JavaSE第18篇:多线程上篇

核心内容:在实际开发中,若程序需要同时处理多个任务时,我们该如何实现?此时多线程就可帮助我们实现。使用多线程可以提高CPU的利用率及程序的处理效率。本篇将会学习多线程相关概念、创建和使用、线程安全问题及线程状态的了解。

第一章:多线程基础

本章主要了解和多线程相关的一些概念。

想要设计一个程序,边打游戏边听歌,怎么设计?

要解决上述问题,得使用多进程或者多线程来解决.

1.1-并发和并行(了解)

并发

并发简而言之就是:指两个或多个事件在同一个时间段内发生 (交替执行)。

在操作系统中,安装了多个程序,并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行,这在单 CPU 系统中,每 一时刻只能有一道程序执行,即微观上这些程序是分时的交替运行,只不过是给人的感觉是同时运行,那是因为分时交替运行的时间是非常短的。

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并行

简而言之,并行:是指两个或多个事件在同一时刻发生(同时发生)。

而在多个 CPU 系统中,则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上(CPU),实现多任务并行执行,即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序,这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核 CPU,便是多核处理器,核越多,并行处理的程序越多,能大大的提高电脑运行的效率。

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1.2-进程与线程 (了解)

进程

是指一个内存中运行的应用程序,每个进程都有一个独立的内存空间,一个应用程序可以同时运行多个进程;进程也是程序的一次执行过程,是系统运行程序的基本单位;系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。

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线程

线程是进程中的一个执行单元,负责当前进程中程序的执行,一个进程中至少有一个线程。一个进程

中是可以有多个线程的,这个应用程序也可以称之为多线程程序。

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注意

一个程序运行后至少有一个进程,一个进程中可以包含多个线程。

由于创建一个线程的开销比创建一个进程的开销小的多,那么我们在开发多任务运行的时候,通常考虑创建多线程,而不是创建多进程。

多线程可以提高cpu利用率

大部分操作系统都支持多进程并发运行,现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。在同时运行的程序,”感觉这些软件好像在同一时刻运行着“。

实际上,CPU(中央处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换。对于CPU的一个核而言,某个时刻,只能执行一个线程,而 CPU的在多个线程间切换速度相对我们的感觉要快,看上去就是在同一时刻运行。 其实,多线程程序并不能提高程序的运行速度,但能够提高程序运行效率,让CPU的使用率更高。

1.3-线程调度(了解)

分时调度

所有线程轮流使用 CPU 的使用权,平均分配每个线程占用 CPU 的时间。

抢占式调度

优先让优先级高的线程使用 CPU,如果线程的优先级相同,那么会随机选择一个(线程随机性),Java使用的为抢占式调度。

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第二章:Java中创建和使用多线程

2.1-继承Thread类方式创建线程(重要)

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使用线程执行体来代表这段程流。

Java中通过继承Thread类来创建并启动多线程的步骤如下

  1. 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。
  2. 创建Thread子类的实例,即创建了线程对象 。
  3. 调用线程对象的start()方法来启动该线程 。

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。

示例代码

/*测试类中的代码*/
public class DemoThread {
  public static void main(String[] args) {
    MyThread mt = new MyThread("线程1");
    mt.start(); // 启动线程1的任务
    MyThread mt2 = new MyThread("线程2");
    mt2.start(); // 启动线程2的任务

  }
}
/*定义的线程类代码*/
public class MyThread extends Thread {
  public MyThread(String name) {
    super(name);
  }

  @Override
  public void run() {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
      System.out.println(getName() + "线程执行" + i);
    }
  }
}

2.2-多线程原理(了解)

多个线程之间的程序不会影响彼此(比如一个线程崩溃了并不会影响另一个线程)。

在Java中,main方法是程序执行的入口,也是Java程序的主线程。当在程序中开辟新的线程时,执行过程是这样的。

执行过程

  1. 首先main方法作为主程序先压栈执行。

  2. 在主程序的执行过程中,若创建了新的线程,则内存中会另开辟一个新的栈来执行新的线程。

  3. 每一个新的线程都会有一个新的栈来存放新的线程任务。

  4. 栈与栈之间的任务不会互相影响。

  5. CPU会随机切换执行不同栈中的任务。

图解执行过程(以上述代码为例)

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2.3-Thread类常用方法(重要)

