JavaSE学习笔记（12）---线程

JavaSE学习笔记（12）---线程

多线程

并发与并行

• 并发：指两个或多个事件在同一个时间段内发生。
• 并行：指两个或多个事件在同一时刻发生（同时发生）。

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，每一时刻只能有一道程序执行，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，则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上（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，能大大的提高电脑运行的效率。

注意：单核处理器的计算机肯定是不能并行的处理多个任务的，只能是多个任务在单个CPU上并发运行。同理,线程也是一样的，从宏观角度上理解线程是并行运行的，但是从微观角度上分析却是串行运行的，即一个线程一个线程的去运行，当系统只有一个CPU时，线程会以某种顺序执行多个线程，我们把这种情况称之为线程调度。

线程与进程

• 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，一个应用程序可以同时运行多个进程；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：一个程序运行后至少有一个进程，一个进程中可以包含多个线程

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。

  • 设置线程的优先级

  • 抢占式调度详解

    大部分操作系统都支持多进程并发运行，现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。比如：现在我们上课一边使用编辑器，一边使用录屏软件，同时还开着画图板，dos窗口等软件。此时，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。

创建线程类

第一种: 通过继承Thread类实现多线程

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

代码如下：

测试类：

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

自定义线程类：

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

第二种: 通过Runnable接口实现多线程

在开发中，我们应用更多的是通过Runnable接口实现多线程。这种方式克服了11.2.1节中实现线程类的缺点，即在实现Runnable接口的同时还可以继承某个类。所以实现Runnable接口的方式要通用一些。

通过Runnable接口实现多线程

public class TestThread2 implements Runnable {//自定义类实现Runnable接口；
    //run()方法里是线程体；
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程对象，把实现了Runnable接口的对象作为参数传入；
        Thread thread1 = new Thread(new TestThread2());
        thread1.start();//启动线程；
        Thread thread2 = new Thread(new TestThread2());
        thread2.start();
    }
}

线程状态

一个线程对象在它的生命周期内，需要经历5个状态。

▪ 新生状态(New)

用new关键字建立一个线程对象后，该线程对象就处于新生状态。处于新生状态的线程有自己的内存空间，通过调用start方法进入就绪状态。

▪ 就绪状态(Runnable)

处于就绪状态的线程已经具备了运行条件，但是还没有被分配到CPU，处于“线程就绪队列”，等待系统为其分配CPU。就绪状态并不是执行状态，当系统选定一个等待执行的Thread对象后，它就会进入执行状态。一旦获得CPU，线程就进入运行状态并自动调用自己的run方法。有4中原因会导致线程进入就绪状态：

\1. 新建线程：调用start()方法，进入就绪状态;

\2. 阻塞线程：阻塞解除，进入就绪状态;

\3. 运行线程：调用yield()方法，直接进入就绪状态;

\4. 运行线程：JVM将CPU资源从本线程切换到其他线程。

▪ 运行状态(Running)

在运行状态的线程执行自己run方法中的代码，直到调用其他方法而终止或等待某资源而阻塞或完成任务而死亡。如果在给定的时间片内没有执行结束，就会被系统给换下来回到就绪状态。也可能由于某些“导致阻塞的事件”而进入阻塞状态。

▪ 阻塞状态(Blocked)

阻塞指的是暂停一个线程的执行以等待某个条件发生(如某资源就绪)。有4种原因会导致阻塞：

\1. 执行sleep(int millsecond)方法，使当前线程休眠，进入阻塞状态。当指定的时间到了后，线程进入就绪状态。

\2. 执行wait()方法，使当前线程进入阻塞状态。当使用nofity()方法唤醒这个线程后，它进入就绪状态。

\3. 线程运行时，某个操作进入阻塞状态，比如执行IO流操作(read()/write()方法本身就是阻塞的方法)。只有当引起该操作阻塞的原因消失后，线程进入就绪状态。

\4. join()线程联合: 当某个线程等待另一个线程执行结束后，才能继续执行时，使用join()方法。

▪ 死亡状态(Terminated)

死亡状态是线程生命周期中的最后一个阶段。线程死亡的原因有两个。一个是正常运行的线程完成了它run()方法内的全部工作; 另一个是线程被强制终止，如通过执行stop()或destroy()方法来终止一个线程(注：stop()/destroy()方法已经被JDK废弃，不推荐使用)。

