关于java:JavaSE第18篇多线程上篇

核心内容：在理论开发中，若程序须要同时解决多个工作时，咱们该如何实现？此时多线程就可帮忙咱们实现。应用多线程能够进步 CPU 的利用率及程序的解决效率。本篇将会学习多线程相干概念、创立和应用、线程平安问题及线程状态的理解。

本章次要理解和多线程相干的一些概念。

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, 得应用多过程或者多线程来解决.

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产生（交替执行）。

在操作系统中，装置了多个程序，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 零碎中，每一时刻只能有一道程序执行，即宏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工夫是十分短的。

并行

简而言之，并行：是指两个或多个事件在同一时刻产生（同时产生）。

而在多个 CPU 零碎中，则这些能够并发执行的程序便能够调配到多个处理器上（CPU），实现多任务并行执行，即利用每个处理器来解决一个能够并发执行的程序，这样多个程序便能够同时执行。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，能大大的进步电脑运行的效率。

过程

是指一个内存中运行的应用程序，每个过程都有一个独立的内存空间，一个应用程序能够同时运行多个过程；过程也是程序的一次执行过程，是零碎运行程序的根本单位；零碎运行一个程序即是一个过程从创立、运行到沦亡的过程。

线程

线程是过程中的一个执行单元，负责以后过程中程序的执行，一个过程中至多有一个线程。一个过程

中是能够有多个线程的，这个应用程序也能够称之为多线程程序。

留神

一个程序运行后至多有一个过程，一个过程中能够蕴含多个线程。

因为创立一个线程的开销比创立一个过程的开销小的多，那么咱们在开发多任务运行的时候，通常思考创立多线程，而不是创立多过程。

多线程能够进步 cpu 利用率

大部分操作系统都反对多过程并发运行，当初的操作系统简直都反对同时运行多个程序。在同时运行的程序，”感觉这些软件如同在同一时刻运行着“。

实际上，CPU(中央处理器)应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绝对咱们的感觉要快，看上去就是在同一时刻运行。其实，多线程程序并不能进步程序的运行速度，但可能进步程序运行效率，让 CPU 的使用率更高。

分时调度

所有线程轮流应用 CPU 的使用权，平均分配每个线程占用 CPU 的工夫。

抢占式调度

优先让优先级高的线程应用 CPU，如果线程的优先级雷同，那么会随机抉择一个(线程随机性)，Java 应用的为抢占式调度。

Java 应用 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。每个线程的作用是实现肯定的工作，实际上就是执行一段程序流即一段程序执行的代码。Java 应用线程执行体来代表这段程流。

Java 中通过继承 Thread 类来创立并启动多线程的步骤如下：

定义 Thread 类的子类，并重写该类的 run()办法，该 run()办法的办法体就代表了线程须要实现的工作, 因而把 run()办法称为线程执行体。
创立 Thread 子类的实例，即创立了线程对象。
调用线程对象的 start()办法来启动该线程。

Thread 类构造方法

public Thread() : 调配一个新的线程对象。
public Thread(String name) : 调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 的工作
    MyThread mt2 = new MyThread("线程 2");
    mt2.start(); // 启动线程 2 的工作}
}
/* 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);
    }
  }
}

多个线程之间的程序不会影响彼此（比方一个线程解体了并不会影响另一个线程）。

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

执行过程

首先 main 办法作为主程序先压栈执行。
在主程序的执行过程中，若创立了新的线程，则内存中会另开拓一个新的栈来执行新的线程。
每一个新的线程都会有一个新的栈来寄存新的线程工作。
栈与栈之间的工作不会相互影响。
CPU 会随机切换执行不同栈中的工作。

图解执行过程（以上述代码为例）

罕用办法

public String getName() : 获取以后线程名称。
public void start() : 导致此线程开始执行; Java 虚拟机调用此线程的 run 办法。
public void run() : 此线程要执行的工作在此处定义代码。
public static void sleep(long millis) : 使以后正在执行的线程以指定的毫秒数暂停（临时进行执行）。
public static Thread currentThread() : 返回对以后正在执行的线程对象的援用。

