理解Java线程

使用多线程的目的是更好的利用cpu资源，大部分多线程代码都可以用单线程来实现，但也有无法用单线程实现的，如：生产者消费者模型

下面对一些常用的概念进行区分：

多线程：指的是这个程序（一个进程）运行时产生了不止一个线程。

并行与并发：

并行：多个cpu实例或者多台机器同时执行一段处理逻辑，真正的同时。

并发：通过cpu调度算法，让用户看上去同时执行，实际上从cpu操作层面不是真正的同时。

线程安全：经常用来描绘一段代码。指在并发的情况之下，该代码经过多线程使用，线程的调度顺序不影响任何结果。这个时候使用多线程，我们只需要关注系统的内存，cpu是不是够用即可。若线程不安全则意味着线程调度顺序影响最终结果。如转账操作。

同步：Java中的同步指的是通过人为的控制和调度，保证共享资源的多线程访问成为线程安全，来保证结果的准确。如在转账中加入@synchronized关键字。在保证结果准确的同时，提高性能，才是优秀的程序。

一、线程的状态

线程共有五种状态，其状态转换如下图所示：

• 新建态(New):新创建的线程对象。
• 就绪态(Runnable):线程对象创建后，其他线程调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于“可运行线程池”中，变得可运行，只等待获取CPU的使用权。 即在就绪状态的进程除CPU之外，其它的运行所需资源都已全部获得。
• 运行态(Running):就绪状态的线程获取了CPU，执行程序代码。
• 死亡态(Dead):线程执行完了或者因异常退出了run()方法，该线程结束生命周期。
• 阻塞态(Blocked):阻塞状态是线程因为某种原因放弃CPU使用权，暂时停止运行。直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。

阻塞的情况分三种：

1. 等待阻塞：运行的线程执行wait()方法，该线程会释放占用的所有资源，JVM会把该线程放入“等待池”中。进入这个状态后，是不能自动唤醒的，必须依靠其他线程调用notify()或notifyAll()方法才能被唤醒。
2. 同步阻塞：运行的线程在获取对象的同步锁时(Synchronized)，同步锁被释放进入可运行状态(Runnable),若该同步锁被别的线程占用，则JVM会把该线程放入“锁池”中。
3. 其他阻塞：运行的线程执行sleep()或join()方法，或者发出了I/O请求时，JVM会把该线程置为阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时，线程重新转入就绪状态。
   
   注：在runnable状态的线程是处于被调度的线程，此时的调度顺序是不一定的。Thread类中的yield方法可以让一个running状态的线程转入runnable。

二、控制线程的基本方法

首先就要明确monitor的概念，Java中的每个对象都有一个监视器，来监测并发代码的重入。在非多线程编码时该监视器不发挥作用，反之如果在synchronized 范围内，监视器发挥作用。

1、sleep()

sleep()方法属于Thread类，是一个静态方法，主要的作用是让当前线程停止执行，把cpu让给其他线程执行，但不会释放对象锁和监控的状态，到了指定时间后线程又会自动恢复运行状态

Java有两种sleep方法,一个只有一个毫秒参数,另一个有毫秒和纳秒两个参数

sleep(long millis)

sleep(long millis, int nanos)

注意：线程睡眠到期自动苏醒，并返回到可运行状态，不是运行状态。sleep()中指定的时间是线程不会运行的最短时间。因此，sleep()方法不能保证该线程睡眠到期后就开始执行。

2、wait()与notify()

wait()属于Object类，与sleep()的区别是当前线程会释放锁，进入等待此对象的等待锁定池。若线程A调用Obj.wait(),线程A就会停止运行，而转为等待状态。至于等待时间，看其他线程是否调用Obj.notify()，成为多个线程之间进行通讯的有手段。

注意：无论是wait()还是notify()都需要首先获得目标的对象的一个监视器。wait/notify必须存在于synchronized块中。并且，这三个关键字针对的是同一个监视器（某对象的监视器）。这意味着wait之后，其他线程可以进入同步块执行。当某代码并不持有监视器的使用权时去wait或notify，会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException。也包括在synchronized块中去调用另一个对象的wait/notify，因为不同对象的监视器不同，同样会抛出此异常。

