Java基础之多线程

发表于 2020-05-17 更新于 2022-08-16 分类于学习笔记， java 阅读次数：

程序、进程、线程的基本概念

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。

如：运行中的QQ，运行中的MP3播放器
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。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)，线程切换的开销比进程小。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。这就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。

并行与并发

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

并发：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。

线程的创建和使用

Thread类

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
Thread(Runnable target)：指定创建线程的目标对象，他实现了Runnable接口中的run方法
Thread(Runnable target, String name)：创建新的Thread对象

常见的方法

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
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
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，优先级比当前线程低的线程也可以获取到执行权
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，此方法抛出了InterruptedException。

线程的创建

方式一：继承Thread类

具体步骤：

定义子类继承Thread类
子类重写Thread类中的run()方法
创建Thread子类对象，即创建线程的对象
启动线程，调用线程对象的start()方法

代码实例：

class ThreadTest{
  public static void main(String[] args){
    MyThread t1 = new MyThread();
    t1.start();
  }
}

class MyThread extends Thread{
  @Override
  void run(){
		System.out.println(currentThread().getName());
  }
}

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，则将抛出异常 “IllegalThreadStateException”。

方式二：实现Runnable接口

具体步骤：

定义子类，实现Runnable接口
子类重写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
调用Thread类的start()方法

继承方式与实现方式的区别

继承Thread类：线程代码存放在Thread子类run()方法中
实现Runnable：线程代码存放在接口子类的run() 方法中
实现的方法避免了单继承的局限性
多个线程可以共享同一个接口实现类的对象，比较适合多个线程来处理同一份资源

线程的调度

java中线程的调度策略是抢占式的，高优先级的线程抢占CPU

java中线程的调度方法：

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

线程的优先等级

MAX_PRIORITY：10 最高优先级
MIN _PRIORITY：1 最低优先级
NORM_PRIORITY：5 默认优先级

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。

形象理解：兔死狗烹，鸟尽弓藏

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：

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

多个线程操作同一个共享的数据会出现线程的安全问题，为了解决这一问题，就引入了线程的同步

比如：如果两个人同时操作一个银行账户，进行取钱操作，如果账户里面有一千元，甲要取1000，乙也要取1000，如果甲进入到取钱的操作里面（进入取钱之前有个判断，如果取的钱小于账户余额才能进入），但是还没有按下最后的取钱按钮（账户余额还是没变），这个时候乙也进入到取钱的页面了（现在余额还是1000，所以可以进入），最后两个人都按下取钱的按钮，银行账户就会出现-1000元的情况。显然，这是不合理的。

再举个例子：模拟火车站售票程序，同时开启三个售票窗口

class Ticket implements Runnable {
  private int tick = 100;
  public void run() {
    while (true) {
      if (tick > 0) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + 
                           "售出车票，tick号为：" + tick--);
      } else
        break;
    }
  }
}
class TicketDemo {
  public static void main(String[] args) {
    Ticket t = new Ticket();
    Thread t1 = new Thread(t);
    Thread t2 = new Thread(t);
    Thread t3 = new Thread(t);
    t1.setName("t1窗口");
    t2.setName("t2窗口");
    t3.setName("t3窗口");
    t1.start();
    t2.start();
    t3.start();
  }
}

以上这种写法也是存在线程不安全问题，举一个最简单的情况，当tick为1时，如果线程1进入到if判断里面，但是还没有执行tick–，这个时候线程2也是可以进入到if判断里面的，但是最后输出的时候就会出现票号为0的票。如果在线程1还没将tick–之前，线程3也进入到if里面了，那最后会输出一个-1号票，这就是线程的不安全问题。

用个图来直观的表示：

很显然，这里出现的线程安全问题是因为：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。

要解决这个问题也很简单，就是在同一个时间内只让一个线程操作与共享数据相关的代码，在这部分代码没执行完之前，其他进程不能执行这部分代码。

Synchronized的使用方法

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

有两种方式来使用这个同步机制：

同步代码块

1
2
3

synchronized (对象){//这个对象是用来充当同步监视器的，俗称锁
	//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
1
2
3
public synchronized void method(){

}

同步机制中的锁

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？

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（同步监视器）
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

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，否则任然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）