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。

示例代码

//【代码测试类】
public class Main01 {
  public static void main(String[] args) {
    MyThread mt = new MyThread("线程1");
    mt.start();
    // 打印线程名称
    System.out.println(mt.getName());
    System.out.println("当前线程是" + Thread.currentThread().getName());
    // 每间隔一秒钟打印一个数字
    for (int i = 0; i < 60; i++) {
      System.out.println(i);
      try {
        // sleep抛出了异常,需要处理异常
        Thread.sleep(1000);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }
}
//【MyThread类】
public class MyThread extends Thread{
  public  MyThread(){
    super();
  }
  // 构造函数中调用父类构造函数传入线程名称
  public MyThread(String name) {
    super(name);
  }
  @Override
  public void run() {
    // 打印线程名称
    System.out.println(this.getName());
    System.out.println("当前线程是" + Thread.currentThread().getName());
  }
}

run方法和start方法

run()方法,是线程执行的任务方法,每个线程都会调用run()方法执行,我们将线程要执行的任务代码都写在run()方法中就可以被线程调用执行。

start()方法,开启线程,线程调用run()方法。start()方法源代码中会调用本地方法start0()来启动线程:private native void start0(),本地方法都是和操作系统交互的,因此可以看出每次开启一个线程的线程都会和操作系统进行交互。

注意:一个线程只能被启动一次!

关于线程的名字

线程是有默认名字的,如果我们不设置线程的名字,JVM会赋予线程默认名字Thread-0,Thread-1。

2.4-实现Runnable接口方式创建线程(重要)

翻阅API后得知创建线程的方式总共有两种,一种是继承Thread类方式,一种是实现Runnable接口方式 。

Runnable使用步骤

  1. 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。
  2. 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。
  3. 调用线程对象的start()方法来启动线程。

Thread类构造函数

  • 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。

示例代码

// 测试类
public class Main01 {
  public static void main(String[] args) {
    // 创建Runnable对象
    RunnableImpl ra = new RunnableImpl();
    // 创建线程对象并传入Runnable对象
    Thread th = new Thread(ra);
    // 启动并执行线程任务
    th.start();
  }
}
// 【Runnable实现类】
public class RunnableImpl implements Runnable {
  @Override
  public void run() {
    System.out.println("线程任务1");
  }
}

总结

  • 通过实现Runnable接口,使得该类有了多线程类的特征。run()方法是多线程程序的一个执行目标。所有的多线程代码都在run方法里面。Thread类实际上也是实现了Runnable接口的类。
  • 在启动的多线程的时候,需要先通过Thread类的构造方法Thread(Runnable target) 构造出对象,然后调用Thread对象的start()方法来运行多线程代码。
  • 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。
  • Runnable对象仅仅作为Thread对象的target,Runnable实现类里包含的run()方法仅作为线程执行体。而实际的线程对象依然是Thread实例,只是该Thread线程负责执行其target的run()方法。

2.5-Runnable和Thread的关系(了解)

创建线程方式2好像比创建线程方式1操作要麻烦一些,为何要多此一举呢?

因为如果一个类继承Thread,则不适合资源共享。但是如果实现了Runable接口的话,则很容易的实现资源共享。

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。(后面篇幅介绍)

扩展了解

在java中,每次程序运行至少启动2个线程。一个是main线程,一个是垃圾收集线程。因为每当使用java命令执行一个类的时候,实际上都会启动一个JVM,每一个JVM其实在就是在操作系统中启动了一个进程。

2.6-匿名内部类方式实现线程创建(重要)

使用线程的内匿名内部类方式,可以方便的实现每个线程执行不同的线程任务操作。

简而言之,使用匿名内部类可以简化代码。

    // 匿名内部类创建线程方式1
    new Thread(){
      @Override
      public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
      }
    }.start();
    // 匿名内部类创建线程方式2
    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
      }
    }).start();

第三章:线程安全问题

3.1-线程安全概述(理解)

多个线程执行同一个任务并操作同一个数据时,就会造成数据的安全问题。我们通过以下案例来看线程安全问题。

案例需求

电影院要卖票,我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “皮卡丘大战葫芦娃”,本次电影的座位共100个 (本场电影只能卖100张票)。

我们来模拟电影院的售票窗口,实现多个窗口同时卖 “皮卡丘大战葫芦娃”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票) 需要窗口,采用线程对象来模拟;需要票,Runnable接口子类来模拟 。

案例代码

//【操作票的任务代码类】
public class RunnableImpl implements Runnable {
  // 线程任务要操作的数据(100张电影票)
  private int ticket = 100;
  // 线程要执行的任务
  @Override
  public void run() {
    while (true){
        if(ticket>0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖第" + ticket+"张票");
            ticket--;
        }else {
            break;
        }
    }
  }
}
//【测试类】
public class Main01 {
  public static void main(String[] args) {
    // 创建线程任务
    RunnableImpl ra = new RunnableImpl();
    // 创建第一个线程执行线程任务
    new Thread(ra).start();
    // 创建第二线程执行线程任务
    new Thread(ra).start();
    // 创建第三个线程执行线程任务
    new Thread(ra).start();

