多线程
程序、进程、线程，是什么？
程序：是为完成特定任务、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：是程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。进程是资源分配的最小单位，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）
线程：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。
1.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；
2.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；
3.一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的隐患。
并行与并发
并行：多个CPU同时执行多个任务。比如：多个人同时做不同的事。
并发：一个CPU(采用时间片)同时执行多个任务。比如：商品秒杀。
JDK1.5之前创建新执行线程有两种方法：
1.继承Thread类的方式
2.实现Runnable接口的方式
方式一：继承Thread类
创建步骤：
- 定义子类继承Thread类。
- 子类中重写Thread类中的run方法。
- 创建Thread子类对象，即创建了线程对象。
- 调用线程对象start方法：启动线程，调用run方法。
代码如下：
class MyThread1 extends Thread{
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if(i % 2 == 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
}
}
public class ThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
MyThread1 myThread1 = new MyThread1();
myThread1.start();
}
}
注意点：
- 如果自己手动调用run()方法，那么就只是普通方法，没有启动多线程模式。
- run()方法由JVM调用，什么时候调用，执行的过程控制都有操作系统的CPU
调度决定。 - 想要启动多线程，必须调用start方法。
- 一个线程对象只能调用一次start()方法启动，如果重复调用了，则将抛出以上
的异常“IllegalThreadStateException”。
方式二：实现Runnable接口
创建步骤：
- 定义子类，实现Runnable接口。
- 子类中重写Runnable接口中的run方法。
- 通过Thread类含参构造器创建线程对象。
- 将Runnable接口的子类对象作为实际参数传递给Thread类的构造器中。
- 调用Thread类的start方法：开启线程，调用Runnable子类接口的run方法。
代码如下：
class MyThread2 implements Runnable{
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if(i % 2 == 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
}
}
public class ThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
MyThread2 myThread2 = new MyThread2();
Thread thread = new Thread(myThread2);
thread .start();
}
}
两种方式的比较
区别：
1.继承Thread：线程代码存放Thread子类run方法中。
2.实现Runnable：线程代码存在接口的子类的run方法。
Runnable实现方式的好处：
1.避免了单继承的局限性
2.多个线程可以共享同一个接口实现类的对象，非常适合多个相同线程
3.程来处理同一份资源。
Thread类的方法
1.start（）:启动当前线程；调用当前线程的run()
2. run（）: 通常需要重写Thread类中的此方法，将创建的线程要执行的操作声明在此方法中
3. currentThread（）:静态方法，返回执行当前代码的线程
4. getName（）:获取当前线程的名字
5. setName（）:设置当前线程的名字
6. yield（）:释放当前cpu的执行权
7. join（）:在线程a中调用线程b的join(),此时线程a就进入阻塞状态，直到线程b完全执行完以后，线程a才结束阻塞状态。
8. stop（）:方法已过时。当执行此方法时，强制结束当前线程。
9. sleep（long millitime）:让当前线程“睡眠”指定的millitime毫秒。在指定的millitime毫秒时间内，当前线程是阻塞状态。
10. isAlive（）：判断当前线程是否存活
线程的优先级：
MAX_PRIORITY：10
MIN _PRIORITY：1
NORM_PRIORITY：5 -->默认优先级
获取和设置当前线程的优先级：
getPriority（）:获取线程的优先级
setPriority（int p）:设置线程的优先级
说明：
高优先级的线程要抢占低优先级线程cpu的执行权。但是只是从概率上讲，高优先级的线程高概率的情况下被执行。并不意味着只有当高优先级的线程执行完以后，低优先级的线程才执行。
线程的生命周期
线程的一个完整的生命周期中通常要经历如下的五种状态：
1.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；
2.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
具备了运行的条件，只是没分配到CPU资源；
3.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；
4.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；
5.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。
线程状态的转换如下图所示：
线程的安全问题
问题描述：
当多条语句在操作同一个线程共享数据时，一个线程对多条语句只执行了一部分，还没有执行完，另一个线程参与进来执行。导致共享数据的错误。
问题代码：两个窗口共同卖票。
代码如下：
class MyThread3 implements Runnable{
private int ticket = 100;
@Override
public void run() {
while (true) {
if (ticket > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
ticket--;
}
else {
break;
}
}
}
}
public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
MyThread3 myThread3 = new MyThread3();
Thread thread1 = new Thread(myThread3);
thread1.setName("线程1");
Thread thread2 = new Thread(myThread3);
thread2.setName("线程2");
thread1.start();
thread2.start();
}
}
运行结果：
线程2:100
线程1:100
线程2:99
线程1:98
线程2:97
线程1:96
...
从上图的运行结果可以看出，多线程之间公用资源会产生错误。
解决方案：使用同步机制
同步机制包括同步代码块和同步方法两部分。
方式一：同步代码块
1.解决实现Runnable接口的线程安全问题
代码如下：
class MyThread3 implements Runnable{
private int ticket = 100;
@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized(this){
if (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ticket);
ticket--;
}
else {
break;
}
}
}
}
}
public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
MyThread3 myThread3 = new MyThread3();
Thread thread1 = new Thread(myThread3);
thread1.setName("线程1");
Thread thread2 = new Thread(myThread3);
thread2.setName("线程2");
thread1.start();
thread2.start();
}
}
运行结果：
线程1:100
线程1:99
线程1:98
线程1:97
...