同步范围的确定

判断代码是否存在线程安全问题：

明确哪些代码是被多线程执行的
多个线程之间是否存在共享数据
多线程运行代码中是否有多条语句操作共享数据

注意：

同步代码范围太大：没有发挥出多线程的功能

同步代码范围太小：不能解决存在的安全问题

线程释放锁的操作

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。

注意：

线程执行同步代码块或同步方法时，程序调用Thread.sleep()、Thread.yield()方法当前线程不会释放锁
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

讲到这里，我们解决一下上面火车票售票那个示例和之前单例模式的懒汉式的线程不安全问题

火车售票

class Ticket implements Runnable {
  private int tick = 100;
  public void run() {
    while (true) {
      synchronized (this){
        if (tick > 0) {
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + 
                             "售出车票，tick号为：" + tick--);
        } else
          break;
      }
    }
  }
}
class TicketDemo {
  public static void main(String[] args) {
    Ticket t = new Ticket();
    Thread t1 = new Thread(t);
    Thread t2 = new Thread(t);
    Thread t3 = new Thread(t);
    t1.setName("t1窗口");
    t2.setName("t2窗口");
    t3.setName("t3窗口");
    t1.start();
    t2.start();
    t3.start();
  }
}

单例设计模式之懒汉式(线程安全)

class Singleton {
  private static Singleton instance = null;
  private Singleton(){}
  public static Singleton getInstance(){
    if(instance==null){//加上这个判断可以提高运行的效率
      synchronized(Singleton.class){
        if(instance == null){
          instance=new Singleton();
        } 
      } 
    }
    return instance;
  } 
}
public class SingletonTest{
  public static void main(String[] args){
    Singleton s1=Singleton.getInstance();
    Singleton s2=Singleton.getInstance();
    System.out.println(s1==s2);
  } 
}

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

举例：

public class DeadLockTest {
  public static void main(String[] args) {
    final StringBuffer s1 = new StringBuffer();
    final StringBuffer s2 = new StringBuffer();
    new Thread() {
      public void run() {
        synchronized (s1) {
          s2.append("A");
          synchronized (s2) {
            s2.append("B");
            System.out.print(s1);
            System.out.print(s2);
          }
        }
      }
    }.start();
    new Thread() {
      public void run() {
        synchronized (s2) {
          s2.append("C");
          synchronized (s1) {
            s1.append("D");
            System.out.print(s2);
            System.out.print(s1);
          }
        }
      }
    }.start();
  }
}

Lock(锁)

在JDK5.0之后，Java提供了更强大的线程同步机制——通过显示的定义同步锁对象来实现同步，这里的同步锁用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。

示例：

class A{
  private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock();
  public void m(){
    lock.lock();
    try{
      //保证线程安全的代码;
    }
    finally{
      lock.unlock();
    }
  }
}

注意：如果同步代码有异常，要将unlock()写入finally语句块

synchronized 与 Lock 的对比

Lock是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁），synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放
Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁
使用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）

线程的通信

先介绍几种线程通信要用到的几种方法：

wait():

令当前线程挂起并放弃CPU、同步资源并等待，使别的线程可访问并修改共享资源，而当前线程排队等候其他线程调用notify()或notifyAll()方法唤醒，唤醒后等待重新获得对监视器的所有权后才能继续执行。
notify():

唤醒正在排队等待同步资源的线程中优先级最高的
notifyAll():

唤醒正在排队等待同步资源的所有线程

注意：

这三个方法只有在synchronized方法或代码块中才能使用，否则会报java.lang.IllegalMonitorStateException
因为这三个方法必须有锁对象调用，而任意对象都可以作为synchronized的同步锁，因此这三个方法只能在Object类中声明

wait()方法

在当前线程中调用方法：对象名.wait()

使当前线程进入等待（某对象）状态，直到另一线程对该对象发出notify (或notifyAll) 为止。

调用方法的必要条件：当前线程必须具有对该对象的监控权（加锁）

调用此方法后，当前线程将释放对象监控权，然后进入等待

在当前线程被notify后，要重新获得监控权，然后从断点处继续代码的执行。

notify()/notifyAll()

在当前线程中调用方法：对象名.notify()

功能：唤醒等待该对象监控权的一个/所有线程。