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("以后线程是" + Thread.currentThread().getName());
    // 每距离一秒钟打印一个数字
    for (int i = 0; i < 60; i++) {System.out.println(i);
      try {
        // sleep 抛出了异样，须要解决异样
        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("以后线程是" + Thread.currentThread().getName());
  }
}

run 办法和 start 办法

run()办法，是线程执行的工作办法，每个线程都会调用 run()办法执行，咱们将线程要执行的工作代码都写在 run()办法中就能够被线程调用执行。

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

留神：一个线程只能被启动一次！

对于线程的名字

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

翻阅 API 后得悉创立线程的形式总共有两种，一种是继承 Thread 类形式，一种是实现 Runnable 接口方式。

Runnable 应用步骤

定义 Runnable 接口的实现类，并重写该接口的 run()办法，该 run()办法的办法体同样是该线程的线程执行体。
创立 Runnable 实现类的实例，并以此实例作为 Thread 的 target 来创立 Thread 对象，该 Thread 对象才是真正的线程对象。
调用线程对象的 start()办法来启动线程。

Thread 类构造函数

public Thread(Runnable target) : 调配一个带有指定指标新的线程对象。
public Thread(Runnable target,String name) : 调配一个带有指定指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) {
    // 创立 Runnable 对象
    RunnableImpl ra = new RunnableImpl();
    // 创立线程对象并传入 Runnable 对象
    Thread th = new Thread(ra);
    // 启动并执行线程工作
    th.start();}
}
//【Runnable 实现类】public class RunnableImpl implements Runnable {
  @Override
  public void run() {System.out.println("线程工作 1");
  }
}

总结

通过实现 Runnable 接口，使得该类有了多线程类的特色。run()办法是多线程程序的一个执行指标。所有的多线程代码都在 run 办法外面。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，须要先通过 Thread 类的构造方法 Thread(Runnable target) 结构出对象，而后调用 Thread 对象的 start()办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()办法来运行的。因而，不论是继承 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，相熟 Thread 类的 API 是进行多线程编程的根底。
Runnable 对象仅仅作为 Thread 对象的 target，Runnable 实现类里蕴含的 run()办法仅作为线程执行体。而理论的线程对象仍然是 Thread 实例，只是该 Thread 线程负责执行其 target 的 run()办法。

创立线程形式 2 如同比创立线程形式 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，则不适宜资源共享。然而如果实现了 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 类所具备的劣势：

适宜多个雷同的程序代码的线程去共享同一个资源。
能够防止 java 中的单继承的局限性。
减少程序的健壮性，实现解耦操作，代码能够被多个线程共享，代码和线程独立。
线程池只能放入实现 Runable 或 Callable 类线程，不能间接放入继承 Thread 的类。（前面篇幅介绍）

扩大理解

在 java 中，每次程序运行至多启动 2 个线程。一个是 main 线程，一个是垃圾收集线程。因为每当应用 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过程。

应用线程的内匿名外部类形式，能够不便的实现每个线程执行不同的线程工作操作。

简而言之，应用匿名外部类能够简化代码。

    // 匿名外部类创立线程形式 1
    new Thread(){
      @Override
      public void run() {System.out.println(Thread.currentThread().getName());
      }
    }.start();
    // 匿名外部类创立线程形式 2
    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {System.out.println(Thread.currentThread().getName());
      }
    }).start();

多个线程执行同一个工作并操作同一个数据时，就会造成数据的平安问题。咱们通过以下案例来看线程平安问题。

案例需要

电影院要卖票，咱们模仿电影院的卖票过程。假如要播放的电影是“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)。

咱们来模仿电影院的售票窗口，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) 须要窗口，采纳线程对象来模仿；须要票，Runnable 接口子类来模仿。

案例代码

//【操作票的工作代码类】public class RunnableImpl implements Runnable {
  // 线程工作要操作的数据（100 张电影票）private int ticket = 100;
  // 线程要执行的工作
  @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) {
    // 创立线程工作
    RunnableImpl ra = new RunnableImpl();
    // 创立第一个线程执行线程工作
    new Thread(ra).start();
    // 创立第二线程执行线程工作
    new Thread(ra).start();
    // 创立第三个线程执行线程工作
    new Thread(ra).start();}
}

