Java 多线程详解——创建、使用、同步和通信
基本概念
程序(program):
是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码，静态对象。
进程(process):
是程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。是一个动态的过程：有它自身的产生、存在和消亡的过程。——生命周期
程序是静态的，进程是动态的
进程作为资源分配的单位，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条执行路径；可以将线程看作一种轻量级的进程。
- 若一个进程同一时间并行执行多个线程，就是支持多线程的
- 线程作为调度和执行的单位，每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器(pc)，线程切换的开销小
- 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间；它们从同一堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象
- 共享数据使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患
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
并行:
多个CPU同时执行多个任务
并发:
一个CPU(采用时间片)同时执行多个任务
多线程程序的优点：
- 提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义，可增强用户体验。
- 提高计算机系统CPU的利用率
- 改善程序结构。将既长又复杂的进程分为多个线程，独立运行，利于理解和
修改
何时需要多线程:
- 程序需要同时执行两个或多个任务
- 程序需要实现一些需要等待的任务时，如用户输入、文件读写操作、网络操作、搜索等
- 需要一些后台运行的程序时
- 对于多核CPU而言，只有多线程才能最大化利用CPU
线程的创建和使用
Java 语言的 JVM 允许程序运行多个线程，它通过 java.lang.Thread 类来体现
-
Thread 类的特性
- 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()
- 每个线程都是通过某个特定 Thread 对象的
-
构造器
Thread()：创建新的 Thread 对象Thread(String threadname)：创建线程并指定线程实例名Thread(Runnable target)：指定创建线程的目标对象，它实现了Runnable接口中的run()方法Thread(Runnable target, String name)：创建新的Thread对象
JDK1.5 之前 API 中创建线程的两种方式
- JDK1.5 之前创建新执行线程有两种方法：
- 继承
Thread类的方式 - 实现
Runnable接口的方式
- 继承
方式一：继承 Thread 类
- 定义子类继承
Thread类 - 子类中重写
Thread类中的run方法 - 创建
Thread子类对象，即创建了线程对象 - 调用线程对象
start方法：1、启动线程；2、调用run方法
//1、创建一个继承于 Thread 类的子类
class MyThread extends Thread {
//2、重写 Thread 类的 run()
// 将此线程执行的操作声明在 run 中
@Override
public void run() {
// super.run();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if (i % 2 == 0) {
System.out.println(getName() + ":" + i + " ");
}
}
}
}
public class ThreadTest1 {
public static void main(String[] args) {
// 以下程序都是 main 线程执行
//3、创建 Thread 类的子类对象
MyThread t1 = new MyThread();
//4、通过此对象调用 start()
// start() 作用1： 启动当前线程
// start() 作用2： 调用当前线程的 run()
t1.start();
//问题一：我们不能通过直接调用run()的方式启动线程。
// t1.run();
//问题二：再启动一个线程，遍历100以内的偶数。不可以还让已经start()的线程去执行。会报IllegalThreadStateException
// t1.start();
//我们需要重新创建一个线程的对象
MyThread t2 = new MyThread();
t2.start();
System.out.println("Hello main Thread");
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i + " ");
}
}
}
注意：
- 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run()方法由 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- 想要启动多线程，必须调用
start方法- 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
- 定义子类，实现
Runnable接口 - 子类中重写
Runnable接口中的run方法 - 通过
Thread类含参构造器创建线程对象 - 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 - 调用
Thread类的start方法：开启线程，调用Runnable子类接口的run方法
//1. 创建一个实现了Runnable接口的类
class MThread implements Runnable{
//2. 实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if(i % 2 == 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
}
}
public class ThreadTest2 {
public static void main(String[] args) {
//3. 创建实现类的对象
MThread mThread = new MThread();
//4. 将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
Thread t1 = new Thread(mThread);
t1.setName("线程1");
//5. 通过Thread类的对象调用start():
// ① 启动线程
// ② 调用当前线程的run()-->调用了Runnable类型的target的run()
t1.start();
//再启动一个线程，遍历100以内的偶数
Thread t2 = new Thread(mThread);
t2.setName("线程2");
t2.start();
}
}