上述代码同步锁可以使用this，即当前MyThread3对象充当。
2.解决继承Thread类的线程安全问题
代码如下：
class Window2 extends Thread{
private static int ticket = 100;
private static Object obj = new Object();
@Override
public void run() {
while(true){
synchronized (Window2.class){
//Class clazz = Window2.class,Window2.class只会加载一次
//错误的方式：this代表着t1,t2,t3三个对象
if(ticket > 0){
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(getName() + "：卖票，票号为：" + ticket);
ticket--;
}else{
break;
}
}
}
}
}
public class WindowTest2 {
public static void main(String[] args) {
Window2 t1 = new Window2();
Window2 t2 = new Window2();
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t1.start();
t2.start();
}
}
方式二：使用同步方法：
1.解决实现Runnable接口的线程安全问题
代码如下：
class Window3 implements Runnable {
private int ticket = 100;
@Override
public void run() {
while (true) {
show();
}
}
private synchronized void show(){
//同步监视器：this
if (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为：" + ticket);
ticket--;
}
}
}
public class WindowTest3 {
public static void main(String[] args) {
Window3 w = new Window3();
Thread t1 = new Thread(w);
Thread t2 = new Thread(w);
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t1.start();
t2.start();
}
}
2.解决继承Thread类的线程安全问题
代码如下：
class Window4 extends Thread {
private static int ticket = 100;
@Override
public void run() {
while (true) {
show();
}
}
private static synchronized void show(){
//同步监视器：Window4.class
if (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：卖票，票号为：" + ticket);
ticket--;
}
}
}
public class WindowTest4 {
public static void main(String[] args) {
Window4 t1 = new Window4();
Window4 t2 = new Window4();
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t1.start();
t2.start();
}
}
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：类名.class
注意：
1.操作共享数据的代码，即为需要被同步的代码。 -->不能包含代码多了，也不能包含代码少了。
2.共享数据：多个线程共同操作的变量。比如：ticket就是共享数据。
3.同步监视器，俗称：锁。任何一个类的对象，都可以充当锁。
4.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。
要求：多个线程必须要共用同一把锁。
同步的优缺点：
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。
同步的方式，解决了线程的安全问题。
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。 —局限性
应用场景举例
使用同步机制将单例模式中的懒汉式改写为线程安全的
代码如下：
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：效率更高
if(instance == null){
synchronized (Bank.class) {
if(instance == null){
instance = new Bank();
}
}
}
return instance;
}
}
Lock锁实现同步
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。
代码如下：
class Window implements Runnable{
private int ticket = 100;
//1.实例化ReentrantLock
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
while(true){
try{
//2.调用锁定方法lock()
lock.lock();
if(ticket > 0){
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：售票，票号为：" + ticket);
ticket--;
}else{
break;
}
}finally {
//3.调用解锁方法：unlock()
lock.unlock();
}
}
}
}
public class LockTest {
public static void main(String[] args) {
Window w = new Window();
Thread t1 = new Thread(w);
Thread t2 = new Thread(w);
Thread t3 = new Thread(w);
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
synchronized 与 Lock的异同？
- 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，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()）
线程通信
使用两个线程打印 1-100。线程1, 线程2 交替打印
代码如下：
class Number implements Runnable{
private int number = 1;
private Object obj = new Object();
@Override
public void run() {
while(true){
synchronized (obj) {
obj.notify();
if(number <= 100){
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + number);
number++;
try {
//使得调用如下wait()方法的线程进入阻塞状态
obj.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}else{
break;
}
}
}
}
}
public class CommunicationTest {
public static void main(String[] args) {
Number number = new Number();
Thread t1 = new Thread(number);
Thread t2 = new Thread(number);
t1.setName("线程1");
t2.setName("线程2");
t1.start();
t2.start();
}
}
wait() 与 notify() 和 notifyAll()
wait()： 令当前线程挂起并放弃CPU、同步资源并等待，使别的线程可访问并修改共享资源，而当前线程排队等候其他线程调用notify()或notifyAll()方法唤醒，唤醒后等待重新获得对监视器的所有权后才能继续执行。
notify()： 唤醒正在排队等待同步资源的线程中优先级最高者结束等待
notifyAll ()： 唤醒正在排队等待资源的所有线程结束等待.
