多线程

相关概念

并发与并行

• 并行（parallel）：指两个或多个事件在同一时刻发生（同时发生）。指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行
• 并发（concurrency）：指两个或多个事件在同一时间段内发生。指在同一个时刻只能有一条指令执行，但多个进程的指令被快速轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果

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，每一时刻只能有一个程序执行，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

而在多个CPU系统中，这些可以并发执行的程序表可以分配到多个处理器上，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。目前电脑市场上多的多核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

线程与进程

• 程序：为了完成某个任务和功能，选择一种编程语言编写的一组指令的集合
• 软件：一个或多个应用程序+相关的素材和资源文件等构成一个软件系统
• 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，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
• 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。简而言之：一个软件中至少有一个应用程序，应用程序的一次运行就是一个进程，一个进程中至少有一个线程
• 进程是操作系统调度和分配资源的最小单位，线程是CPU调度的最小单位，不同的进程之间是不共享内存的，进程之间的数据交换和通信的成本是很高。不同的线程是共享同一个进程的内存的，当然不同的线程也有自己独立的内存空间。对于方法区，堆中的同一个对象的内存，线程之间是可以共享的，但是栈的局部变量永远是独立的

线程调度

• 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

抢占式调度详解

大部分操作系统都支持多线程并发运行，现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序，这些程序是在同时运行，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

另行创建和启动线程

继承Thread类

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序流。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

测试类：

  1 public class Demo01 {
  2 	public static void main(String[] args) {
  3 		//创建自定义线程对象
  4 		MyThread mt = new MyThread("新的线程！");
  5 		//开启新线程
  6 		mt.start();
  7 		//在主方法中执行for循环
  8 		for (int i = 0; i < 10; i++) {
  9 			System.out.println("main线程！"+i);
 10 		}
 11 	}
 12 }

自定义线程类：

  1 public class MyThread extends Thread {
  2 	//定义指定线程名称的构造方法
  3 	public MyThread(String name) {
  4 		//调用父类的String参数的构造方法，指定线程的名称
  5 		super(name);
  6 	}
  7 	/**
  8 	 * 重写run方法，完成该线程执行的逻辑
  9 	 */
 10 	@Override
 11 	public void run() {
 12 		for (int i = 0; i < 10; i++) {
 13 			System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);
 14 		}
 15 	}
 16 }

实现Runnable接口

Java有单继承的限制，无法继承Thead类时，可以实现Runnable接口，重写run()方法，然后再通过Thread类的对象代理启动和执行我们的线程体run()方法

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

  1 public class MyRunnable implements Runnable{
  2 	@Override
  3 	public void run() {
  4 		for (int i = 0; i < 20; i++) {
  5 			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);
  6 		}
  7 	}
  8 }

  1 public class Demo {
  2 	public static void main(String[] args) {
  3 		//创建自定义类对象  线程任务对象
  4 		MyRunnable mr = new MyRunnable();
  5 		//创建线程对象
  6 		Thread t = new Thread(mr, "小强");
  7 		t.start();
  8 		for (int i = 0; i < 20; i++) {
  9 			System.out.println("旺财 " + i);
 10 		}
 11 	}
 12 }

通过实现Runnable接口，使得该类有了多线程类的特征。run()方法时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

使用匿名内部类对象来实现现成的创建和启动

  1 new Thread("新的线程！"){
  2 	@Override
  3 	public void run() {
  4 		for (int i = 0; i < 10; i++) {
  5 			System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);
  6 		}
  7 	}
  8 }.start();

  1 new Thread(new Runnable(){
  2 	@Override
  3 	public void run() {
  4 		for (int i = 0; i < 10; i++) {
  5 			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：" + i);
  6 		}
  7 	}
  8 }).start();

