深入理解多线程
多线程是java中比较重要的一部分内容，使用多线程有许多的优点： - 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。 - 程序需要实现一些需要等待的任务时，可以提高计算机系统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
本文就多线程来做一个总结，希望可以给予大家一些帮助。
一、多线程的概述和创建
1. 基本概念：程序-进程-线程
- 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) 是程序的一次动态执行过程，它经历了从代码加载、执行到完毕的一个完整过程。动态过程：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
- 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。 是实现并发的机制的一种有效手段。 若一个程序可同一时间执行多个线程，就是支持多线程的
2. 线程的创建和启动
在java中实现多线程可以采用两种方式：继承Thread类、实现Runnable接口
3. Thread类
- Thread类是在java.lang包中定义的， 所以不需要导入，一个类只要继承了继承Thread类， 就是一个多线程操作类
- 子类中重写Thread类中的run方法， 此方法为线程的主体。
- 创建Thread子类对象，即创建了线程对象。
- 调用线程对象start方法：启动线程，并调用run方法；并且start方法只能被执行一次。
class MyThread extends Thread { // 继承Thread类，作为线程的实现类
private String name; // 表示线程的名称
public MyThread(String name) {
this.name = name; // 通过构造方法配置name属性
}
public void run() { // 覆写run()方法，作为线程 的操作主体
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(name + "运行，i = " + i);
}
}
};
public class ThreadDemo02 {
public static void main(String args[]) {
MyThread mt1 = new MyThread("线程A "); // 实例化对象
MyThread mt2 = new MyThread("线程B "); // 实例化对象
mt1.start(); // 调用线程主体
mt2.start(); // 调用线程主体
}
};Output: 线程A 运行，i = 0 线程B 运行，i = 0 线程A 运行，i = 1 线程B 运行，i = 1 线程A 运行，i = 2 线程B 运行，i = 2 线程B 运行，i = 3 线程B 运行，i = 4 线程A 运行，i = 3 线程B 运行，i = 5 线程A 运行，i = 4 线程B 运行，i = 6 线程A 运行，i = 5 线程B 运行，i = 7 线程A 运行，i = 6 线程B 运行，i = 8 线程A 运行，i = 7 线程B 运行，i = 9 线程A 运行，i = 8 线程A 运行，i = 9
从例子来看， 确实是并发执行的， 哪个线程先抢到cpu资源， 哪个线程就先执行。
问题：为什么不直接调用run()方法， 而是通过start()方法来调用（或者说start()方法是怎么实现能启动多线程这个功能的）？-批注1
4. 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Thread类的构造方法中。
- 调用Thread类的start方法：开启线程，调用Runnable子类接口的run方法。
class MyThread implements Runnable { // 实现Runnable接口，作为线程的实现类
private String name; // 表示线程的名称
public MyThread(String name) {
this.name = name; // 通过构造方法配置name属性
}
public void run() { // 覆写run()方法，作为线程 的操作主体
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(name + "运行，i = " + i);
}
}
};
public class RunnableDemo01 {
public static void main(String args[]) {
MyThread mt1 = new MyThread("线程A "); // 实例化对象
MyThread mt2 = new MyThread("线程B "); // 实例化对象
Thread t1 = new Thread(mt1); // 实例化Thread类对象
Thread t2 = new Thread(mt2); // 实例化Thread类对象
t1.start(); // 启动多线程
t2.start(); // 启动多线程
}
};OUtput: 线程B 运行，i = 0 线程A 运行，i = 0 线程B 运行，i = 1 线程A 运行，i = 1 线程B 运行，i = 2 线程A 运行，i = 2 线程A 运行，i = 3 线程A 运行，i = 4 线程A 运行，i = 5 线程A 运行，i = 6 线程A 运行，i = 7 线程A 运行，i = 8 线程A 运行，i = 9 线程B 运行，i = 3 线程B 运行，i = 4 线程B 运行，i = 5 线程B 运行，i = 6 线程B 运行，i = 7 线程B 运行，i = 8 线程B 运行，i = 9
