Java多线程与同步机制

Java多线程

基本概念

• 程序：为完成特定任务用某种语言编写的指令的集合，属于一段静态代码。
• 进程：是程序的依次执行过程，正在运行的程序，存在生命周期。进程为资源分配的单位。每个进程在内存中有独占一个方法区和堆空间，被多个线程共享。
• 线程：进程可以进一步细化为线程，是程序内部的一条执行路径。线程作为调度和执行的单位。每个线程拥有独立的虚拟栈空间和程序计数器。
• 一个java应用程序实际上至少有三个线程，main主线程，gc()垃圾回收机制的运行线程，异常处理线程。
• 线程分为两类：用户线程和守护线程。守护线程适用于服务用户线程的。用户线程结束，守护线程也就结束，所以守护线程是依赖于用户线程的。举个例子：java程序中，main是用户线程，垃圾回收就是守护线程。可以利用thread.setDaemon(true)将用户线程变成守护线程。

线程的创建和使用

线程的创建

• 方式一：创建继承Thread类的子类，需要重写父类的run()方法，然后创建子类的对象，通过子类对象调用start()方法（包括采用匿名子类）。

public class MultiThreadingTest1 {
	public static void main(String[] args) {
		MyThread1 myThread = new MyThread1();
		myThread.start();
		//如果直接调用run方法不属于多线程，因为没有开启新线程
		//myThread.run();
		//同一个新线程的对象不能重复start启动，如想重新启动新线程，需要创建一个新的对象
		//myThread.start();//运行报错：java.lang.IllegalThreadStateException
		System.out.println("我是主线程");
		
		//匿名子类写法创建多线程
		new Thread() {
			@Override
			public void run() {
				// 此线程执行需要执行的操作声明在run中
				int sum = 0;
				for (int i = 0; i <= 100; i++) {
					sum += i;
				}
				System.out.println("我是匿名子类新线程");
			}
		}.start();
    }
}
class MyThread1 extends Thread {
	@Override
	public void run() {
		// 此线程执行需要执行的操作声明在run中
		int sum = 0;
		for (int i = 0; i <= 100; i++) {
			sum += i;
		}
		System.out.println("我是新线程");
	}
}

• 方式二：创建实现Runnable的类，实现Runnable中的抽象方法run(),创建类的对象，将此对象传入Thread类的构造器中创建Thread类的对象，调用Thread类的对象的start()方法（包括匿名写法）。

 public class MultiTheadingTest2 {
	public static void main(String[] args) {
		MyThread2 myThread2 = new MyThread2();
		Thread thread = new Thread(myThread2);
		thread.start();
		System.out.println("我是主线程");
		//匿名写法
		new Thread(
				new Runnable() {
					@Override
					public void run() {
						// 此线程执行需要执行的操作声明在run中
						int sum = 0;
						for (int i = 0; i <= 100; i++) {
							sum += i;
						}
						System.out.println("我是匿名新线程");
					}
			}).start();
}
}
class MyThread2 implements Runnable{
	@Override
	public void run() {
		// 此线程执行需要执行的操作声明在run中
				int sum = 0;
				for (int i = 0; i <= 100; i++) {
					sum += i;
				}
				System.out.println("我是新线程");
	}	
}

• 方式三：JDK5.0新特性。实现Callable接口。需要借助Future接口的唯一实现类FutureTask辅助线程的对象创建和返回值获取（FutureTask还实现了Runnable接口），再创建Thread对象，将FutureTask类的对象作为构造器参数传入，完成线程的创建，最后调用start()方法完成线程启动。

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

public class MultiThreadTest3 {
	public static void main(String[] args) {
		MyThread3 myThread3 = new MyThread3();
		FutureTask futureTask = new FutureTask(myThread3);
		Thread thread = new Thread(futureTask);
		thread.start();
		
		try {
			Object sum = futureTask.get();
			//System.out.println(sum);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		} catch (ExecutionException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("我是主线程");

		// 匿名写法
		new Thread(new FutureTask(new Callable() {

			@Override
			public Object call() throws Exception {
				// 此线程执行需要执行的操作声明在call中
				int sum = 0;
				for (int i = 0; i <= 100; i++) {
					sum += i;
				}
				System.out.println("我是匿名新线程");
				return sum;// int类型赋值给Object,自动装箱
			}
		}) ).start();
	}
}

class MyThread3 implements Callable {

	@Override
	public Object call() throws Exception {
		// 此线程执行需要执行的操作声明在call中
		int sum = 0;
		for (int i = 0; i <= 100; i++) {
			sum += i;
		}
		System.out.println("我是新线程");
		return sum;// int类型赋值给Object,自动装箱
	}
}