"Synchronzied"是一种同步锁。作用是实现线程间同步，对同步的代码加锁，使得每一次，只能有一线程进入同步块，从而保证线程间的安全性。它修饰的对象有以下几种：

• 修饰一个代码块，被修饰的代码块称为同步语句块，其作用的范围是大括号{}括起来的部分,进入同步代码前要获得给定对象的锁
• 修饰一个实例方法，进入同步代码前要获得当前实例的锁
• 修饰一个静态方法，进入同步代码前要获得当前类的锁

	public class Test {
		 final static Object object=new Object();
		 public static class Thread1 extends Thread{
			 @Override
			 public void run() {
				 synchronized (object) {
					 System.out.println("T1 开始");
					 try {
						 System.out.println("T1 等待");
						object.wait();
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					System.out.println("T1 结束");
				}
			 }
		 }
		 public static class Thread2 extends Thread{
			 @Override
			 public void run() {
				 synchronized (object) {
					 System.out.println("T2 开始");
					 System.out.println("释放一个线程");
					 object.notify();
					 System.out.println("T2 结束");
				 }
			 }
		 }

		 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
			 Thread t1=new Thread1();
			 Thread t2=new Thread2();
			 t1.start();
			 t2.start();
			 t1.join();
			 t2.join();
		}
	}

运行结果：

T1 开始
T1 等待
T2 开始
释放一个线程
T2 结束
T1 结束

如下为生产者消费者模型：

public class Test {
	private final int MAX_SIZE = 100;
	private LinkedList<Object> list = new LinkedList<Object>();

	/**
	 * 生产产品
	 * @param producer
	 */
	public void produce(String producer) {
		synchronized (list) {
			// 如果仓库已满
			while (list.size() == MAX_SIZE) {
				System.out.println("仓库已满，【"+producer+"】： 暂时不能执行生产任务!");
				try {
					// 由于条件不满足，生产阻塞
					list.wait();
				}
				catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
			// 生产产品
			list.add(new Object());
			System.out.println("【"+producer+"】：生产了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size());
			list.notifyAll();
		}
	}
	/**
	 * 消費产品
	 * @param consumer
	 */
	public void consume(String consumer) {
		synchronized (list) {
			//如果仓库存储量不足
			while (list.size()==0) {
				System.out.println("仓库已空，【"+consumer+"】： 暂时不能执行消费任务!");
				try {
					// 由于条件不满足，消费阻塞
					list.wait();
				}
				catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
			list.remove();
			System.out.println("【"+consumer+"】：消费了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size());
			list.notifyAll();
		}
	}

	public static void main(String[] args){
		Test test = new Test();
		for(int i=1;i<6;i++){
			int finalI = i;
			new Thread(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					test.produce(String.format("生产者%d:", finalI));
				}
			}).start();
		}

		for(int i=1;i<4;i++){
			int finalI = i;
			new Thread(()-> test.consume(String.format("消费者%d:", finalI))).start();
		}
	}
}

运行结果：

仓库已空，【消费者2:】： 暂时不能执行消费任务!
仓库已空，【消费者1:】： 暂时不能执行消费任务!
【生产者4:】：生产了一个产品	【现仓储量为】:1
【生产者1:】：生产了一个产品	【现仓储量为】:2
【消费者3:】：消费了一个产品	【现仓储量为】:1
【消费者1:】：消费了一个产品	【现仓储量为】:0
【生产者2:】：生产了一个产品	【现仓储量为】:1
【消费者2:】：消费了一个产品	【现仓储量为】:0
【生产者5:】：生产了一个产品	【现仓储量为】:1
【生产者3:】：生产了一个产品	【现仓储量为】:2

3、join()