比较创建线程的两种方式：
- 区别：
- 继承
Thread：线程代码存放Thread子类run方法中 - 实现
Runnable：线程代码存在接口的子类的run方法
- 继承
- 开发中：
优先选择：实现Runnable接口的方式
- 原因：
1. 实现的方式没有类的单继承性的局限性
2. 实现的方式更适合来处理多个线程有共享数据的情况
-
联系：
public class Thread implements Runnable -
相同点：
1. 两种方式都需要重写run(), 将线程要执行的逻辑声明在run()中
2. 启动线程，都是调用Thread类的start()
Thread类的有关方法
-
void start(): 启动线程，并执行对象的run()方法 -
run(): 线程在被调度时执行的操作 -
String getName(): 返回线程的名称 -
void setName(String name): 设置该线程名称 -
static Thread currentThread(): 返回当前线程。在Thread子类中就是this，通常用于主线程和Runnable实现类 -
static void yield()：
线程让步
暂停当前正在执行的线程，把执行机会让给优先级相同或更高的线程
若队列中没有同优先级的线程，忽略此方法 -
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 -
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；
抛出InterruptedException异常 -
stop(): 强制线程生命期结束，不推荐使用 -
boolean isAlive()：返回boolean，判断线程是否还活着
线程的调度与优先级
-
Java 的调度方法
- 同优先级线程组成先进先出队列（先到先服务），使用时间片策略
- 对高优先级，使用优先调度的抢占式策略
-
线程的优先级等级
MAX_PRIORITY：10MIN _PRIORITY：1NORM_PRIORITY：5
-
涉及的方法
getPriority()：返回线程优先值setPriority(int newPriority)：改变线程的优先级
说明：
- 线程创建时继承父线程的优先级
- 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
线程的分类
Java中的线程分为两类：一种是守护线程，一种是用户线程。
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。
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。
Java 垃圾回收就是一个典型的守护线程。
若 JVM 中都是守护线程，当前 JVM 将退出。
JDK5.0 新增线程创建方式
新增方式一：实现Callable接口
-
与使用 Runnable 相比， Callable 功能更强大些
- 相比
run()方法，call()方法可以有返回值 - 方法可以抛出异常
- 支持泛型的返回值
- 需要借助
FutureTask类，获取返回结果
- 相比
-
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
//1.创建一个实现Callable的实现类
class NumThread implements Callable{
//2.实现call方法，将此线程需要执行的操作声明在call()中
@Override
public Object call() throws Exception {
int sum = 0;
for (int i = 1; i <= 100; i++) {
if(i % 2 == 0){
System.out.println(i);
sum += i;
}
}
return sum;
}
}
public class ThreadNew {
public static void main(String[] args) {
//3.创建Callable接口实现类的对象
NumThread numThread = new NumThread();
//4.将此Callable接口实现类的对象作为传递到FutureTask构造器中，
// 创建FutureTask的对象
FutureTask futureTask = new FutureTask(numThread);
//5.将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，
// 创建Thread对象，并调用start()
new Thread(futureTask).start();
try {
// 如果不需要，可以不获取返回值
//6.获取Callable中call方法的返回值
//get()返回值即为FutureTask构造器参数Callable实现类重写的call()的返回值。
Object sum = futureTask.get();
System.out.println("总和为：" + sum);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
新增方式二：使用线程池
- 背景：
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。 - 思路：
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。 - 好处：
- 提高响应速度（减少了创建新线程的时间）
- 降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）
- 便于线程管理
- corePoolSize：核心池的大小
- maximumPoolSize：最大线程数
- keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止
class NumberThread implements Runnable{
@Override
public void run() {
for(int i = 0;i <= 100;i++){
if(i % 2 == 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
}
}
}
}
class NumberThread1 implements Runnable{
@Override
public void run() {
for(int i = 0;i <= 100;i++){
if(i % 2 != 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
}
}
}
}
public class ThreadPool {
public static void main(String[] args) {
//1. 提供指定线程数量的线程池
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 接口的实现类
ThreadPoolExecutor service1 = (ThreadPoolExecutor) service;
//设置线程池的属性
// System.out.println(service.getClass()); // ThreadPoolExecutor
