Java的多线程及多线程编程

一、线程、进程、多线程的概念

Java 给多线程编程提供了内置的支持。

一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。
进程：一个进程包括由操作系统分配的内存空间，包含一个或多个线程。一个线程不能独立的存在，它必须是进程的一部分。一个进程一直运行，直到所有的非守护线程都结束运行后才能结束。

【注意】区分线程和进程的概念
进程：应用程序的执行实例，有独立的内存空间和系统资源
线程：CPU调度和分派的基本单位，进程中执行运算的最小单位，可完成一个独立的顺序控制流程
进程和线程的关系
（1）一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。
（2）资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。 同一进程中的多个线程共享代码段(代码和常量)，数据段(全局变量和静态变量)，扩展段(堆存储)。但是每个线程拥有自己的栈段，栈段又叫运行时段，用来存放所有局部变量和临时变量。
（3）处理机分给线程，即真正在处理机上运行的是线程。
（4）线程在执行过程中，需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。

多线程是多任务的一种特别的形式，但多线程使用了更小的资源开销。
多线程能满足程序员编写高效率的程序来达到充分利用 CPU 的目的。
【注意】多线程就是分时利用 CPU，宏观上让所有线程一起执行 ，也叫并发。

二、一个线程的生命周期(5种状态)

线程是一个动态执行的过程，它也有一个从产生到死亡的过程。
下图是一个线程完整的生命周期：

新建状态: 使用 new 关键字和 Thread 类或其子类建立一个线程对象后，该线程对象就处于新建状态。它保持这个状态直到程序 start() 这个线程。

就绪状态:当线程对象调用了start()方法之后，该线程就进入就绪状态。就绪状态的线程处于就绪队列中，要等待JVM里线程调度器的调度。

运行状态:如果就绪状态的线程获取 CPU 资源，就可以执行 run()，此时线程便处于运行状态。处于运行状态的线程最为复杂，它可以变为阻塞状态、就绪状态和死亡状态。

阻塞状态:如果一个线程执行了sleep（睡眠）、 suspend（挂起） 等方法，失去所占用资源之后，该线程就从运行状态进入阻塞状态。在睡眠时间已到或获得设备资源后可以重新进入就绪状态。可以分为三种：

1. 等待阻塞：运行状态中的线程执行 wait() 方法，使线程进入到等待阻塞状态。调用wait()，使该线程处于等待池(wait blocked pool),直到notify()/notifyAll()，线程被唤醒被放到锁定池(lock blocked pool )，释放同步锁使线程回到可运行状态（Runnable）。
2. 同步阻塞：线程在获取 synchronized 同步锁失败(因为同步锁被其他线程占用)。对Running状态的线程加同步锁(Synchronized)使其进入(lock blocked pool ),同步锁被释放进入可运行状态(Runnable)。
3. 其他阻塞：通过调用线程的 sleep() 或 join() 发出了 I/O 请求时，线程就会进入到阻塞状态。当sleep() 状态超时，join() 等待线程终止或超时，或者 I/O 处理完毕，线程重新转入就绪状态。

死亡状态:
一个运行状态的线程完成任务或者其他终止条件发生时，该线程就切换到终止状态。

三、线程的优先级

每一个 Java 线程都有一个优先级，这样有助于操作系统确定线程的调度顺序。

Java 线程的优先级是一个整数，其取值范围是 1 （Thread.MIN_PRIORITY ） - 10 （Thread.MAX_PRIORITY ）。

默认情况下，每一个线程都会分配一个优先级 NORM_PRIORITY（5）。

具有较高优先级的线程对程序更重要，并且应该在低优先级的线程之前分配处理器资源。但是，线程优先级不能保证线程执行的顺序，而且非常依赖于平台。

四、创建一个线程

Java 提供了三种创建线程的方法：

1. 通过实现 Runnable接口；
2. 通过继承 Thread 类本身；
3. 通过 Callable 和 Future 创建线程。

(1) 通过实现 Runnable 接口来创建线程

创建一个线程，最简单的方法是创建一个实现 Runnable 接口的类。
为了实现 Runnable，一个类只需要执行一个方法调用 run()，声明如下：

public void run()

可以重写该方法，重要的是理解的 run() 可以调用其他方法，使用其他类，并声明变量，就像主线程一样。
在创建一个实现 Runnable 接口的类之后，你可以在类中实例化一个线程对象。

Thread 定义了几个构造方法，下面的这个是我们经常使用的：

Thread(Runnable threadOb,String threadName);

这里，threadOb 是一个实现 Runnable 接口的类的实例，并且 threadName 指定新线程的名字。

新线程创建之后，你调用它的 start() 方法它才会运行。

void start();

下面是一个创建线程并开始让它执行的实例：

//实例
class RunnableDemo implements Runnable {
   private Thread t;
   private String threadName;
   