在某些情况下，子线程需要进行大量的耗时运算，主线程可能会在子线程执行结束之前结束，但是如果主线程又需要用到子线程的结果，换句话说，就是主线程需要在子线程执行之后再结束。这就需要用到join()方法

public class Test {
	 public static int count;
		public static class AddThread implements Runnable{
			 @Override
			 public void run() {
				 for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
					 count++;
				 }
			 }
		}
		public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
			AddThread addThread=new AddThread();
			Thread t1=new Thread(addThread);
			t1.start();
			t1.join();
			System.out.println(count);
		}
}

4、yield()

一个线程调用yield()意味着告诉虚拟机可以把自己的位置让给其他线程(这只是暗示，并不表绝对)。但要注意，让出cpu并不代表当前线程不执行了。当前线程让出cpu后，还会进行cpu资源的争夺，但是能不能再次分配到，就不一定了。使用yield()的目的是让相同优先级的线程之间能适当的轮转执行。但是，实际中无法保证yield()达到让步目的，因为让步的线程还有可能被线程调度程序再次选中。

5、volatile

多线程的内存模型：main memory（主存）、working memory（线程栈），在处理数据时，线程会把值从主存load到本地栈，完成操作后再save回去(volatile关键词的作用：每次针对该变量的操作都激发一次load and save)。

针对多线程使用的变量如果不是volatile或者final修饰的，很有可能产生不可预知的结果（另一个线程修改了这个值，但是之后在某线程看到的是修改之前的值）。其实道理上讲同一实例的同一属性本身只有一个副本。但是多线程是会缓存值的，本质上，volatile就是不去缓存，直接取值。在线程安全的情况下加volatile会牺牲性能。

二、线程创建

Java多线程实现方式主要有四种：继承Thread类、实现Runnable接口、实现Callable接口通过FutureTask包装器来创建Thread线程、使用ExecutorService、Callable、Future实现有返回结果的多线程。

其中，其中前两种方式线程执行完后都没有返回值，后两种是带返回值的。

1、继承Thread类创建线程

Thread类本质上是实现了Runnable接口的一个实例，代表一个线程的实例。启动线程的唯一方法就是通过Thread类的start()实例方法。start()方法是一个native方法，它将启动一个新线程，并执行run()方法。这种方式实现多线程很简单，通过自己的类直接extend Thread，并复写run()方法，就可以启动新线程并执行自己定义的run()方法。

public class MyThread extends Thread {
	public void run() {
		System.out.println("MyThread.run()");
	}
	public static void main(String[] args) {
		MyThread myThread1 = new MyThread();
		MyThread myThread2 = new MyThread();
		myThread1.start();
		myThread2.start();
	}
}

2、实现Runnable接口创建线程

如果自己的类已经extends另一个类，就无法直接extends Thread，此时，可以实现一个Runnable接口，代码如下：

public class MyThread implements Runnable {
	public void run() {
		System.out.println("MyThread.run()");
	}
	public static void main(String[] args) {
		MyThread myThread1 = new MyThread();
		MyThread myThread2 = new MyThread();
		myThread1.start();
		myThread2.start();
	}
}

3、实现Callable接口,通过FutureTask包装器创建线程

/**
 * 实现Callable接口创建线程，相较于实现Runnable接口的方式，方法可以有返回值，并且可以抛出异常
 * 执行Callable方式，需要FutureTask实现类的支持，用于接收运算结果
 */
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo td = new ThreadDemo();
         // 执行Callable方式，需要FutureTask实现类的支持，用于接收运算结果
         FutureTask<Integer> result = new FutureTask<>(td);
         new Thread(result).start();

         // 接收线程运算后的结果
         Integer sum;
         try {
             //等所有线程执行完，获取值，因此FutureTask 可用于 闭锁
             sum = result.get();
             System.out.println("-----------------------------");
             System.out.println(sum);
         } catch (Exception e) {
             e.printStackTrace();
         }
    }
}

class ThreadDemo implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i <= 100000; i++) {
            sum += i;
        }
        return sum;
    }
}