• 方式四：JDK5.0新特性。使用线程池，提前创建好多个线程放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回线程池中。可以做到提高响应速度（减少线程创建的时间）和降低资源消耗（可重复利用线程）。利用Executors工具类创建线程池，然后提供Runnable(excute())或Callable(submit())接口的实现类的对象，执行指定线程的操作。最后，关闭线程池shutdown()。

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class MultiThreadTest4 {
	public static void main(String[] args) {
		// 利用工具类Executors创建线程池
		ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
		threadPool.submit(new MyThread4());// 适用于实现Callable接口的线程
		threadPool.execute(new MyThread5());// 适用于实现Runnable接口的线程
		threadPool.shutdown();

	}
}

class MyThread4 implements Callable{

	@Override
	public Object call() throws Exception {
		// 此线程执行需要执行的操作声明在call中
		int sum = 0;
		for (int i = 0; i <= 100; i++) {
			sum += i;
		}
		System.out.println("我是CALL新线程");
		return sum;
	}
	
}

class MyThread5 implements Runnable {

	@Override
	public void run() {
		// 此线程执行需要执行的操作声明在call中
		int sum = 0;
		for (int i = 0; i <= 100; i++) {
			sum += i;
		}
		System.out.println("我是RUN新线程");
	}

}

创建线程方式间的比较

JDK5.0前两种方式的比较（继承Thread类与实现Runnable接口）

• 继承方式的弊端：单继承约束下线程只能继承于Thread类，不能继承于其他的类
• 实现方式的优势：天然存在共享数据的情况，不需要将共享的数据设置为静态
• Thread类实际上是Runnable接口的实现类

实现Runnable接口和Callable接口方式的比较

• Runnable接口实现方法需要重写run()，但是run()方法没有返回值，Callable接口实现方式重写Call()方法，可以有返回值；
• Runnable接口实现方法不能抛出异常，只能try-catch捕获异常,Callable接口实现方式可以throws抛出异常;
• Runnable接口实现方法不支持泛型,Callable接口实现方式支持泛型;
• Callable接口实现方式返回值需要借助FutureTask类获取返回值。

线程的常用方法

• 1.start():启动当前线程，自动调用run()方法；
• 2.run():通常需要子类重写，并将新线程需要执行的操作声明在run()方法中；
• 3.currentThread():静态方法，返回当前执行的线程的对象（返回对象类型为Thread）；
• 4.getName():获取当前线程的名称，不设置名称情况下，默认调用Thread的空参构造器Thread-0等等（线程名不等于类名）；
• 5.setName():设置当前线程的名称，Thread.currentThread.setName("")或者 对象名.setName("")；
• 6.yield():静态方法，线程让步，释放当前CPU的执行，可以让多个线程同时竞争资源；
• 7.join():在线程A中调用线程B的join()方法，相当于让线程B直接插入线程A方法中运行（线程A阻塞），直至线程B结束，继续线程A；
• 8.stop():强制结束线程的生命周期，不推荐使用(Deprecated)；
• 9.sleep(long millis):静态方法，毫秒单位，睡眠一段时间之后重新加入CPU资源竞争，睡眠的时候仍然握锁；
• 10.isAlive():判断当前线程是否存活。

线程的优先级

• MAX_PRIORITY：默认线程最高优先级为10
• MIN_PRIORITY：默认线程最低优先级为1
• NORM_PRIORITY：不设置优先级情况下，默认线程优先级为5
• getPriority()：final，获取线程优先级
• setPriority(int):设置线程优先级
• 注：高优先级并不意味着先执行，只是更高概率先抢占资源执行，所以还是存在交替输出的结果。

多线程共享数据

• 使用方式一Thread子类的方式创建对象，需要将共享数据或者锁等设置为静态。
• 使用方式二Runnable接口实现类方法创建多线程，可以不用设置静态。
  经典例子：三个窗口卖票，采用方式一创建多线程，需要将票的总数需要设置为静态。存在线程不安全的问题。