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

常用方法系列一

• public void run()：此线程要执行的任务在此处定义代码
• public String getName()：获取当前线程名称
• public static Thread currentThread()：返回对当前正在执行的线程对象的引用
• public final boolean isAlive()：测试线程是否处于活动状态。如果线程已经启动且尚未终止，则为活动状态
• public final int getPriority()：返回线程优先级
• public final void setPriority(int newPriority)：改变线程的优先级
• 每个线程都有一定的优先级，优先级高的线程将获得较多的执行机会。每个线程默认的优先级都与创建它的父线程具有相同的优先级。Thread类提供了setPriority(int newPriority)和getPriority()方法类设置和获取现成的优先级，其中setPriority方法需要一个整数，并且范围在[1,10]之间，通常推荐设置Thread类的三个优先级常量
• MAX_PRIORITY(10)：最高优先级
• MIN_PRIORITY(1)：最低优先级
• NORM_PRIORITY(5)：普通优先级，默认情况下main线程具有普通优先级

  1 public static void main(String[] args) {
  2 	Thread t = new Thread(){
  3 		public void run(){
  4 			System.out.println(getName() + "的优先级：" + getPriority());
  5 		}
  6 	};
  7 	t.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
  8 	t.start();
  9
 10 	System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"的优先级：" + Thread.currentThread().getPriority());
 11 }

常用方法系列二

• 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 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 void yield()：yield只是让当前线程暂停一下，让系统的线程调度器重新调度一次，希望优先级与当前线程相同或更高的其他线程能够获得执行机会，但是这个不能保证，完全有可能的情况都是，当某个线程调用了yield方法暂停之后，线程调度器又将其调度出来重新执行
• void join()：等待该线程终止
• void join(long millis)：等待该线程终止的时间最长为millis毫秒。如果millis时间到，将不再等待
• void join(long millis, int nanos)：等待该线程终止的时间最长为millis毫秒+nanos纳秒
• public final void stop()：强迫线程停止执行。该方法具有固有的不安全性，已经标记为@Deprecated不建议再使用，那么我们就需要通过其他方式来停止线程了，其中一种方式是使用变量的值的变化来控制线程是否结束

倒计时

  1 public static void main(String[] args) {
  2 	for (int i = 10; i>=0; i--) {
  3 		System.out.println(i);
  4 		try {
  5 			Thread.sleep(1000);
  6 		} catch (InterruptedException e) {
  7 			e.printStackTrace();
  8 		}
  9 	}
 10 	System.out.println("新年快乐！");
 11 }

强行加塞

主线程：打印[1,10]，每隔10毫秒打印一个数字

自定义线程类：不停的问是否结束，输入Y或N

现在当主线程打印完5之后，就让自定义线程类加塞，直到自定义线程类结束，主线程再继续

  1 import java.util.Scanner;
  2
  3 public class TestJoin {
  4 	public static void main(String[] args) {
  5 		ChatThread t = new ChatThread();
  6 		t.start();
  7
  8 		for (int i = 1; i <= 10; i++) {
  9 			System.out.println("main:" + i);
 10 			try {
 11 				Thread.sleep(10);
 12 			} catch (InterruptedException e) {
 13 				e.printStackTrace();
 14 			}
 15          //当main打印到5之后，需要等join进来的线程停止后才会继续了。
 16 			if(i==5){
 17 				try {
 18 					t.join();
 19 				} catch (InterruptedException e) {
 20 					e.printStackTrace();
 21 				}
 22 			}
 23 		}
 24 	}
 25 }
 26 class ChatThread extends Thread{
 27 	public void run(){
 28 		Scanner input = new Scanner(System.in);
 29 		while(true){
 30 			System.out.println("是否结束？（Y、N）");
 31 			char confirm = input.next().charAt(0);
 32 			if(confirm == 'Y' || confirm == 'y'){
 33 				break;
 34 			}
 35 		}
 36 		input.close();
 37 	}
 38 }