当一个线程进入死亡状态以后，就不能再回到其它状态了。

终止线程我们一般不使用JDK提供的stop()/destroy()方法(它们本身也被JDK废弃了)。通常的做法是提供一个boolean型的终止变量，当这个变量置为false，则终止线程的运行。

终止线程的典型方法(重要)

public class TestThreadCiycle implements Runnable {
    String name;
    boolean live = true;// 标记变量，表示线程是否可中止；
    public TestThreadCiycle(String name) {
        super();
        this.name = name;
    }
    public void run() {
        int i = 0;
        //当live的值是true时，继续线程体；false则结束循环，继而终止线程体；
        while (live) {
            System.out.println(name + (i++));
        }
    }
    public void terminate() {
        live = false;
    }

    public static void main(String[] args) {
        TestThreadCiycle ttc = new TestThreadCiycle("线程A:");
        Thread t1 = new Thread(ttc);// 新生状态
        t1.start();// 就绪状态
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("主线程" + i);
        }
        ttc.terminate();
        System.out.println("ttc stop!");
    }
}

执行结果如图所示：

运行效果图(因为是多线程，故每次运行结果不一定一致)

暂停线程执行sleep/yield

暂停线程执行常用的方法有sleep()和yield()方法，这两个方法的区别是：

1. sleep()方法：可以让正在运行的线程进入阻塞状态，直到休眠时间满了，进入就绪状态。

2. yield()方法：可以让正在运行的线程直接进入就绪状态，让出CPU的使用权。

暂停线程的方法-sleep()

public class TestThreadState {
    public static void main(String[] args) {
        StateThread thread1 = new StateThread();
        thread1.start();
        StateThread thread2 = new StateThread();
        thread2.start();
    }
}
//使用继承方式实现多线程
class StateThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(this.getName() + ":" + i);
            try {
                Thread.sleep(2000);//调用线程的sleep()方法；
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

执行结果如下所示(注：以下图示只是部分结果，运行时可以感受到每条结果输出之前的延迟，是Thread.sleep(2000)语句在起作用)：

图11-6示例11-4运行效果图

暂停线程的方法-yield()

public class TestThreadState {
    public static void main(String[] args) {
        StateThread thread1 = new StateThread();
        thread1.start();
        StateThread thread2 = new StateThread();
        thread2.start();
    }
}
//使用继承方式实现多线程
class StateThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(this.getName() + ":" + i);
            Thread.yield();//调用线程的yield()方法；
        }
    }
}

执行结果如图所示(注：以下图示只是部分结果，可以引起线程切换，但运行时没有明显延迟)：

运行效果图

线程的联合join()

线程A在运行期间，可以调用线程B的join()方法，让线程B和线程A联合。这样，线程A就必须等待线程B执行完毕后，才能继续执行。如下面示例中，“爸爸线程”要抽烟，于是联合了“儿子线程”去买烟，必须等待“儿子线程”买烟完毕，“爸爸线程”才能继续抽烟。

public class TestThreadState {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("爸爸和儿子买烟故事");
        Thread father = new Thread(new FatherThread());
        father.start();
    }
}

class FatherThread implements Runnable {
    public void run() {
        System.out.println("爸爸想抽烟，发现烟抽完了");
        System.out.println("爸爸让儿子去买包红塔山");
        Thread son = new Thread(new SonThread());
        son.start();
        System.out.println("爸爸等儿子买烟回来");
        try {
            son.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("爸爸出门去找儿子跑哪去了");
            // 结束JVM。如果是0则表示正常结束；如果是非0则表示非正常结束
            System.exit(1);
        }
        System.out.println("爸爸高兴的接过烟开始抽，并把零钱给了儿子");
    }
}

class SonThread implements Runnable {
    public void run() {
        System.out.println("儿子出门去买烟");
        System.out.println("儿子买烟需要10分钟");
        try {
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                System.out.println("第" + i + "分钟");
                Thread.sleep(1000);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("儿子买烟回来了");
    }
}