// service1.setCorePoolSize(15);
// service1.setKeepAliveTime();
//2.执行指定的线程的操作。需要提供实现Runnable接口或Callable接口实现类的对象
service.execute(new NumberThread());//适合适用于Runnable
service.execute(new NumberThread1());//适合适用于Runnable
// service.submit(Callable callable);//适合使用于Callable
//3.关闭连接池
service.shutdown();
}
}
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<T> Future<T> submit(Callable<T> task)：执行任务，有返回值，一般用来执行 Callablevoid shutdown()：关闭连接池
Executors：工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池
Executors.newCachedThreadPool()：创建一个可根据需要创建新线程的线程池Executors.newFixedThreadPool(n)：创建一个可重用固定线程数的线程池Executors.newSingleThreadExecutor()：创建一个只有一个线程的线程池Executors.newScheduledThreadPool(n)：创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。
线程池的拒绝策略
jdk 自带的四种策略：
（1）ThreadPoolExecutor.AbortPolicy： 丢弃任务，并抛出 RejectedExecutionException 异常。
（2）ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：该任务被线程池拒绝，由调用 execute方法的线程执行该任务。
（3）ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy ： 抛弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务。
（4）ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：丢弃任务，不过也不抛出异常。
当线程池的任务缓存队列已满并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize，如果还有任务到来就会采取任务拒绝策略
线程的生命周期
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：
-
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 -
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 -
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 -
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 -
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
线程的同步
-
多线程的安全问题：
当多条语句在操作同一个线程共享数据时，一个线程对多条语句只执行了一部分，还没有执行完，另一个线程参与进来执行。导致共享数据的错误。 -
解决方法：
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
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
- 同步代码块：
synchronized (对象){
// 需要被同步的代码；
}
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){
…
}
对于并发工作，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
- 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）。
- 同步方法的锁：静态方法（
类名.class）、非静态方法（this） - 同步代码块：自己指定，很多时候也是指定为
this或类名.class
==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）
在实现 Runnable 接口创建多线程的方式中，我们可以考虑使用 this 充当同步监视器
在继承 Thread 类创建多线程的方式中，慎用 this 充当同步监视器，考虑使用当前类充当同步监视器
同步的方式，解决了线程的安全问题，但是有其局限性：
操作同步代码时，只能有一个线程参与，其他线程等待；相当于是一个单线程的过程，效率低
释放锁的操作:
- 当前线程的同步方法、同步代码块执行结束。
- 当前线程在同步代码块、同步方法中遇到
break、return终止了该代码块、该方法的继续执行。 - 当前线程在同步代码块、同步方法中出现了未处理的
Error或Exception，导致异常结束。 - 当前线程在同步代码块、同步方法中执行了线程对象的
wait()方法，当前线程暂停，并释放锁。
不会释放锁的操作:
- 线程执行同步代码块或同步方法时，程序调用
Thread.sleep()、Thread.yield()方法暂停当前线程的执行 - 线程执行同步代码块时，其他线程调用了该线程的
suspend()方法将该线程挂起，该线程不会释放锁（同步监视器）。 - 应尽量避免使用
suspend()和resume()来控制线程
单例设计模式之懒汉式(线程安全)
class Bank{
private Bank(){}
private static Bank instance = null;
public static Bank getInstance(){
//方式一：效率稍差
// synchronized (Bank.class) {
// if(instance == null){
// instance = new Bank();
// }
// return instance;
// }
// 方式二：效率更高
// 双重检查
if(instance == null){
synchronized (Bank.class) {
if(instance == null){
instance = new Bank();
}
}
}
return instance;
}
}
线程的死锁问题
不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃，都在等待对方放弃自己需要的同步资源，就形成了线程的死锁
出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所有的线程都处于阻塞状态，无法继续
- 解决方法
- 专门的算法、原则
- 尽量减少同步资源的定义
- 尽量避免嵌套同步
//死锁的演示
class A {
