Java-多线程（MultiThreading）超详解析汇总

一、线程的基础概念

程序（Program）： 是完成特定任务、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）： 是程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。是一个动态的过程：有它自身的产生、存在和消亡的过程——生命周期。

• 程序是静态的，进程是动态的。
• 进程作为资源分配的单位，系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域。

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。

• 若一个进程同一时间并行执行多个线程，就是支持多线程的。
• 线程作为调度和执行的单位，每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器（pc），线程切换的开销小。
• 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间—>它们从同一堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全隐患。

并行： 多个CPU同时执行多个任务。（就像多个人同时做不同事情）
并发： 一个CPU（采用时间片）同时执行多个任务。（就像秒杀，多人去抢一个物品）

一个Java.exe程序至少有三个线程：main()，垃圾回收线程gc()，异常处理线程。如果发生异常，会影响主线程。
多线程程序的优点：

1. 提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义，增强用户体验。
2. 提高计算机系统CPU的利用率
3. 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。

那我们何时需要用到多线程呢？

• 程序需要同时执行两个或多个任务。
• 程序需要实现一些需要等待的任务时，如用户输入、文件读写操作、网络操作、搜索等。
• 需要一些后台运行的程序时。

二、线程的创建和使用

Java语言的JVM允许程序运行多个线程，它通过java.lang.Thread类来体现。
Thread类的特性：

• 每个线程都是通过某个特定Thread对象的run()方法来完成操作的，经常把run()方法的主体称为线程体。
• 通过该Thread对象的start()方法来启动这个线程，而非直接调用run()。

1、创建多线程的方式一：继承Thread类

1. 创建一个继承于Thread类的子类
2. 重写Thread类的run()【将此线程执行的操作声明在run()中】
3. 创建Thread类的子类的对象
4. 通过此对象调用start()：①启动当前线程 ②调用当前线程的run()

例子：

class myThread extends Thread{
    
    
    //重写Thread类的run()
    @Override
    public void run() {
    
    
        super.run();
        for (int i = 0; i <100; i++) {
    
    
            if (i % 2 == 0){
    
    
                System.out.println(i);
            }
        }
    }
}

public class ThreadTest {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        //创建Thread类的子类的对象
        myThread t1 = new myThread();
        //通过此对象调用start()：①启动当前线程 ②调用当前线程的run()
        t1.start();

        //问题一：不能通过直接调用run()的方式启动线程
        //t1.run();
        //问题二：不可以让已经start()的线程去执行，否则会报IllegalThreadStateException
//        t1.start();
        //我们需要重新创建一个线程的对象
        myThread t2 = new myThread();
        t2.start();

		//如下操作仍然是在main线程中进行的
        for (int i = 0; i <100; i++) {
    
    
            if (i % 2 == 0){
    
    
                System.out.println(i + "main()");
            }
        }
    }
}

Thread类的常用方法：

• 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
• static Thread currentThread()： 返回当前线程。在Thread子类中是this，通常用于主线程和Runnable实现类。
• static void yield()： 线程让步，释放当前CPU的执行权。①暂停当前正在执行的线程，把执行机会让给优先级相同或更高的线程 ②若队列中没有同优先级的线程，忽略此方法。
• join()： 当某个程序执行流中调用其他线程的join()方法时，调用线程将被阻塞，直到join()方法加入的join线程执行完为止（低优先级的线程也可以获得执行）
• static void sleep(long millis)： （指定时间：毫秒）①令当前活动线程在指定时间段内放弃对CPU控制，使其他线程有机会被执行，时间到后重新排队 ②抛出InterruptedException异常
• sleep(long millitime)： 让当前线程睡眠指定的millitime毫秒。在指定的millitime毫秒时线程的阻塞状态。
• isAlive()： 判断当前线程是否存活
• stop()： 强制线程生命期结束，不推荐使用。
• boolean isAlive()： 返回boolean，判断线程是否还活着。

线程的调度：

• 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
• 线程的优先等级：MAX_PRIORITY:10 MIN_PRIORITY:1 NORM_PRIORITY:5（默认优先级）
• 涉及的方法：getPriority()：返回线程优先值。setPriority(int newPriority)：改变线程的优先级。
• 说明： ①线程创建时继承父线程的优先级 ②低优先级只是获得调度的概率低，并非一定是在高优先级线程之后才被调度 ③高优先级只是从概率上讲，高优先级的线程高概率的情况下被执行，并不能保证肯定执行完。

2、创建多线程的方式二：实现Runnable接口

步骤：

1. 创建一个实现了Runnable接口的类
2. 实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
3. 创建实现类的对象
4. 将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
5. 通过Thread类的对象调用start()【调用了Runnable接口里target的run方法】