  }
}

执行结果及问题

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问题原因

抢夺cpu执行权和线程执行时间是不确定的,比如线程0抢到了cpu执行权并执行到了打印代码处,此时cpu又被线程1抢夺,其他线程处于等待线程1页执行到了打印代码处,没等ticket--,两个线程都打印了售票信息。

这种问题,几个窗口(线程)票数不同步了,这种问题称为线程不安全。

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。

3.2-线程安全解决方案(重要)

上述我们知道,线程安全问题是因为线程在操作数据时不同步造成的,所以只要能够实现操作数据同步,就可以解决线程安全问题。

同步指的就是,当一个线程执行指定同步的代码任务时,其他线程必须等该线程操作完毕后再执行。

根据案例描述:窗口1线程进入操作的时候,窗口2和窗口3线程只能在外等着,窗口1操作结束,窗口1和窗口2和窗口3才有机会进入代码 去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候,其他线程不能修改该资源,等待修改完毕同步之后,才能去抢夺CPU 资源,完成对应的操作,保证了数据的同步性,解决了线程不安全的现象。

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(synchronize)。

那么怎么去使用呢?有三种方式完成同步操作:

  1. 同步代码块
  2. 同步方法
  3. 同步锁

3.3-同步代码块(重要)

概述

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 。

示例代码

//【测试类】
public class Main01 {
  public static void main(String[] args) {
    // 创建线程任务
    RunnableImpl ra = new RunnableImpl();
    // 创建第一个线程执行线程任务
    new Thread(ra).start();
    // 创建第二线程执行线程任务
    new Thread(ra).start();
    // 创建第三个线程执行线程任务
    new Thread(ra).start();

  }
}
//【线程任务类】
public class RunnableImpl implements Runnable {
  // 线程任务要操作的数据
  private int ticket = 100;
  // 定义线程锁对象(任意对象)
  Object obj = new Object();
  // 线程任务
  @Override
  public void run() {
    while (true){
      synchronized (obj){
        if(ticket>0){
          try {
            Thread.sleep(10);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"在售卖第" + ticket + "张票");
            ticket--;
          } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
          }

        }else{
            break;
        }
      }

    }
  }
}

3.4-同步方法(重要)

概述

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)。

示例代码

//【测试类】
public class Main01 {
  public static void main(String[] args) {
    // 创建线程任务
    RunnableImpl ra = new RunnableImpl();
    // 创建第一个线程执行线程任务
    new Thread(ra).start();
    // 创建第二线程执行线程任务
    new Thread(ra).start();
    // 创建第三个线程执行线程任务
    new Thread(ra).start();
  }
}
//【线程任务类】
public class RunnableImpl implements Runnable {
  // 线程任务要操作的数据
  private int ticket = 100;
  @Override
  public void run() {
    while (true) {
      int flag = func();
      if(flag==0) {
          break;
      }
    }

  }
  public synchronized int func() {
    if (ticket > 0) {
      try {
        Thread.sleep(10);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在售卖第" + ticket + "张票");
      ticket--;
      return 1;
    }else {
        return 0;
    }
  }
}

3.5-同步锁(重要)

概述

Lock: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。

格式

Lock锁也称同步锁,加锁与释放锁方法化了

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

示例代码

//【测试类】
public class Main01 {
  public static void main(String[] args) {
    // 创建线程任务
    RunnableImpl ra = new RunnableImpl();
    // 创建第一个线程执行线程任务
    new Thread(ra).start();
    // 创建第二线程执行线程任务
    new Thread(ra).start();
    // 创建第三个线程执行线程任务
    new Thread(ra).start();
  }
}
//【线程任务类】
public class RunnableImpl implements Runnable {
  // 线程任务要操作的数据
  private int ticket = 100;
  // 创建锁对象
  Lock lock = new ReentrantLock();
  @Override
  public void run() {
    while (true) {
      // 开启同步锁
      lock.lock();
      if (ticket > 0) {
        try {
          Thread.sleep(10);
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在售卖第" + ticket + "张票");
          ticket--;
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }finally {
          // 释放同步锁
          lock.unlock();
        }

      }else {
          break;
      }
    }

  }
}
 

第四章:线程状态

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4.1-线程状态介绍(了解)

当线程被创建并启动以后,它既不是一启动就进入了执行状态,也不是一直处于执行状态。在线程的生命周期中, 有几种状态呢?在API中 java.lang.Thread.State 这个枚举中给出了六种线程状态:

