java——多线程基础知识整理

其他 2018-08-05 10:00:26 阅读次数: 0

概念

  • 进程与线程：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。
  • 多线程：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。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。
  • 一个线程的生命周期：这里写图片描述
    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：
      • 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。
      • 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)。
      • 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。
当需要新起一个线程来执行某个子任务时，就创建了一个线程。但是线程创建之后，不会立即进入就绪状态，因为线程的运行需要一些条件（比如内存资源，在前面的JVM内存区域划分一篇博文中知道程序计数器、Java栈、本地方法栈都是线程私有的，所以需要为线程分配一定的内存空间），只有线程运行需要的所有条件满足了，才进入就绪状态。

当线程进入就绪状态后，不代表立刻就能获取CPU执行时间，也许此时CPU正在执行其他的事情，因此它要等待。当得到CPU执行时间之后，线程便真正进入运行状态。

线程在运行状态过程中，可能有多个原因导致当前线程不继续运行下去，比如用户主动让线程睡眠（睡眠一定的时间之后再重新执行）、用户主动让线程等待，或者被同步块给阻塞，此时就对应着多个状态：time waiting（睡眠或等待一定的事件）、waiting（等待被唤醒）、blocked（阻塞）。

当由于突然中断或者子任务执行完毕，线程就会被消亡。
  • 线程优先级：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。

线程的实现

  • 继承Thread类
    在java.lang包中定义, 继承Thread类必须重写run()方法
class MyThread extends Thread{
    private static int num = 0;

    public MyThread(){
        num++;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("主动创建的第"+num+"个线程");
    }
}

创建好了自己的线程类之后，就可以创建线程对象了，然后通过start()方法去启动线程。注意，不是调用run()方法启动线程，run方法中只是定义需要执行的任务，如果调用run方法，即相当于在主线程中执行run方法，跟普通的方法调用没有任何区别，此时并不会创建一个新的线程来执行定义的任务。
为了分清start()方法调用和run()方法调用的区别，请看下面一个例子：

public class Test {
    public static void main(String[] args)  {
        System.out.println("主线程ID:"+Thread.currentThread().getId());
        MyThread thread1 = new MyThread("thread1");
        thread1.start();
        MyThread thread2 = new MyThread("thread2");
        thread2.run();
    }
}

class MyThread extends Thread{
    private String name;

    public MyThread(String name){
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("name:"+name+" 子线程ID:"+Thread.currentThread().getId());
    }
}

运行结果：
这里写图片描述
从输出结果可以得出以下结论：

1）thread1和thread2的线程ID不同，thread2和主线程ID相同，说明通过run方法调用并不会创建新的线程，而是在主线程中直接运行run方法，跟普通的方法调用没有任何区别；

2）虽然thread1的start方法调用在thread2的run方法前面调用，但是先输出的是thread2的run方法调用的相关信息，说明新线程创建的过程不会阻塞主线程的后续执行。

  • 实现Runnable接口
    在Java中创建线程除了继承Thread类之外，还可以通过实现Runnable接口来实现类似的功能。实现Runnable接口必须重写其run方法。
public class Test {
    public static void main(String[] args)  {
        System.out.println("主线程ID："+Thread.currentThread().getId());
        MyRunnable runnable = new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(runnable);
        thread.start();
    }
} 
class MyRunnable implements Runnable{
    public MyRunnable() {
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("子线程ID："+Thread.currentThread().getId());
    }
}

Runnable的中文意思是“任务”，顾名思义，通过实现Runnable接口，我们定义了一个子任务，然后将子任务交由Thread去执行。注意，这种方式必须将Runnable作为Thread类的参数，然后通过Thread的start方法来创建一个新线程来执行该子任务。如果调用Runnable的run方法的话，是不会创建新线程的，这根普通的方法调用没有任何区别。

事实上，查看Thread类的实现源代码会发现Thread类是实现了Runnable接口的。

在Java中，这2种方式都可以用来创建线程去执行子任务，具体选择哪一种方式要看自己的需求。直接继承Thread类的话，可能比实现Runnable接口看起来更加简洁，但是由于Java只允许单继承，所以如果自定义类需要继承其他类，则只能选择实现Runnable接口。

  • 使用ExecutorService、Callable、Future实现有返回结果的多线程
    多线程后续会学到，这里暂时先知道一下有这种方法即可。
    ExecutorService、Callable、Future这个对象实际上都是属于Executor框架中的功能类。想要详细了解Executor框架的可以访问http://www.javaeye.com/topic/366591 ，这里面对该框架做了很详细的解释。
    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，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。下面提供了一个完整的有返回结果的多线程测试例子，在JDK1.5下验证过没问题可以直接使用。代码如下：
/**
* 有返回值的线程 
*/ 
@SuppressWarnings("unchecked")  
public class Test {  
public static void main(String[] args) throws ExecutionException,  
    InterruptedException {  
   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】";  
}
}