线程的优先级

1. 处于就绪状态的线程，会进入“就绪队列”等待JVM来挑选。

2. 线程的优先级用数字表示，范围从1到10，一个线程的缺省优先级是5。

3. 使用下列方法获得或设置线程对象的优先级。

   int getPriority();

void setPriority(int newPriority);

注意：优先级低只是意味着获得调度的概率低。并不是绝对先调用优先级高的线程后调用优先级低的线程。

什么是线程同步

▪ 同步问题的提出

现实生活中，我们会遇到“同一个资源，多个人都想使用”的问题。 比如：教室里，只有一台电脑，多个人都想使用。天然的解决办法就是，在电脑旁边，大家排队。前一人使用完后，后一人再使用。

▪ 线程同步的概念

处理多线程问题时，多个线程访问同一个对象，并且某些线程还想修改这个对象。 这时候，我们就需要用到“线程同步”。 线程同步其实就是一种等待机制，多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列，等待前面的线程使用完毕后，下一个线程再使用。

由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间，在带来方便的同时，也带来了访问冲突的问题。Java语言提供了专门机制以解决这种冲突，有效避免了同一个数据对象被多个线程同时访问造成的这种问题。

由于我们可以通过 private 关键字来保证数据对象只能被方法访问，所以我们只需针对方法提出一套机制，这套机制就是synchronized关键字，它包括两种用法：synchronized 方法和 synchronized 块。

▪ synchronized 方法

通过在方法声明中加入 synchronized关键字来声明，语法如下：

public  synchronized  void accessVal(int newVal);

synchronized 方法控制对“对象的类成员变量”的访问：每个对象对应一把锁，每个 synchronized 方法都必须获得调用该方法的对象的锁方能执行，否则所属线程阻塞，方法一旦执行，就独占该锁，直到从该方法返回时才将锁释放，此后被阻塞的线程方能获得该锁，重新进入可执行状态。

▪ synchronized块

synchronized 方法的缺陷：若将一个大的方法声明为synchronized 将会大大影响效率。

Java 为我们提供了更好的解决办法，那就是 synchronized 块。 块可以让我们精确地控制到具体的“成员变量”，缩小同步的范围，提高效率。

synchronized 块：通过 synchronized关键字来声明synchronized 块，语法如下：

synchronized(syncObject)
　  {
　　 //允许访问控制的代码
　  }

多线程操作同一个对象(使用线程同步)

public class TestSync {
    public static void main(String[] args) {
        Account a1 = new Account(100, "高");
        Drawing draw1 = new Drawing(80, a1);
        Drawing draw2 = new Drawing(80, a1);
        draw1.start(); // 你取钱
        draw2.start(); // 你老婆取钱
    }
}
/*
 * 简单表示银行账户
 */
class Account {
    int money;
    String aname;
    public Account(int money, String aname) {
        super();
        this.money = money;
        this.aname = aname;
    }
}
/**
 * 模拟提款操作
 *
 * @author Administrator
 *
 */
class Drawing extends Thread {
    int drawingNum; // 取多少钱
    Account account; // 要取钱的账户
    int expenseTotal; // 总共取的钱数

    public Drawing(int drawingNum, Account account) {
        super();
        this.drawingNum = drawingNum;
        this.account = account;
    }

    @Override
    public void run() {
        draw();
    }

    void draw() {
        synchronized (account) {
            if (account.money - drawingNum < 0) {
                System.out.println(this.getName() + "取款，余额不足！");
                return;
            }
            try {
                Thread.sleep(1000); // 判断完后阻塞。其他线程开始运行。
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            account.money -= drawingNum;
            expenseTotal += drawingNum;
        }
        System.out.println(this.getName() + "--账户余额：" + account.money);
        System.out.println(this.getName() + "--总共取了：" + expenseTotal);
    }
}

synchronized (account)” 意味着线程需要获得account对象的“锁”才有资格运行同步块中的代码。 Account对象的“锁”也称为“互斥锁”，在同一时刻只能被一个线程使用。A线程拥有锁，则可以调用“同步块”中的代码;B线程没有锁，则进入account对象的“锁池队列”等待，直到A线程使用完毕释放了account对象的锁，B线程得到锁才可以开始调用“同步块”中的代码。