两种创建线程方式的比较和联系：

1. 实现的方式没有类的单继承性的局限性。
2. 开发中优先选择实现Runnable接口的方式。
3. 实现的方式更适合来处理多个线程有共享数据的情况。
4. 联系：public class Thread implements Runnable 。
5. 相同点：两种方式都需要重写run()，将线程要执行的逻辑声明在run()中。

3、创建多线程的方式三：实现Callable接口（JDK 5.0新特性）

步骤：

1. 创建一个实现Callable的实现类
2. 实现call方法，将此线程需要执行的操作声明在call()中
3. 创建Callable接口实现类的对象
4. 将此Callable接口实现类的对象作为传递到FutureTask构造器中，创建FutureTask的对象
5. 将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，并调用start()
6. 获取Callable中call方法的返回值

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

/*
 * 创建线程的方式三：实现Callable接口。 ---JDK 5.0新增
 */
public class CallableThread {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        //3.创建Callable接口实现类的对象
        NumThread numThread = new NumThread();
        //4.将此Callable接口实现类的对象作为传递到FutureTask构造器中，创建FutureTask的对象
        FutureTask futureTask = new FutureTask(numThread);
        //5.将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，并调用start()
        new Thread(futureTask).start();

        try {
    
    
            //6.获取Callable中call方法的返回值
            //get()返回值即为FutureTask构造器参数Callable实现类重写的call()的返回值
            Object sum = futureTask.get();
            System.out.println(sum);
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

//1.创建一个实现Callable的实现类
class NumThread implements Callable{
    
    
    //2.实现call方法，将此线程需要执行的操作声明在call()中
    @Override
    public Object call() throws Exception {
    
    
        int sum = 0;
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
    
    
            if (i % 2 == 0){
    
    
                System.out.println(i);
                sum += i;
            }
        }
        //如果不需要返回值直接return null;
        return sum;//自动装箱（返回值为Object的“类”型）
    }
}

与使用Runnable相比，Callable功能更强大些：

• 相比run()方法，可以有返回值
• 方法可以抛出异常
• 支持泛型的返回值
• 需要借助FutureTask类，比如获取返回结果

说到FutureTask，我们先来学习一下Future接口：

• 可以对具体Runnable、Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等。
• FutureTask是Future接口的唯一的实现类
• FutureTask同时实现了Runnable，FutureTask接口。它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值。

为什么实现Callable接口的方式创建多线程比实现Runnable接口创建多线程方式强大呢？

1. call()可以有返回值
2. call()可以抛出异常，被外面的操作捕获，获取异常的信息
3. Callable是支持泛型的

4、创建多线程的方式四：线程池

使用背景： 经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。

思路： 提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。

好处：

• 提高响应速度（减少了创建新线程的世界）
• 降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）
• 便于线程管理（corePoolSize：核心池的大小、maximumPoolSize：最大线程数等等）

4.1线程池相关API：ExecutorService

ExecutorService： 真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor。

• void execute(Runnable command)： 执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable
• Futuresubmit(Callabletask)： 执行任务/命令，有返回值，一般用来执行Callable
• **void shutdown()：**关闭连接池

4.2线程池相关API：Executors

Executors： 工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池

• Executors.newCachedThreadPool()： 创建一个可以根据需要创建新线程的线程池
• Executors.newFixedThreadPool(n)： 创建一个可重用固定线程数的线程池
• Executors.newSingleThreadExecutor()： 创建一个只有一个线程的线程池
• Executors.newScheduledThreadPool(n)： 创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期执行。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;

/*
 *  创建线程的方式四：线程池
 */
public class ThreadPool {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        //1.提供指定线程数量的的线程池
        ExecutorService Service = Executors.newFixedThreadPool(10);
        ThreadPoolExecutor Service1 = (ThreadPoolExecutor)Service;

        //设置属性
        Service1.setCorePoolSize(15);

        //2.执行指定的线程的操作。需要提供实现Runnable接口或Callable接口实现类的对象
        Service.execute(new NumberThread());//适合使用于Runnable
        Service.execute(new NumberThread1());//适合使用于Runnable

//        Service.submit(Callable callable);//适合使用于Callable
        //3.关闭连接池
        Service.shutdown();
    }
}

class NumberThread implements Runnable{
    
    

    @Override
    public void run() {
    
    
        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
    
    
            if (i % 2 == 0){
    
    
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
            }
        }
    }
}

class NumberThread1 implements Runnable{
    
    

    @Override
    public void run() {
    
    
        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
    
    
            if (i % 2 != 0){
    
    
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + i);
            }
        }
    }
}