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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。那我们怎么去理解这几 个状态呢,新建与被终止还是很容易理解的,我们就研究一下线程从Runnable(可运行)状态与非运行状态之间 的转换问题。

4.2-TimedWaiting计时等待(了解)

概述

Timed Waiting在API中的描述为:一个正在限时等待另一个线程执行一个(唤醒)动作的线程处于这一状态。

单独 的去理解这句话,真是玄之又玄,其实我们在之前的操作中已经接触过这个状态了,在哪里呢? 在我们写卖票的案例中,为了减少线程执行太快,现象不明显等问题,我们在run方法中添加了sleep语句,这样就 强制当前正在执行的线程休眠(暂停执行),以“减慢线程”。

其实当我们调用了sleep方法之后,当前执行的线程就进入到“休眠状态”,其实就是所谓的Timed Waiting(计时等 待),那么我们通过一个案例加深对该状态的一个理解。

示例

需求:实现一个计数器,计数到100,在每个数字之间暂停1秒,每隔10个数字输出一个字符串 。

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if ((i) % 10 == 0) {
                System.out.println("‐‐‐‐‐‐‐" + i);
            }
            System.out.print(i);
            try {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.print(" 线程睡眠1秒!\n");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new MyThread().start();
    }
}

通过案例可以发现,sleep方法的使用还是很简单的。我们需要记住下面几点:

  1. 进入 TIMED_WAITING 状态的一种常见情形是调用的 sleep 方法,单独的线程也可以调用,不一定非要有协 作关系。
  2. 为了让其他线程有机会执行,可以将Thread.sleep()的调用放线程run()之内。这样才能保证该线程执行过程 中会睡眠 。
  3. sleep与锁无关,线程睡眠到期自动苏醒,并返回到Runnable(可运行)状态 。

注意:sleep()中指定的时间是线程不会运行的最短时间。因此,sleep()方法不能保证该线程睡眠到期后就 开始立刻执行。

图解

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4.3-Blocked锁阻塞(了解)

概述

Blocked状态在API中的介绍为:一个正在阻塞等待一个监视器锁(锁对象)的线程处于这一状态 。

我们已经学完同步机制,那么这个状态是非常好理解的了。比如,线程A与线程B代码中使用同一锁,如果线程A获 取到锁,线程A进入到Runnable状态,那么线程B就进入到Blocked锁阻塞状态。

这是由Runnable状态进入Blocked状态。除此Waiting以及Time Waiting状态也会在某种情况下进入阻塞状态。

图解

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4.4-Waiting 无限等待(了解)

概述

Wating状态在API中介绍为:一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的(唤醒)动作的线程处于这一状态。

示例

我们通过一段代码来 学习一下:需求如下,消费者吃包子。过程如下:

  • 消费者问:包子好了吗? 处于等待...
  • 3秒钟后....
  • 老板答:包子好了
  • 消费者:可以吃包子了

示例代码:

public class Test04 {
    // 锁对象
    public static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        // 【消费者线程】
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    synchronized (obj) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-顾客1:老板包子好了吗?");
                        try {
                            // 等待,释放锁,处于阻塞状态
                            obj.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        // 唤醒之后要执行的代码
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "顾客1:可以吃包子了。");
                        System.out.println("--------------------------------------");
                    }
                }
            }
        }).start();
        // 【生产者线程】
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    try {
                        Thread.sleep(3000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    synchronized (obj) {
                        System.out.println("等待3秒后...");
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "老板说:包子好了!");
                        // 唤醒,唤醒其他被阻塞的线程
                        obj.notify();
                    }
                }
            }
        }).start();
    }
}

分析

通过上述案例我们会发现,一个调用了某个对象的 Object.wait 方法的线程会等待另一个线程调用此对象的 Object.notify()方法 或 Object.notifyAll()方法 。

其实waiting状态并不是一个线程的操作,它体现的是多个线程间的通信,可以理解为多个线程之间的协作关系, 多个线程会争取锁,同时相互之间又存在协作关系。就好比在公司里你和你的同事们,你们可能存在晋升时的竞 争,但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。

当多个线程协作时,比如A,B线程,如果A线程在Runnable(可运行)状态中调用了wait()方法那么A线程就进入 了Waiting(无限等待)状态,同时失去了同步锁。假如这个时候B线程获取到了同步锁,在运行状态中调用了 notify()方法,那么就会将无限等待的A线程唤醒。注意是唤醒,如果获取到锁对象,那么A线程唤醒后就进入 Runnable(可运行)状态;如果没有获取锁对象,那么就进入到Blocked(锁阻塞状态)。

图解

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