守护线程

有一种线程，它是在后台运行的，它的任务是为其他线程提供服务的，这种线程被称为“守护线程”。JVM的垃圾回收线程就是经典的守护线程

守护线程有个特点，就是如果所有非守护线程都死亡，那么守护线程自动死亡

调用setDaemon(true)方法可将指定线程设置为守护线程。必须在线程启动之前设置，否则会报IllegalThreadStateException异常

调用isDaemon()可以判断线程是否是守护线程

  1 public class TestThread {
  2 	public static void main(String[] args) {
  3 		MyDaemon m = new MyDaemon();
  4 		m.setDaemon(true);
  5 		m.start();
  6
  7 		for (int i = 1; i <= 100; i++) {
  8 			System.out.println("main:" + i);
  9 		}
 10 	}
 11 }
 12
 13 class MyDaemon extends Thread {
 14 	public void run() {
 15 		while (true) {
 16 			System.out.println("我一直守护者你...");
 17 			try {
 18 				Thread.sleep(1);
 19 			} catch (InterruptedException e) {
 20 				e.printStackTrace();
 21 			}
 22 		}
 23 	}
 24 }

线程安全

当我们使用多个线程访问同一资源（可以是同一个变量、同一个文件、同一条记录等）的时候，若多个线程只有读操作，那么不会发生线程安全问题，但是如果多个线程中对资源有读和写的操作，就容易出现线程安全问题

要解决多线程并发访问一个组员的安全性问题，Java中提供了同步机制（synchronized）来解决

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。有三种方式完成同步操作：

1、同步代码块

2、同步方法

3、锁机制

同步代码块

• 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

  1 synchronized(同步锁){
  2      需要同步操作的代码
  3 }

• 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（BLICKED）

使用同步代码块解决代码：

  1 public class Ticket implements Runnable {
  2 	private int ticket = 100;
  3
  4 	/*
  5 	 * 执行卖票操作
  6 	 */
  7 	@Override
  8 	public void run() {
  9 		// 每个窗口卖票的操作
 10 		// 窗口永远开启
 11         	while (true) {
 12             	synchronized (this) {//这里可以选择this作为锁，是因为对于这几个线程，Ticket的this是同一个 
 13                 	        if (ticket > 0) {// 有票可以卖
 14                     		// 出票操作
 15                    		        // 使用sleep模拟一下出票时间
 16                     		try {
 17                         		        Thread.sleep(100);
 18                     		} catch (InterruptedException e) {
 19                         		        e.printStackTrace();
 20                     		}
 21                     		// 获取当前线程对象的名字
 22                     		String name = Thread.currentThread().getName();
 23                     		System.out.println(name + "正在卖:" + ticket--);
 24                 		}
 25 			}
 26         	}
 27 	}
 28 }

当使用了同步代码块后，上述的线程安全问题解决了

  1 class Ticket extends Thread{
  2 	private static int ticket = 100;
  3
  4 	public Ticket() {
  5 		super();
  6 	}
  7
  8 	public Ticket(String name) {
  9 		super(name);
 10 	}
 11
 12 	/*
 13 	 * 执行卖票操作
 14 	 */
 15 	@Override
 16 	public void run() {
 17 		// 每个窗口卖票的操作
 18 		// 窗口永远开启
 19 		while (true) {
 20 			synchronized (Ticket.class) {//这里不能选用this作为锁，因为这几个线程的this不是同一个
 21 				if (ticket > 0) { // 有票可以卖
 22 	                	// 出票操作
 23 	                	// 使用sleep模拟一下出票时间
 24 	                	try {
 25 	                    		Thread.sleep(100);
 26 	                	} catch (InterruptedException e) {
 27 	                    		e.printStackTrace();
 28 	                	}
 29 	                		// 获取当前线程对象的名字
 30 	               	 		System.out.println(getName() + "正在卖:" + ticket--);
 31 	            		}
 32 			}
 33 		}
 34 	}
 35 }