4、使用线程池创建返回结果的线程

使用ExecutorService、Callable、Future实现有返回结果的线程,ExecutorService、Callable、Future三个接口实际上都是属于Executor框架。返回结果的线程是在JDK1.5中引入的新特征，有了这种特征可以很方便的得到返回值了,可返回值的任务必须实现Callable接口。类似的，无返回值的任务必须实现Runnable接口。

执行Callable任务后，可以获取一个Future的对象，在该对象上调用get就可以获取到Callable任务返回的Object了。

注意：get方法是阻塞的，即：线程无返回结果，get方法会一直等待。再结合线程池接口ExecutorService就可以实现传说中有返回结果的多线程了。

public class Demo {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
	   System.out.println("----程序开始运行----");
	   Date date1 = new Date();  

	   int taskSize = 5;
	   // 创建一个线程池
	   ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(taskSize);
	   // 创建多个有返回值的任务
	   List<Future> list = new ArrayList<Future>();
	   for (int i = 0; i < taskSize; i++) {
			Callable c = new MyCallable(i + " ");
			// 执行任务并获取Future对象
			Future f = pool.submit(c);
			// System.out.println(">>>" + f.get().toString());
			list.add(f);
	   }
	   // 关闭线程池
	   pool.shutdown();
	   // 获取所有并发任务的运行结果
	   for (Future f : list) {
			// 从Future对象上获取任务的返回值，并输出到控制台
			System.out.println(">>>" + f.get().toString());
	   }
	   Date date2 = new Date();
	   System.out.println("----程序结束运行----，程序运行时间【"+ (date2.getTime() - date1.getTime()) + "毫秒】");
	}
}  

class MyCallable implements Callable<Object> {
	private String taskNum;
	MyCallable(String taskNum) {
	   this.taskNum = taskNum;
	}  

	public Object call() throws Exception {
	   System.out.println(">>>" + taskNum + "任务启动");
	   Date dateTmp1 = new Date();
	   Thread.sleep(1000);
	   Date dateTmp2 = new Date();
	   long time = dateTmp2.getTime() - dateTmp1.getTime();
	   System.out.println(">>>" + taskNum + "任务终止");
	   return taskNum + "任务返回运行结果,当前任务时间【" + time + "毫秒】";
	}
}

运行结果：

----程序开始运行----
>>>0 任务启动
>>>2 任务启动
>>>4 任务启动
>>>1 任务启动
>>>3 任务启动
>>>2 任务终止
>>>4 任务终止
>>>0 任务终止
>>>0 任务返回运行结果,当前任务时间【1000毫秒】
>>>1 任务终止
>>>3 任务终止
>>>1 任务返回运行结果,当前任务时间【1000毫秒】
>>>2 任务返回运行结果,当前任务时间【1000毫秒】
>>>3 任务返回运行结果,当前任务时间【1000毫秒】
>>>4 任务返回运行结果,当前任务时间【1000毫秒】
----程序结束运行----，程序运行时间【1074毫秒】

程序说明：

上述代码中Executors类，提供了一系列工厂方法用于创建线程池，返回的线程池都实现了ExecutorService接口。

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)

创建固定数目线程的线程池。

public static ExecutorService newCachedThreadPool()

创建一个可缓存的线程池，调用execute 将重用以前构造的线程（如果线程可用）。如果现有线程没有可用的，则创建一个新线程并添加到池中。终止并从缓存中移除那些已有 60 秒钟未被使用的线程。

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()

创建一个单线程化的Executor。

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)

创建一个支持定时及周期性的任务执行的线程池，多数情况下可用来替代Timer类。

ExecutoreService提供了submit()方法，传递一个Callable，或Runnable，返回Future。如果Executor后台线程池还没有完成Callable的计算，这调用返回Future对象的get()方法，会阻塞直到计算完成。

本文参考了：

https://www.cnblogs.com/wxd0108/p/5479442.html

https://www.cnblogs.com/Ming8006/p/7243858.html

https://www.cnblogs.com/felixzh/p/6036074.html

https://www.cnblogs.com/ccfdod/p/6396012.html

http://www.cnblogs.com/jijijiefang/articles/7222955.html