5. Thread类与Runnable接口的区别
实现Runnable接口比继承Thread类有如下明显优点
- 适合多个相同程序代码的线程去处理同一个资源
- 可以避免单继承局限所带来的影响
- 增强了代码的健壮性， 代码能够被多个线程共享，代码与数据是独立的
综合以上来看，开发中使用Runnable接口是最合适的，在以后的文章中，使用多线程时都将以Runnable接口的实现为操作的重点。
6. 线程的调度
调度策略 - 时间片
- 抢占式：高优先级的线程抢占CPU
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
二、多线程的常用方法
- 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，线程的名称一般在启动线程前设置， 但也允许为已经运行的线程设置名称。允许两个Thread对象有相同的名字， 但为了清晰， 应避免这种情况发生。如果没为线程指定名称， 系统会进行自动命名（从Thread-0、Thread-1依次编号）
- static currentThread(): 返回当前线程
- boolean isAlive():判断线程是否活着，活着返回true， 否则返回false
- void join():可以使用join()方法让一个线程强制运行，线程强制执行期间， 其他线程无法运行，必须等待此线程完成后才可以继承执行。
- static void sleep(long millis):另当前活动线程在指定的时间段内放弃对cpu控制， 使其他线程有机会被执行， 时间到后重排队
- void interrupt():当一个线程运行的时候， 另外一个线程可以直接通过interrupt()方法， 中断其运行状态。
- void setPriority(int newPriority):设置线程的优先级。在java的线程操作中， 所有线程在运行前都会保持在就绪状态，那么此时，哪个线程优先级高，哪个线程就有可能会先被执行。 X_PRIORITY:最高优先级(10) RM_PRIORITY:中等优先级(5)，主方法（main）的优先级就是NORM_PRIORITY N_PRIORITY:最低优先级(1)
- int getPriority():返回线程的优先级
- 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这更高的线程；若队列中没有同优先级的线程，忽略此方法
- void stop():强制线程生命期结束
- final void setDaemon(boolean on):设置守护进程
三、死锁和同步机制
1. 问题的产生
以卖火车票为例，如果现在要想买火车票的话可以去火车站或者去各个售票点，但是不管有多少个地方可以买火车票，最终一趟列车的火车票数量是固定的，如果把各个售票点理解为各个线程的话，则所有线程应该共同拥有同一份的票数。
class MyThread implements Runnable {
private int ticket = 5; // 假设一共有5张票
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if (ticket > 0) { // 还有票
try {
Thread.sleep(300); // 加入延迟，可以使问题暴露的更加明显（会让线程执行到这里的时候必须切换出去， 不加切换出去的几率小）
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("卖票：ticket = " + ticket--);
}
}
}
};
public class SyncDemo01 {
public static void main(String args[]) {
MyThread mt = new MyThread(); // 定义线程对象
Thread t1 = new Thread(mt); // 定义Thread对象
Thread t2 = new Thread(mt); // 定义Thread对象
Thread t3 = new Thread(mt); // 定义Thread对象
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
};Output: 卖票：ticket = 5 卖票：ticket = 3 卖票：ticket = 4 卖票：ticket = 2 卖票：ticket = 1 卖票：ticket = 0 卖票：ticket = -1
从执行的结果来看， 卖出的票数成负数，程序代码出现了问题。
程序分析:
如图所示，线程当ticket等于1的时候，假设线程t1先进入if语句，紧接着执行睡眠， 线程被挂起，此时ticket还没有被减1。同理t2、t3线程就会在t1睡眠时候进入if语句，所以在最后，t1、t2、t3都执行了-1，ticket最后就变成了-1。 如果出现重票，原因也是类似的情况。
- 产生问题的原因：由于一个线程在操作共享数据过程中，未执行完毕的情况下，另外的线程参与进来，导致共享数据存在了安全问题。
- 如何解决线程的安全问题：必须让一个线程操作共享数据完毕以后，其它线程才有机会参与共享数据的操作。使用线程的同步机制来解决。
2. 同步机制
- 在代码块上加上“sysnchronized”关键字的话，则此代码块就称为同步代码块
sysnchronized(同步监视器){
//需要被同步的代码（即为操作共享数据的代码）
}- 共享数据：多个线程共同操作的同一个数据(变量)
- 同步监视器：由一个类的对象来充当。哪个线程获取此监视器，谁就执行大括号里被同步的代码。俗称：锁 要求：所有的线程必须共用同一把锁！
注：在实现的方式中，考虑同步的话，可以使用this来充当锁。但是在继承的方式中，慎用this!