同步方法

• 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：

  1 public synchronized void method(){
  2     可能会产生线程安全问题的代码
  3 }

同步方法的锁对象：

（1）静态方法：当前类的Class对象

（2）非静态方法：this

使用同步方法代码如下：

  1 public class Ticket implements Runnable{
  2 	private int ticket = 100;      3 	/*
  4  * 执行卖票操作      5  */     6 	@Override    7 	public void run() {        8 	//每个窗口卖票的操作          
  9 	//窗口 永远开启          
 10 		while(true){          11 			sellTicket();              12 		}          13 	}
 14           15 		/*     16  * 锁对象 是 谁调用这个方法 就是谁       17  *   隐含 锁对象 就是  this      18  *           19  */
 20       21 	public synchronized void sellTicket(){
 22 		if(ticket>0){//有票 可以卖   
 23   //出票操作
 24   //使用sleep模拟一下出票时间 
 25 			try {                26 				Thread.sleep(100);
 27 			} catch (InterruptedException e) {
 28    e.printStackTrace();
 29 			}
 30           31              //获取当前线程对象的名字 
 32             	String name = Thread.currentThread().getName();
 33             	System.out.println(name+"正在卖:"+ticket‐‐);
 34         	}
 35     }
 36 }

  1 class Ticket extends Thread {
  2 	private static int ticket = 100;
  3
  4 	public Ticket() {
  5 		super();
  6 	}
  7
  8 	public Ticket(String name) {
  9 		super(name);
 10 	}
 11
 12 	/*
 13 	 * 执行卖票操作
 14 	 */
 15 	@Override
 16 	public void run() {
 17 		// 每个窗口卖票的操作
 18 		// 窗口永远开启
 19 		while (true) {
 20 			sellTicket();
 21 		}
 22 	}
 23 	//这里必须是静态方法，因为如果是非静态方法，隐含的锁对象是this，那么多个线程就不是同一个锁对象了
 24 	//而静态方法隐含的锁对象是当前类的Class对象
 25 	public synchronized static void sellTicket(){
 26 		if(ticket>0){//有票可以卖 
 27 			//出票操作
 28 			//使用sleep模拟一下出票时间
 29 			try {
 30 				Thread.sleep(100);
 31 			} catch(InterruptedException e) {
 32 				e.printStackTrace();
 33 			}
 34 			//获取当前线程对象的名字
 35 			String name = Thread.currentThread().getName();
 36 			System.out.println(name + "正在卖：" + ticket--);
 37 		}
 38 	}
 39
 40 }

等待唤醒机制

线程间通信

多个线程在处理同一个资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。而多个线程并发执行时，在默认情况下CPU是随机切换线程的，当我们需要多个线程来同时完成一件任务，并且我们希望它们有规律的执行，那么多线程之间需要一些通信机制，可以协调它们的工作，以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据

比如：线程A用来生成包子的，线程B用来吃包子的，包子可以理解为同一资源，线程A与线程B处理的动作，一个是生产，一个是消费，此时B线程必须等到A线程完成后才能执行，那么线程A与线程B之间就需要线程通信，即——等待唤醒机制

等待唤醒机制

只是多个线程间的一种协调机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争（race），比如去争夺锁，但这并不是故事的全部，线程间也会有协作机制

就是在一个线程满足某个条件是，就进入等待状态（wait()/wait(time)），等待其他线程执行完它们的指定代码过后再将其唤醒（notify）；或可以指定wait的时间，等时间到了自动唤醒；在有多个线程进行等待时，如果需要，可以使用notifyAll()来唤醒所有的等待进程。wait/notify就是线程间的一种协作机制

1. wait：线程不再活动，不再参与调度，进入wait set中，因此不会浪费CPU资源也不会去竞争锁了，这时的线程状态即是WAITING或TIMED_WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作，也即是“通知（notify）”或者等待时间到，在这个对象上等待的线程从wait set中释放出来，重新进入到调度队列（ready queue）中
2. notify：选取所通知对象的wait set中的一个线程释放
3. notifyAll：释放所通知对象的wait set上的全部线程

调用wait和notify方法需要注意的细节