   RunnableDemo( String name) {
      threadName = name;
      System.out.println("Creating " +  threadName );
   }
   
   public void run() {
      System.out.println("Running " +  threadName );
      try {
         for(int i = 4; i > 0; i--) {
            System.out.println("Thread: " + threadName + ", " + i);
            // 让线程睡眠一会
            Thread.sleep(50);
         }
      }catch (InterruptedException e) {
         System.out.println("Thread " +  threadName + " interrupted.");
      }
      System.out.println("Thread " +  threadName + " exiting.");
   }
   
   public void start () {
      System.out.println("Starting " +  threadName );
      if (t == null) {
         t = new Thread (this, threadName);
         t.start ();
      }
   }
}
 
public class TestThread {
   public static void main(String args[]) {
      RunnableDemo R1 = new RunnableDemo( "Thread-1");
      R1.start();
      
      RunnableDemo R2 = new RunnableDemo( "Thread-2");
      R2.start();
   }   
}

运行结果如下：

Creating Thread-1
Starting Thread-1
Creating Thread-2
Starting Thread-2
Running Thread-1
Thread: Thread-1, 4
Running Thread-2
Thread: Thread-2, 4
Thread: Thread-1, 3
Thread: Thread-2, 3
Thread: Thread-1, 2
Thread: Thread-2, 2
Thread: Thread-1, 1
Thread: Thread-2, 1
Thread Thread-1 exiting.
Thread Thread-2 exiting.

(2)通过继承Thread来创建线程

创建一个线程的第二种方法是创建一个新的类，该类继承 Thread 类，然后创建一个该类的实例。
继承类必须重写 run() 方法，该方法是新线程的入口点。它也必须调用 start() 方法才能执行。
该方法尽管被列为一种多线程实现方式，但是本质上也是实现了 Runnable 接口的一个实例。

//实例
class ThreadDemo extends Thread {
   private Thread t;
   private String threadName;
   
   ThreadDemo( String name) {
      threadName = name;
      System.out.println("Creating " +  threadName );
   }
   
   public void run() {
      System.out.println("Running " +  threadName );
      try {
         for(int i = 4; i > 0; i--) {
            System.out.println("Thread: " + threadName + ", " + i);
            // 让线程睡眠一会
            Thread.sleep(50);
         }
      }catch (InterruptedException e) {
         System.out.println("Thread " +  threadName + " interrupted.");
      }
      System.out.println("Thread " +  threadName + " exiting.");
   }
   
   public void start () {
      System.out.println("Starting " +  threadName );
      if (t == null) {
         t = new Thread (this, threadName);
         t.start ();
      }
   }
}
 
public class TestThread {
   public static void main(String args[]) {
      ThreadDemo T1 = new ThreadDemo( "Thread-1");
      T1.start();
      
      ThreadDemo T2 = new ThreadDemo( "Thread-2");
      T2.start();
   }   
}

运行结果如下：

Creating Thread-1
Starting Thread-1
Creating Thread-2
Starting Thread-2
Running Thread-1
Thread: Thread-1, 4
Running Thread-2
Thread: Thread-2, 4
Thread: Thread-1, 3
Thread: Thread-2, 3
Thread: Thread-1, 2
Thread: Thread-2, 2
Thread: Thread-1, 1
Thread: Thread-2, 1
Thread Thread-1 exiting.
Thread Thread-2 exiting.

—Thread 方法

下面列出Thread类的一些重要方法：

测试线程是否处于活动状态。 上述方法是被Thread对象调用的。下面的方法是Thread类的静态方法。

实例参考链接：https://www.runoob.com/java/java-multithreading.html

(3)通过 Callable 和 Future 创建线程

1. 创建 Callable 接口的实现类，并实现 call() 方法，该 call() 方法将作为线程执行体，并且有返回值。
2. 创建 Callable 实现类的实例，使用 FutureTask 类来包装 Callable 对象，该 FutureTask 对象封装了该 Callable 对象的 call() 方法的返回值。
3. 使用 FutureTask 对象作为 Thread 对象的 target 创建并启动新线程。
4. 调用 FutureTask 对象的 get() 方法来获得子线程执行结束后的返回值。

//实例
public class CallableThreadTest implements Callable<Integer> {
    public static void main(String[] args)  
    {  
        CallableThreadTest ctt = new CallableThreadTest();  
        FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(ctt);  
        for(int i = 0;i < 100;i++)  
        {  
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 的循环变量i的值"+i);  
            if(i==20)  
            {  
                new Thread(ft,"有返回值的线程").start();  
            }  
        }  
        try  
        {  
            System.out.println("子线程的返回值："+ft.get());  
        } catch (InterruptedException e)  
        {  
            e.printStackTrace();  
        } catch (ExecutionException e)  
        {  
            e.printStackTrace();  
        }  
  
    }
    @Override  
    public Integer call() throws Exception  
    {  
        int i = 0;  
        for(;i<100;i++)  
        {  
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);  
        }  
        return i;  
    }  
}

