <T> Future<T> submit(Callable<T> task)：执行任务，有返回值，一般又来执行Callable 接口

public class MyThread4 implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
        }
    }
}
class Test5 {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //将Runnable 实现类作为形参传入开启线程
        executorService.execute(new MyThread4());
        //结束线程的使用
        executorService.shutdown();
    }
}

• Thread 类的相关方法
  1. void start() 启动线程,并执行对象的 run 方法
  2. run()线程在被调度时执行的操作
  3. String getName() 返回线程的名称
  4. void setName(String name) 设置线程的名称
  5. static Thread currentThread() 返回当前线程.如果用在Thread子类中就是This,通常用在主线程或者以实现接口的方式创建多线程
  6. static void yield() 线程让步
     • 暂停当前的线程,把执行机会让给给优先级相同或者更高的线程
     • 若队列中没有同优先级的线程,忽略此方法
  7. join()当某个程序执行流中调用其他线程的 join() 方法时，调用线程将 被阻塞，直到 join() 方法加入的 join 线程执行完为止.低优先级的线程也可以获得执行
  8. static void sleep(long millis) (指定时间:毫秒) 令当前活动线程在指定时间段内放弃对CPU控制,使其他线程有机会被执行,时间到后 重排队。
  9. boolean isAlive() 返回boolean，判断线程是否还活着

线程的调度

• 调度策略
  1. 时间片
  2. 抢占式:高优先级的抢占CPU
• Java 的调度方法
  • 同优先级线程组成先进先出的队列,使用时间片策略
  • 对高优先级,使用优先调度的抢占式策略
• 线程的优先级
  • MAX_PRIORITY : 10
  • MIN _PRIORITY : 1
  • NORM_PRIORITY : 5
• 涉及的方法
  • getPriority() 返回线程的优先级值
  • setPriority(int newPriority) 设置线程的优先级
• 说明
  1. 线程创建时继承父线程的优先级
  2. 低优先级只是获得调度的概率低,并非一定是在高优先级线程之后才被调用的
• 线程分类
  Java 中的线程分为两类:一种是守护线程,一种是用户线程
  1. 它们在几乎每个方面都是相同的，唯一的区别是判断JVM何时离开。
  2. 守护线程是用来服务用户线程的，通过在start()方法前调用 thread.setDaemon(true)可以把一个用户线程变成一个守护线程。
  3. Java垃圾回收就是一个典型的守护线程。
  4. 若JVM中都是守护线程，当前JVM将退出。

三 线程的生命周期

JDK中用Thread.State类定义了线程的几种状态
要想实现多线程，必须在主线程中创建新的线程对象。Java语言使用Thread类 及其子类的对象来表示线程，在它的一个完整的生命周期中通常要经历如下的五 种状态:

1. 新建: 当一个Thread类或其子类的对象被声明并创建时，新生的线程对象处于新建 状态
2. 就绪:处于新建状态的线程被start()后，将进入线程队列等待CPU时间片，此时它已 具备了运行的条件，只是没分配到CPU资源
3. 运行:当就绪的线程被调度并获得CPU资源时,便进入运行状态， run()方法定义了线 程的操作和功能
4. 阻塞:在某种特殊情况下，被人为挂起或执行输入输出操作时，让出 CPU 并临时中 止自己的执行，进入阻塞状态
5. 死亡:线程完成了它的全部工作或线程被提前强制性地中止或出现异常导致结束

四 线程的同步

Java对于多线程的安全问题提供了专业的解决方式:同步机制
*Synchronized的使用方法

1. 同步代码块: synchronized (对象){ // 需要被同步的代码; }
2. synchronized还可以放在方法声明中，表示整个方法为同步方法。public synchronized void show (String name){ .... }

• 同步机制的锁:在《Thinking in Java》中，是这么说的:对于并发工作，你需要某种方式来防 止两个任务访问相同的资源(其实就是共享资源竞争)。 防止这种冲突的方法 就是当资源被一个任务使用时，在其上加锁。第一个访问某项资源的任务必须 锁定这项资源，使其他任务在其被解锁之前，就无法访问它了，而在其被解锁 之时，另一个任务就可以锁定并使用它了
• synchronized的锁是什么?
  1. 任意对象都可以作为同步锁。所有对象都自动含有单一的锁(监视器)。
  2. 同步方法的锁:静态方法(类名.class)、非静态方法(this)
  3. 同步代码块:自己指定，很多时候也是指定为this或类名.class

• 注意: 必须确保使用同一个资源的多个线程共用一把锁，这个非常重要，否则就无法保证共享资源的安全
• 一个线程类中的所有静态方法共用同一把锁(类名.class)，所有非静态方法共用同一把锁(this)，同步代码块(指定需谨慎)

• 同步的范围

1. 如何找问题，即代码是否存在线程安全?
   • 明确哪些代码是多线程运行的代码
   • 明确多个线程是否有共享数据
   • 明确多线程运行代码中是否有多条语句操作共享数据
2. 解决方案
   • 对多条操作共享数据的语句，只能让一个线程都执行完，在执行过程中，其 他线程不可以参与执行。 即所有操作共享数据的这些语句都要放在同步范围中

• 切记
  范围太小:没锁住所有有安全问题的代码
  范围太大:没发挥多线程的功能。