三、线程的同步

多个线程同时访问一个数据变量，会造成数据不准确、重复、错位等情况，这时我们就需要使用同步代码块来解决线程的安全问题。

1、方式一：同步代码块

	synchronize(同步监视器){
    
    
      //需要被同步的代码
   }

说明：

1. 操作共享数据的代码，即为需要被同步的代码（不能包含过多代码，也不能过少）。
2. 共享数据：多个线程共同操作的变量。
3. 同步监视器，俗称：锁。任何一个类的对象，都可以充当锁。
4. 多个线程必须要用同一把锁。
5. 在实现Runnable接口创建多线程的方式中，我们可以考虑使用this充当同步监视器。（继承Thread类视情况而定）
6. 好处：解决了线程的安全问题
7. 局限性：操作同步代码时，只能有一个线程参与，其他线程等待。相当于是一个单线程的过程，效率低。

2、方式二：同步方法

如果操作共享数据的代码完整的声明在一个方法中，我们不妨将此方法声明同步的。

//非静态方法：
public synchronized void show(){
    
    此时的同步监视器为this
	//需要同步的代码
}

//静态方法：
public static synchronized void show(){
    
    //此时的同步监视器为当期类
	//需要同步的代码
}

关于同步方法的总结：

1. 同步方法仍然涉及到同步监视器，只是不需要我们显式的声明。
2. 非静态的同步方法，同步监视器是：this。
3. 静态的同步方法，同步监视器是：当前类本身。

3、方式三：Lock锁

• 从JDK 5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当。
• java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。 锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对Lock对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象。
• ReentrantLock类实现了Lock，它拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock，可以显式加锁、释放锁。

//1.实例化ReentrantLock
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

try{
    
    
	//2.调用锁定方法lock();
	lock.lock();

	//需要同步的代码

}finally{
    
    
	//调用解锁方法unlock();
	lock.unlock();
}

synchronized 与 Lock 的对比：

• 相同：二者都可以解决线程安全问题
• 不同：synchronized机制在执行完相应的同步代码以后，自动的释放同步监视器；而Lock需要手动的启动同步（Lock()），同时结束同步也需要手动的实现（unLock()）。
• Lock只有代码块锁，而synchronized既有代码块锁，也有方法锁。
• 使用Lock锁，JVM将使用较少的时间来调度线程，性能更好，并且具有更好的扩展性（提供更多的子类）。

4、线程安全的单例设计模式之懒汉式

/*
 *  使用同步机制将单例模式中的懒汉式改写为线程安全的
 */
public class BankTest {
    
    

}

class Bank{
    
    
    private Bank(){
    
    

    }

    private static Bank instance = null;

    public static Bank getInstance() {
    
    
        //方式一：效率稍差
//        synchronized (Bank.class) {
    
    
//            if (instance == null) {
    
    
//                instance = new Bank();
//            }
//            return instance;
//        }
        //方式二：效率较高
        if (instance == null) {
    
    
            synchronized (Bank.class) {
    
    
                if (instance == null) {
    
    
                    instance = new Bank();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

5、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。
• 出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所有的线程都处于阻塞状态，无法继续。

public class DeadLock {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        StringBuffer s1 = new StringBuffer();
        StringBuffer s2 = new StringBuffer();

        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();

        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();
    }
}

解决方法：

• 专门的算法、原则
• 尽量减少同步资源的定义
• 尽量避免嵌套同步

6、线程的通信

• wait()： 一旦执行此方法，当前线程就进入阻塞状态，并释放同步监视器（锁）。
• notify()： 一旦执行此方法，就会唤醒被wait的一个线程。如果有多个线程被wait，就会唤醒优先级高的那个。
• notifyAll()： 一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程。

注意：

1. wait()，notify()，notifyAll()三个方法都必须使用在同步代码块或同步方法中。
2. wait()，notify()，notifyAll()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。否则，会出现IllegalMonitorStateException异常。
3. wait()，notify()，notifyAll()三个方法是定义在java.lang.Object类中。

面试题：sleep() 和 wait() 的异同？

1. 相同点：一旦执行方法，都可以使得当前的线程进入阻塞状态。
2. 不同点：①两个方法声明的位置不同：Thread类中声明sleep()，Object类中声明wait()。②调用的要求不同：sleep()可以在如何需要的场景下调用。wait()必须使用在同步代码块和同步方法内。③关于是否释放同步监视器：如果两个方法都使用在同步代码或同步方法中，sleep()不会释放锁，wait()会释放锁。

四、线程的生命周期

1、JDK中用Thread.State类定义了线程的几种状态：

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，此时它已经具备了运行的条件，只是没分配到CPU资源。
• 运行： 当就绪的线程被调度并获得CPU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或出现异常导致结束。

爆肝。如有差错，欢迎点评。