线程的生命周期

JDK中Thread.State枚举类定义了线程的几种状态：

• 新建：当一个Thread类或其子类声明并被创建，新生的线程对象处于新建状态；
• 就绪：新建状态的线程被start()后，进入线程队列等待时间片，但还未分配cpu资源，处于就绪状态；
• 运行：线程被cpu调度进入运行状态；
• 阻塞：在某些特殊情况下，被人为挂起或执行输入输出操作时，线程临时终止自己的执行，进入阻塞状态；
• 死亡：线程完成了所有工作或被提前强制性终止或出现异常导致结束。

线程安全与线程同步

线程安全问题产生原因：当一个线程在执行操作共享数据的多条代码过程中，其他线程也参与了运算，就有可能导致线程安全问题的产生。
解决方案：同步机制。

同步机制

方式一：同步代码块
将共享数据资源的代码块“包”起来，加synchronized关键字和同步锁。

synchronized(同步监视器（锁）){
//需要被同步的代码块
}

说明：

• 操作共享数据的代码即为需要被同步的代码；
• 多个线程共同操作的变量即为共享数据；
• 任何一个类的对象都能作为锁；多个线程必须共用一把锁，比如用方法一创建线程需要设置锁对象为静态。
• 在方式二创建线程中，解决线程安全问题**，锁可以设置为当前对象**，即用关键字this表示，synchronized(this){同步代码块}；
• 在方式一创建线程中，解决线程安全问题，锁可以设置为类.class,即synchronized(继承Thread的子类.class){同步代码块};
• 在操作同步代码块时，只有一个线程参与，其他线程等待，相当于一个单线程的过程，效率低。

方式二：同步方法
如果操作共享数据的代码完整声明在一个方法中，不妨将此方法声明为同步的。

• 在方式一创建线程时，可以直接把操作共享数据的代码封装进一个方法里,并把该方法声明为静态****和同步，即static和synchronized，这里的隐藏同步监视器即为当前类本身,类.class。
• 在方式二创建线程时，可以直接把操作共享数据的代码封装进一个方法里，并把该方法声明为synchronized，这里实际上仍然有隐藏同步监视器存在，即为this。必要情况下，可以直接把run()方法设置为synchronized,但是相当于变成一个单进程过程，共享数据会被第一个进程全部执行。

方式三：同步锁（Lock）

• JDK5.0新特性，同步锁由Lock对象充当。ReentrantLock类实现Lock接口。
• java.util.concurrent.locks.Lock接口：控制多个线程对共享数据资源进行访问的工具。锁提供了对共享数据资源的独占访问，每次只有一个线程对Lock对象加锁，线程开始访问共享数据资源之前需要先获取Lock对象。
• 同样，使用方式一创建线程需要主要lock对象的静态问题。

        ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
		try {
			//加锁
			reentrantLock.lock();
			//需要同步的代码块
		}finally {
			//释放锁
			reentrantLock.unlock();
		}

两大类解决线程安全问题方法的不同之处（synchronized和lock(ReentrantLock)）

• synchronized机制属于在执行完同步代码后，会自动释放锁（隐式锁）；
• Lock机制需要手动的启动和释放锁（显示锁），且只有代码块锁，没有方法锁；

单例模式线程安全问题

单例模式的创建，一般分为两种方式：饿汉式和懒汉式。

• 饿汉式：在还没需要使用对象前，提前在开辟内存空间，创建对象；
• 懒汉式：在需要使用对象的时候，判断是否需要新建对象的时候考虑创建对象；

懒汉式单例设计模式，存在线程安全的问题，有可能多个线程“同时”判断是否需要创建新对象，导致创建的对象个数多于一个。下面代码是两种创建模式的简单代码示例，并直接利用同步方法解决懒汉式单例模式的线程安全问题。

public class singletonTest {
	public static void main(String[] args) {
		Bank bank1 = Bank.getBankInfo();
		School school1 = School.getSchoolInfo();

	}
}

//饿汉式单例模式：没用就直接造好了
 class Bank{
	 //构造器私有化
	 private Bank(){ 
	 } 
	 //内部创建对象
	  private static Bank bank = new Bank();
	  //静态开放方法调用
	  public static Bank getBankInfo() {
		  return bank;
	  }
 }
 
 //懒汉式单例模式：用的时候造,开辟空间
 class School{
	 private School() {
	 }
	 private static School school = null;
	 public static synchronized School getSchoolInfo() {
		 if(school == null) {
			 school = new  School();
		 }
		 return school;
	 }
 }