这三个方法只有在synchronized方法或synchronized代码块中才能使用，否则会报java.lang.IllegalMonitorStateException异常。
因为这三个方法必须有锁对象调用，而任意对象都可以作为synchronized的同步锁，因此这三个方法只能在Object类中声明
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()，因为调用wait方法的是当前类，可能是任意的类，所以wait只能声明在Object中。
2）调用的要求不同： sleep()可以在任何需要的场景下调用。 wait()必须使用在同步代码块或同步方法中
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块或同步方法中，sleep()不会释放锁，wait()会释放锁。
线程通信的经典例题：生产者/消费者问题
生产者(Productor)将产品交给店员(Clerk)，而消费者(Customer)从店员处取走产品，店员一次只能持有固定数量的产品(比如:20），如果生产者试图生产更多的产品，店员会叫生产者停一下，如果店中有空位放产品了再通知生产者继续生产；如果店中没有产品了，店员会告诉消费者等一下，如果店中有产品了再通知消费者来取走产品。
代码如下：
class Clerk {
public int productCount = 1;
public synchronized void consumer(){
if(productCount>0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"消费了第"+productCount+"个产品");
productCount --;
//产品消费了，可以开始生产
notify();
}else{
try {
//产品为零时，不允许消费
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public synchronized void producer(){
if(productCount<20){
productCount ++;
//生产了一个产品，可以被消费，开放线程
notify();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"生产了第"+productCount+"个产品");
}else{
try {
//当生产到20个产品时，停止生产
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
//消费者
class Consumer implements Runnable{
private Clerk clerk;
public Consumer(Clerk clerk) {
this.clerk = clerk;
}
@Override
public void run() {
while(true){
clerk.consumer();
}
}
}
class Producer implements Runnable{
private Clerk clerk;
public Producer(Clerk clerk) {
this.clerk = clerk;
}
@Override
public void run() {
while(true){
clerk.producer();
}
}
}
public class ProductTest{
public static void main(String[] args) {
Clerk clerk = new Clerk();
Thread thread1 = new Thread(new Consumer(clerk));
Thread thread2 = new Thread(new Producer(clerk));
thread1.setName("生产者");
thread2.setName("消费者");
thread1.start();
thread2.start();
}
}
执行结果：
...
消费者消费了第1个产品
生产者生产了第1个产品
生产者生产了第2个产品
消费者消费了第2个产品
消费者消费了第1个产品
生产者生产了第1个产品
生产者生产了第2个产品
消费者消费了第2个产品
消费者消费了第1个产品
生产者生产了第1个产品
...
死锁
死锁产生的原因：
1.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；
2.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
下面演示死锁产生的情形
代码如下：
//死锁的演示
class A {
public synchronized void foo(B b) {
//同步监视器：A类的对象：a
System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
+ " 进入了A实例的foo方法"); // ①
// try {
// Thread.sleep(200);
// } catch (InterruptedException ex) {
// ex.printStackTrace();
// }
System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
+ " 企图调用B实例的last方法"); // ③
b.last();
}
public synchronized void last() {
//同步监视器：A类的对象：a
System.out.println("进入了A类的last方法内部");
}
}
class B {
public synchronized void bar(A a) {
//同步监视器：b
System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
+ " 进入了B实例的bar方法"); // ②
// try {
// Thread.sleep(200);
// } catch (InterruptedException ex) {
// ex.printStackTrace();
// }
System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
+ " 企图调用A实例的last方法"); // ④
a.last();
}
public synchronized void last() {
//同步监视器：b
System.out.println("进入了B类的last方法内部");
}
}
public class DeadLock implements Runnable {
A a = new A();
B b = new B();
public void init() {
Thread.currentThread().setName("主线程");
// 调用a对象的foo方法
a.foo(b);
System.out.println("进入了主线程之后");
}
public void run() {
Thread.currentThread().setName("副线程");
// 调用b对象的bar方法
b.bar(a);
System.out.println("进入了副线程之后");
}
public static void main(String[] args) {
DeadLock dl = new DeadLock();
new Thread(dl).start();
dl.init();
}
}
解决方法：
1.专门的算法、原则
2.尽量减少同步资源的定义
3.尽量避免嵌套同步
创建线程的另外两种方式
在JDK5.0新增线程创建方式：实现Callable接口和线程池
方式三：实现Callable接口
实现步骤：
- 创建一个实现Callable的实现类
- 实现call方法，将此线程需要执行的操作声明在call()中
- 创建Callable接口实现类的对象
- 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
- 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(）
- 获取Callable中call方法的返回值
通过实现Callable创建多线程。
代码如下：
//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;
}
}
return sum;
}
}
public class ThreadNew {
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("总和为：" + sum);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
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
1.call()可以有返回值的。
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
方式四：线程池
实现步骤：
- 提供指定线程数量的线程池
- 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
- 关闭连接池
代码如下：
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);
}
}
}
}
public class ThreadPool {
public static void main(String[] args) {
//1. 提供指定线程数量的线程池
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
ThreadPoolExecutor service1 = (ThreadPoolExecutor) service;
//设置线程池的属性
// System.out.println(service.getClass());
// service1.setCorePoolSize(15);
// service1.setKeepAliveTime();
//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());//适合适用于Runnable
service.execute(new NumberThread1());//适合适用于Runnable
// service.submit(Callable callable);//适合使用于Callable
//3.关闭连接池
service.shutdown();
}
}
使用线程池的好处：
1.提高响应速度（减少了创建新线程的时间）
2.降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）
3.便于线程管理
总结
共有四种方式创建多线程：继承Thread、实现Runnable接口、实现Callable接口以及创建线程池。其中在以后的日常开发中使用最多的就是线程池的方式。