public synchronized void foo(B b) { //同步监视器：A类的对象：a
System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
+ " 进入了A实例的foo方法"); // ①
// try {
// Thread.sleep(200);
// } catch (InterruptedException ex) {
// ex.printStackTrace();
// }
System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
+ " 企图调用B实例的last方法"); // ③
b.last();
}
public synchronized void last() {//同步监视器：A类的对象：a
System.out.println("进入了A类的last方法内部");
}
}
class B {
public synchronized void bar(A a) {//同步监视器：B类的对象：b
System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
+ " 进入了B实例的bar方法"); // ②
// try {
// Thread.sleep(200);
// } catch (InterruptedException ex) {
// ex.printStackTrace();
// }
System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
+ " 企图调用A实例的last方法"); // ④
a.last();
}
public synchronized void last() {//同步监视器：b
System.out.println("进入了B类的last方法内部");
}
}
public class DeadLock implements Runnable {
A a = new A();
B b = new B();
public void init() {
Thread.currentThread().setName("主线程");
// 调用a对象的foo方法
a.foo(b);
System.out.println("进入了主线程之后");
}
public void run() {
Thread.currentThread().setName("副线程");
// 调用b对象的bar方法
b.bar(a);
System.out.println("进入了副线程之后");
}
public static void main(String[] args) {
DeadLock dl = new DeadLock();
new Thread(dl).start();
dl.init();
}
}
锁（Lock）
从 JDK 5.0 开始，Java 提供了更强大的线程同步机制——通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用 Lock 对象充当。
java.util.concurrent.locks.Lock 接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对 Lock 对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得 Lock 对象。
ReentrantLock 类实现了 Lock ，它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的是 ReentrantLock，可以显式加锁、释放锁。
class Window implements Runnable{
private int ticket = 100;
//1.实例化ReentrantLock
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
while(true){
try{
//2.调用锁定方法lock()
lock.lock();
if(ticket > 0){
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：售票，票号为：" + ticket);
ticket--;
}else{
break;
}
}finally {
//3.调用解锁方法：unlock()
lock.unlock();
}
}
}
}
public class LockTest {
public static void main(String[] args) {
Window w = new Window();
Thread t1 = new Thread(w);
Thread t2 = new Thread(w);
Thread t3 = new Thread(w);
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
// 注意：如果同步代码有异常，要将unlock()写入finally语句块
-
synchronized与Lock的异同？- 相同：二者都可以解决线程安全问题
- 不同：
synchronized是隐式锁，在执行完相应的同步代码以后，自动的释放同步监视器；Lock是显示锁，需要手动的启动同步（lock()），同时结束同步也需要手动的实现（unlock()）Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁- 用
Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有更好的扩展性（提供更多的子类）
-
优先使用顺序：
Lock> 同步代码块（已经进入了方法体，分配了相应资源） > 同步方法（在方法体之外）
线程的通信
wait() 与 notify() 和 notifyAll()
wait(): 一旦执行此方法，当前线程就进入阻塞状态，并释放同步监视器。notify(): 一旦执行此方法，就会唤醒被wait的一个线程。如果有多个线程被wait，就唤醒优先级高的那个。notifyAll(): 一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程。
注意：
wait()，notify()，notifyAll()三个方法必须使用在同步代码块或同步方法中。wait()，notify()，notifyAll()三个方法的调用者必须是同步代码块或同步方法中的同步监视器。否则，会出现 IllegalMonitorStateException 异常wait()，notify()，notifyAll()三个方法是定义在java.lang.Object 类中。
sleep() 和 wait() 的异同？
相同点：
- 一旦执行方法，都可以使得当前的线程进入阻塞状态。
不同点：
- 两个方法声明的位置不同：
Thread类中声明sleep(),Object类中声明wait() - 调用的要求不同：
sleep()可以在任何需要的场景下调用。wait()必须使用在同步代码块或同步方法中 - 关于是否释放同步监视器：如果两个方法都使用在同步代码块或同步方法中，
sleep()不会释放锁，wait()会释放锁。
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