死锁

不同的线程分别占用对方需要的同步资源（锁）不放弃，都在等待对方放弃同步资源，形成线程的死锁。出现死锁后，不会出现异常，不会有提示信息，只是所有的线程都处于阻塞状态，无法继续。若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

public class ThreadDeadlock {
	public static void main(String[] args) {
		
		StringBuffer s1 = new StringBuffer();
		StringBuffer s2 = new StringBuffer();
		
		//方式一
		new Thread() {
			@Override
			public void run() {
				synchronized (s1) {
					s1.append("a");
					s2.append("1");
					
					try {
						Thread.sleep(100);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					
					synchronized (s2) {
						s1.append("b");
						s2.append("2");
						System.out.println(s1);
						System.out.println(s2);
					}
				}
			};
		}.start();
		
		//方式二
		new Thread(new Runnable(){
			@Override
			public void run() {
				synchronized (s2) {
					s1.append("c");
					s2.append("3");
					
					try {
						Thread.sleep(100);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					
					synchronized (s1) {
						s1.append("d");
						s2.append("4");
						System.out.println(s1);
						System.out.println(s2);
					}
				}
			};	
		}) .start();
		
	}
}

线程通信

线程通信常用方法

• wait():定义在Object类，final,线程进入阻塞状态，释放锁（和sleep不同）；
• notify():定义在Object类，final,唤醒正在等待锁的线程，进入就绪状态（有优先级按优先级，没有随机唤醒一个）；
• notifyAll():定义在Object类，final,唤醒所有正在等待锁的线程；
• 这三种方法只能出现在同步代码块或同步方法里，且不能用在lock里，否则会报错java.lang.IllegalMonitorStateException: current thread not owner。
• 这三个方法的调用者必须是同步代码块或同步方法中的同步监视器，默认情况下是this或者类.class（当前类的对象）

sleep()和wait()的异同？

同：一旦使用，均可使当前线程进入阻塞状态；
异：

• 声明位置不同：sleep()声明在Thread类中，wait()声明在Object类中；
• 调用要求不同：sleep()可以使用在各种需要的地方，而wait()只能用在同步代码块或同步方法里；
• sleep()使用不释放锁，而wait()使用后会释放锁。

线程通信经典案例：生产者消费者问题

/*
 * 线程通信经典问题：生产者与消费者
 * 生产者生产产品给店员，消费者从店员消费产品，店员一次只能固定最多持有一定数量的产品（比如：20件），
 * 当店员满额产品，生产者试图多生产产品时，店员会让生产者停一停；
 * 当店员产品不足，消费者试图继续消费时，店员会让消费者等一等；
 * */
public class ThreadCommExe {
	public static void main(String[] args) {
		Clerk clerk = new Clerk();
		Productor productor = new Productor(clerk);
		Customer customer = new Customer(clerk);
		Thread threadp = new Thread(productor);
		Thread threadc = new Thread(customer);
		threadp.setName("生产者线程1");
		threadc.setName("消费者线程1");
		threadp.start();
		threadc.start();
	}
}

//店员实际上是共享资源，生产者与消费者两个线程需要判断店员的存货情况
class Clerk {
	private int productCount = 0;

	public synchronized void prodeceRespone() {
		if(productCount<20) {
			productCount++;
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在生产第"+productCount+"件产品");
			notify();
		}else {
			try {
				wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}

	public synchronized void customeRespone() {
		if(productCount>0) {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在消费第"+productCount+"件产品");
			productCount--;
			notify();
		}else {
			try {
				wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

//生产者线程
class Productor implements Runnable {
	private Clerk clerk;

	public Productor(Clerk clerk) {
		this.clerk = clerk;
	}

	@Override
	public void run() {
		System.out.println("疯狂生产中......");
		while(true) {
			clerk.prodeceRespone();
		}
	}
}

//消费者线程
class Customer implements Runnable {
	private Clerk clerk;

	public Customer(Clerk clerk) {
		this.clerk = clerk;
	}

	@Override
	public void run() {
		System.out.println("疯狂消费中......");
		while(true){
			clerk.customeRespone();
		}
	}
}

注意事项

• 单元测试需要特殊设置，不然不支持多线程验证。如果采用单元测试测试多线程，可能出现新线程执行不完整的情况，因为单元测试在main线程执行完之后自动System.exit()关闭java虚拟机，导致新线程无法继续执行

Quiet and Quick, Salute!