执行后果及问题

问题起因

争夺 cpu 执行权和线程执行工夫是不确定的，比方线程 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 争夺，其余线程处于期待线程 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平安。

线程平安问题都是由全局变量及动态变量引起的。若每个线程中对全局变量、动态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程平安的；若有多个线程同时执行写操作，个别都须要思考线程同步，否则的话就可能影响线程平安。

上述咱们晓得，线程平安问题是因为线程在操作数据时不同步造成的，所以只有可能实现操作数据同步，就能够解决线程平安问题。

同步指的就是，当一个线程执行指定同步的代码工作时，其余线程必须等该线程操作结束后再执行。

依据案例形容：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 操作完结，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批改共享资源的时候，其余线程不能批改该资源，期待批改结束同步之后，能力去争夺 CPU 资源，实现对应的操作，保障了数据的同步性，解决了线程不平安的景象。

为了保障每个线程都能失常执行原子操作,Java 引入了线程同步机制（synchronize）。

那么怎么去应用呢？有三种形式实现同步操作：

同步代码块
同步办法
同步锁

概述

同步代码块： synchronized关键字能够用于办法中的某个区块中，示意只对这个区块的资源履行互斥拜访。

格局

synchronized(同步锁){须要同步操作的代码}

同步锁：对象的同步锁只是一个概念, 能够设想为在对象上标记了一个锁。
锁对象能够是任意类型。
多个线程对象要应用同一把锁。
留神：在任何时候, 最多容许一个线程领有同步锁, 谁拿到锁就进入代码块, 其余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) {
    // 创立线程工作
    RunnableImpl ra = new RunnableImpl();
    // 创立第一个线程执行线程工作
    new Thread(ra).start();
    // 创立第二线程执行线程工作
    new Thread(ra).start();
    // 创立第三个线程执行线程工作
    new Thread(ra).start();}
}
//【线程工作类】public class RunnableImpl implements Runnable {
  // 线程工作要操作的数据
  private int ticket = 100;
  // 定义线程锁对象（任意对象）Object obj = new Object();
  // 线程工作
  @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;}
      }

    }
  }
}

概述

同步办法：应用 synchronized 润饰的办法, 就叫做同步办法, 保障 A 线程执行该办法的时候, 其余线程只能在办法外等着

格局

public synchronized void method(){ // 可能会产生线程平安问题的代码}

同步锁是谁？

对于非 static 办法, 同步锁就是 this
对于 static 办法, 咱们应用以后办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) {
    // 创立线程工作
    RunnableImpl ra = new RunnableImpl();
    // 创立第一个线程执行线程工作
    new Thread(ra).start();
    // 创立第二线程执行线程工作
    new Thread(ra).start();
    // 创立第三个线程执行线程工作
    new Thread(ra).start();}
}
//【线程工作类】public class RunnableImpl implements Runnable {
  // 线程工作要操作的数据
  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;}
  }
}

概述

Lock：java.util.concurrent.locks.Lock 机制提供了比 synchronized 代码块和 synchronized 办法更宽泛的锁定操作, 同步代码块 / 同步办法具备的性能 Lock 都有, 除此之外更弱小, 更体现面向对象。

格局

Lock 锁也称同步锁，加锁与开释锁办法化了

public void lock() : 加同步锁。
public void unlock() : 开释同步锁。

示例代码

//【测试类】public class Main01 {public static void main(String[] args) {
    // 创立线程工作
    RunnableImpl ra = new RunnableImpl();
    // 创立第一个线程执行线程工作
    new Thread(ra).start();
    // 创立第二线程执行线程工作
    new Thread(ra).start();
    // 创立第三个线程执行线程工作
    new Thread(ra).start();}
}
//【线程工作类】public class RunnableImpl implements Runnable {
  // 线程工作要操作的数据
  private int ticket = 100;
  // 创立锁对象
  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 {
          // 开释同步锁
          lock.unlock();}