- 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){
//代码
}注：同步方法里面的同步监视器是this
3. 卖火车票问题的解决：
//使用同步方法实现
class MyThread1 implements Runnable{
private int ticket = 5 ; // 假设一共有5张票
public void run(){
for(int i=0;i<100;i++){
this.sale() ; // 调用同步方法
}
}
public synchronized void sale(){ // 声明同步方法
if(ticket>0){ // 还有票
try{
Thread.sleep(300) ; // 加入延迟
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace() ;
}
System.out.println("卖票：ticket = " + ticket-- );
}
}
};
//使用同步代码块
class MyThread implements Runnable {
private int ticket = 5; // 假设一共有5张票
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
synchronized (this) { // 要对当前对象进行同步
if (ticket > 0) { // 还有票
try {
Thread.sleep(300); // 加入延迟
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("卖票：ticket = " + ticket--);
}
}
}
}
};
public class SyncDemo02 {
public static void main(String args[]) {
//分别测试同步代码块和同步方法
//测试同步代码块
/* MyThread mt = new MyThread(); // 定义线程对象
Thread t1 = new Thread(mt); // 定义Thread对象
Thread t2 = new Thread(mt); // 定义Thread对象
Thread t3 = new Thread(mt); // 定义Thread对象
System.out.println("使用同步代码块：");
t1.start();
t2.start();
t3.start();*/
//测试同步方法
MyThread1 mt1 = new MyThread1(); // 定义线程对象
Thread t11 = new Thread(mt1); // 定义Thread对象
Thread t21 = new Thread(mt1); // 定义Thread对象
Thread t31 = new Thread(mt1); // 定义Thread对象
System.out.println("使用同步方法：");
t11.start();
t21.start();
t31.start();
}
};Output: 卖票：ticket = 5 卖票：ticket = 3 卖票：ticket = 4 卖票：ticket = 2 卖票：ticket = 1 卖票：ticket = 0
程序分析:
如图所示，图中的②就是同步监视器，也就是俗称的锁。当没有线程进入时，②是绿色的，表示可以进入。当t1线程进入到run()方法时， ②将变成红色，阻止t2、t3线程的进入。直到t1线程的run()方法执行完毕，释放了②的3（也就是②变成绿色）。这样就保证了共享数据只会被一个线程操作，程序就不会出现重票、错票的情况了。
4. 死锁
产生原因：过多的同步可能导致死锁，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。
//死锁的问题：处理线程同步时容易出现。
//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
public class DeadLock {
static StringBuffer sb1 = new StringBuffer();
static StringBuffer sb2 = new StringBuffer();
public static void main(String[] args) {
//线程1
new Thread() {
public void run() {
synchronized (sb1) {
try {
sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
sb1.append("A");
synchronized (sb2) {
sb2.append("B");
System.out.println(sb1);
System.out.println(sb2);
}
}
}
}.start();
//线程2
new Thread() {
public void run() {
synchronized (sb2) {
try {
sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
sb1.append("C");
synchronized (sb1) {
sb2.append("D");
System.out.println(sb1);
System.out.println(sb2);
}
}
}
}.start();
}
}Output: ……
- 程序分析: 程序执行过程中，假设线程1先抢到cpu，并且对sb1上锁，执行到sleep(10)的时侯；线程2又抢到cpu，并且对sb2上锁，然后也执行到了sleep(10)。此时线程1没有释放sb1的锁， 线程2无法向下执行；而线程2也没有释放sb2的锁，所以线程1也无法向下执行。就形成了死锁。
- 解决方法： 专门的算法、原则 尽量减少同步资源的定义
四、线程通信
1. Object类对线程的支持
唤醒和等待：notify、notifyAll、wait Object是所有类的父类，在此类中有以下几个方法是对线程操作有所支持的
No. | 方法 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|---|
1 | public final void wait() throws InterruptedException | 普通 | 线程等待 |
2 | public final void wait(long timeout,int nanos) throws InterruptedException | 普通 | 线程等待，并指定等待的最长时间，以毫秒为单位 |
3 | public final void wait(long timeout) throws InterruptedException | 普通 | 线程等待，并制定等待的最长毫秒及纳秒 |
4 | public final void notifyAll() | 普通 | 唤醒第一个等待的线程 |
5 | public final void notify() | 普通 | 唤醒全部等待的线程 |
- wait() 与 notify() 和 notifyAll()
wait():令当前线程挂起并放弃CPU、同步资源，使别的线程可访问并修改共享资源，而当前线程排队等候再次对资源的访问notify():唤醒正在排队等待同步资源的线程中优先级最高者结束等待notifyAll ():唤醒正在排队等待资源的所有线程结束等待. Java.lang.Object提供的这三个方法只有在synchronized方法或synchronized代码块中才能使用， 否则会报java.lang.IllegalMonitorStateException异常