五、创建线程的三种方式的对比

1. 采用实现 Runnable、Callable 接口的方式创建多线程时，线程类只是实现了 Runnable 接口或 Callable 接口，还可以继承其他类。
2. 使用继承 Thread 类的方式创建多线程时，编写简单，如果需要访问当前线程，则无需使用 Thread.currentThread() 方法，直接使用 this 即可获得当前线程。

六、线程的几个主要概念

在多线程编程时，你需要了解以下几个概念：

1、线程同步：即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作， 其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程又处于等待状态，实现线程同步的方法有很多，临界区对象就是其中一种。
学习链接：
https://blog.csdn.net/ETalien_/article/details/86552623
https://www.cnblogs.com/XHJT/p/3897440.html
https://baike.baidu.com/item/%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E5%90%8C%E6%AD%A5

2、线程间通信：
①同步；②while轮询的方式；③wait/notify机制；④管道通信。
具体内容参考下面第一个链接。
学习链接：
https://www.cnblogs.com/hapjin/p/5492619.html
https://www.jianshu.com/p/9218692cb209
https://blog.csdn.net/z714405489/article/details/82814133

3、线程死锁：
学习链接：
https://blog.csdn.net/ls5718/article/details/51896159
https://www.cnblogs.com/xrq730/p/4853713.html
https://www.jianshu.com/p/68c0fef7b63e

4、线程控制：挂起、停止和恢复

补充一：线程状态

线程共包括以下 5 种状态:

1. 新建状态(New): 线程对象被创建后，就进入了新建状态。例如，Thread thread = new Thread()。生成线程对象，并没有调用该对象的 start 方法，这是线程处于创建状态。
2. 就绪状态(Runnable): 也被称为“可执行状态”。线程对象被创建后，其它线程调用了该对象的start()方法，从而来启动该线程，但是此时线程调度程序还没有把该线程设置为当前线程，此时处于就绪状态。在线程运行之后，从等待或者睡眠中回来之后，也会处于就绪状态。例如，thread.start()。处于就绪状态的线程，随时可能被CPU调度执行。
3. 运行状态(Running): 线程获取CPU权限进行执行。线程调度程序将处于就绪状态的线程设置为当前线程，此时线程就进入了运行状态，开始运行 run 函数当中的代码。需要注意的是，线程只能从就绪状态进入到运行状态。
4. 阻塞状态(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 – 通过调用线程的wait()方法，让线程等待某工作的完成。
   —（2）同步阻塞 – 线程在获取synchronized同步锁失败(因为锁被其它线程所占用)，它会进入同步阻塞状态。
   — （3） 其他阻塞 – 通过调用线程的sleep()或join()或发出了I/O请求时，线程会进入到阻塞状态。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。
   线程正在运行的时候，被暂停，通常是为了等待某个时间的发生(比如说某项资源就绪)之后再继续运行。sleep,suspend，wait 等方法都可以导致线程阻塞。
5. 死亡状态(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。如果一个线程的 run 方法执行结束或者调用 stop 方法后，该线程就会死亡。对于已经死亡的线程，无法再使用 start 方法令其进入就绪。

补充二：Thread类中和start()和run()的区别

每个线程都是通过某个特定 Thread 对象所对应的方法 run() 来完成其操作的，方法 run() 称为线程体。通过调用 Thread 类的 start() 方法来启动一个线程。

先调用 start 后调用 run，这么麻烦，为了不直接调用 run？
因为就是为了实现多线程的优点，没这个 start 不行。

1.start() 方法来启动线程，真正实现了多线程运行。这时无需等待 run 方法体代码执行完毕，可以直接继续执行下面的代码；通过调用 Thread 类的 start() 方法来启动一个线程， 这时此线程是处于就绪状态， 并没有运行。 然后通过此 Thread 类调用方法 run() 来完成其运行操作的， 这里方法 run() 称为线程体，它包含了要执行的这个线程的内容， run 方法运行结束， 此线程终止。然后 CPU 再调度其它线程。
2.run() 方法当作普通方法的方式调用。程序还是要顺序执行，要等待 run 方法体执行完毕后，才可继续执行下面的代码； 程序中只有主线程——这一个线程， 其程序执行路径还是只有一条， 这样就没有达到写线程的目的。

【注意】多线程就是分时利用 CPU，宏观上让所有线程一起执行 ，也叫并发。

补充三：java的多线程，Object类的线程方法

notify() ：通知一个在对象上等待的线程，使其从wait()返回，而返回的前提是该线程获取到了对象的锁。

notifyAll()： 通知所有等待在该对象上的线程。

wait()：调用该方法的线程进入WAITING状态，只有等待另外线程的通知或被中断才会返回，需要注意，调用wait()方法后，会释放对象的锁。

wait(long) ：超时等待一段时间，这里的参数是毫秒，也就是等待长达n毫秒，如果没有通知就超时返回。

wait(long, int) ： 对于超时时间更细粒度的控制，可以达到毫秒。

参考链接：
[1] https://www.runoob.com/java/java-multithreading.html
[2] https://www.cnblogs.com/wxd0108/p/5479442.html