      }else {break;}
    }

  }
}

当线程被创立并启动当前，它既不是一启动就进入了执行状态，也不是始终处于执行状态。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：

咱们不须要去钻研这几种状态的实现原理，咱们只需晓得在做线程操作中存在这样的状态。那咱们怎么去了解这几个状态呢，新建与被终止还是很容易了解的，咱们就钻研一下线程从 Runnable（可运行）状态与非运行状态之间的转换问题。

概述

Timed Waiting 在 API 中的形容为：一个正在限时期待另一个线程执行一个（唤醒）动作的线程处于这一状态。

独自的去了解这句话，真是玄之又玄，其实咱们在之前的操作中曾经接触过这个状态了，在哪里呢？在咱们写卖票的案例中，为了缩小线程执行太快，景象不显著等问题，咱们在 run 办法中增加了 sleep 语句，这样就强制以后正在执行的线程休眠（暂停执行），以“减慢线程”。

其实当咱们调用了 sleep 办法之后，以后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)，那么咱们通过一个案例加深对该状态的一个了解。

示例

需要：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 个数字输入一个字符串。

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();}
}

通过案例能够发现，sleep 办法的应用还是很简略的。咱们须要记住上面几点：

进入 TIMED_WAITING 状态的一种常见情景是调用的 sleep 办法，独自的线程也能够调用，不肯定非要有协作关系。
为了让其余线程有机会执行，能够将 Thread.sleep()的调用放线程 run()之内。这样能力保障该线程执行过程中会睡眠。
sleep 与锁无关，线程睡眠到期主动昏迷，并返回到 Runnable（可运行）状态。

留神：sleep()中指定的工夫是线程不会运行的最短时间。因而，sleep()办法不能保障该线程睡眠到期后就开始立即执行。

图解

概述

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

咱们曾经学完同步机制，那么这个状态是十分好了解的了。比方，线程 A 与线程 B 代码中应用同一锁，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 状态也会在某种状况下进入阻塞状态。

图解

概述

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

示例

咱们通过一段代码来学习一下：需要如下，消费者吃包子。过程如下：

消费者问：包子好了吗？处于期待 …
3 秒钟后 ….
老板答：包子好了
消费者：能够吃包子了

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 {
                            // 期待，开释锁，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：能够吃包子了。");
                        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("期待 3 秒后...");
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "老板说：包子好了！");
                        // 唤醒，唤醒其余被阻塞的线程
                        obj.notify();}
                }
            }
        }).start();}
}

剖析

通过上述案例咱们会发现，一个调用了某个对象的 Object.wait 办法的线程会期待另一个线程调用此对象的 Object.notify()办法或 Object.notifyAll()办法。

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，能够了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共事们，你们可能存在降职时的竞争，但更多时候你们更多是一起单干以实现某些工作。

当多个线程合作时，比方 A，B 线程，如果 A 线程在 Runnable（可运行）状态中调用了 wait()办法那么 A 线程就进入了 Waiting（有限期待）状态，同时失去了同步锁。如果这个时候 B 线程获取到了同步锁，在运行状态中调用了 notify()办法，那么就会将有限期待的 A 线程唤醒。留神是唤醒，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

关于java:JavaSE第18篇多线程上篇

第一章：多线程根底

1.1- 并发和并行（理解）

1.2- 过程与线程（理解）

1.3- 线程调度（理解）

第二章：Java 中创立和应用多线程

2.1- 继承 Thread 类形式创立线程（重要）

2.2- 多线程原理（理解）

2.3-Thread 类罕用办法（重要）

2.4- 实现 Runnable 接口方式创立线程（重要）

2.5-Runnable 和 Thread 的关系（理解）

2.6- 匿名外部类形式实现线程创立（重要）

第三章：线程平安问题

3.1- 线程平安概述（了解）

3.2- 线程平安解决方案（重要）

3.3- 同步代码块（重要）

3.4- 同步办法（重要）

3.5- 同步锁（重要）

第四章：线程状态

4.1- 线程状态介绍（理解）

4.2-TimedWaiting 计时期待（理解）

4.3-Blocked 锁阻塞（理解）

4.4-Waiting 有限期待（理解）