2. 简单应用：使用两个线程打印 1-100. 线程1, 线程2 交替打印
//使用同步代码块
class PrintNum1 implements Runnable {
int num = 1;
Object obj = new Object();
public void run() {
while (true) {
//synchronized()里面可以填写任意可以唯一确定的对象，也可以直接写this
synchronized (obj) {
obj.notify();
if (num <= 100) {
try {
Thread.currentThread().sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//输出num的值并且让num加一
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + num++);
} else
break;
try {
obj.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
//使用同步方法
class PrintNum2 implements Runnable {
private int num = 1;
@Override
public void run() {
while (true) {
print();
//1.为什么在这里使用break不能终止线程？
if(num == 101)
break;
System.out.println(num);
}
}
private synchronized void print() {
notify();
if(num <= 100){
try {
Thread.currentThread().sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + num++);
}
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public class TestCommunication {
public static void main(String[] args) {
//测试同步代码块
// PrintNum1 p = new PrintNum1();
// Thread t1 = new Thread(p, "甲");
// Thread t2 = new Thread(p, "乙");
//测试同步方法
PrintNum2 p = new PrintNum2();
Thread t1 = new Thread(p, "甲");
Thread t2 = new Thread(p, "乙");
t1.start();
t2.start();
}
}3. 经典例题：生产者/消费者问题
生产者(Productor)将产品交给店员(Clerk)，而消费者(Customer)从店员处取走产品，店员一次只能持有固定数量的产品(比如:20），如果生产者试图生产更多的产品，店员会叫生产者停一下，如果店中有空位放产品了再通知生产者继续生产；如果店中没有产品了，店员会告诉消费者等一下，如果店中有产品了再通知消费者来取走产品。 这里可能出现两个问题： 生产者比消费者快时，消费者会漏掉一些数据没有取到。 消费者比生产者快时，消费者会取相同的数据。
/*
分析：
1.是否涉及到多线程的问题？是！生产者、消费者
2.是否涉及到共享数据？有！考虑线程的安全
3.此共享数据是谁？即为产品的数量
4.是否涉及到线程的通信呢？存在这生产者与消费者的通信
*/
class Clerk{//店员
int product;
public synchronized void addProduct(){//生产产品
if(product >= 20){
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}else{
product++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":生产了第" + product + "个产品");
notifyAll();
}
}
public synchronized void consumeProduct(){//消费产品
if(product <= 0){
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}else{
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":消费了第" + product + "个产品");
product--;
notifyAll();
}
}
}
class Producer implements Runnable{//生产者
Clerk clerk;
public Producer(Clerk clerk){
this.clerk = clerk;
}
public void run(){
System.out.println("生产者开始生产产品");
while(true){
try {
Thread.currentThread().sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
clerk.addProduct();
}
}
}
class Consumer implements Runnable{//消费者
Clerk clerk;
public Consumer(Clerk clerk){
this.clerk = clerk;
}
public void run(){
System.out.println("消费者消费产品");
while(true){
try {
Thread.currentThread().sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
clerk.consumeProduct();
}
}
}
public class TestProduceConsume {
public static void main(String[] args) {
Clerk clerk = new Clerk();
Producer p1 = new Producer(clerk);
Consumer c1 = new Consumer(clerk);
Thread t1 = new Thread(p1);//一个生产者的线程
Thread t3 = new Thread(p1);
Thread t2 = new Thread(c1);//一个消费者的线程
t1.setName("生产者1");
t2.setName("消费者1");
t3.setName("生产者2");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}4. 多线程的生命周期
JDK中用Thread.State枚举表示了线程的几种状态
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
- 运行：当就绪的线程被调度并获得处理器资源时,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
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