上下文切换

对于单核CPU来说（对于多核CPU，此处就理解为一个核），CPU在一个时刻只能运行一个线程，当在运行一个线程的过程中转去运行另外一个线程，这个叫做线程上下文切换（对于进程也是类似）。

由于可能当前线程的任务并没有执行完毕，所以在切换时需要保存线程的运行状态，以便下次重新切换回来时能够继续切换之前的状态运行。举个简单的例子：比如一个线程A正在读取一个文件的内容，正读到文件的一半，此时需要暂停线程A，转去执行线程B，当再次切换回来执行线程A的时候，我们不希望线程A又从文件的开头来读取。

因此需要记录线程A的运行状态，那么会记录哪些数据呢？因为下次恢复时需要知道在这之前当前线程已经执行到哪条指令了，所以需要记录程序计数器的值，另外比如说线程正在进行某个计算的时候被挂起了，那么下次继续执行的时候需要知道之前挂起时变量的值时多少，因此需要记录CPU寄存器的状态。所以一般来说，线程上下文切换过程中会记录程序计数器、CPU寄存器状态等数据。

说简单点的：对于线程的上下文切换实际上就是 存储和恢复CPU状态的过程，它使得线程执行能够从中断点恢复执行。

虽然多线程可以使得任务执行的效率得到提升，但是由于在线程切换时同样会带来一定的开销代价，并且多个线程会导致系统资源占用的增加，所以在进行多线程编程时要注意这些因素。

线程的常用方法

这里写图片描述
静态方法

  • currentThread()方法
    currentThread()方法可以返回代码段正在被哪个线程调用的信息。
public class Run1{
    public static void main(String[] args){                 
    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}
  • sleep()方法
    方法sleep()的作用是在指定的毫秒数内让当前“正在执行的线程”休眠（暂停执行）。这个“正在执行的线程”是指this.currentThread()返回的线程。
    sleep方法有两个重载版本：
sleep(long millis)     //参数为毫秒
sleep(long millis,int nanoseconds)    //第一参数为毫秒，第二个参数为纳秒

sleep相当于让线程睡眠，交出CPU，让CPU去执行其他的任务。
但是有一点要非常注意，sleep方法不会释放锁，也就是说如果当前线程持有对某个对象的锁，则即使调用sleep方法，其他线程也无法访问这个对象。看下面这个例子就清楚了：

public class Test1 {

     private int i = 10;
        private Object object = new Object();

        public static void main(String[] args) throws IOException  {
            Test1 test1 = new Test1();
            MyThread thread1 = test1.new MyThread();
            MyThread thread2 = test1.new MyThread();

            System.out.println("主方法的线程 "+Thread.currentThread().getName()+"的id是"+Thread.currentThread().getId());

            System.out.println(thread1.getName()+"的id是"+thread1.getId());
            thread1.start();

            System.out.println(thread2.getName()+"的id是"+thread2.getId());
            thread2.start();

        } 

        class MyThread extends Thread{
            @Override
            public void run() {
                synchronized (object) {
                    i++;
                    System.out.println("i:"+i);
                    try {
                        System.out.println("线程 id 为:"+Thread.currentThread().getId()+"的线程"+Thread.currentThread().getName()+"进入睡眠状态");
                        Thread.currentThread().sleep(10000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO: handle exception
                    }
                    System.out.println("线程 id 为:"+Thread.currentThread().getId()+"的线程"+Thread.currentThread().getName()+"睡眠结束");
                    i++;
                    System.out.println("i:"+i);

                }


            }
        }
}

输出：
这里写图片描述
对比不加锁代码

public class Test {

     private int i = 10;
        private Object object = new Object();

        public static void main(String[] args) throws IOException  {
            Test test = new Test();
            MyThread thread1 = test.new MyThread();
            MyThread thread2 = test.new MyThread();

            System.out.println("主方法的线程 "+Thread.currentThread().getName()+"的id是"+Thread.currentThread().getId());

            System.out.println(thread1.getName()+"的id是"+thread1.getId());
            thread1.start();

            System.out.println(thread2.getName()+"的id是"+thread2.getId());
            thread2.start();

        } 

        class MyThread extends Thread{
            @Override
            public void run() {

                    i++;
                    System.out.println("i:"+i);
                    try {
                        System.out.println("线程 id 为:"+Thread.currentThread().getId()+"的线程"+Thread.currentThread().getName()+"进入睡眠状态");
                        Thread.currentThread().sleep(10000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO: handle exception
                    }
                    System.out.println("线程 id 为:"+Thread.currentThread().getId()+"的线程"+Thread.currentThread().getName()+"睡眠结束");
                    i++;
                    System.out.println("i:"+i);

            }
        }
}

输出：
这里写图片描述

从上面输出结果可以看出，当Thread-0进入睡眠状态之后，Thread-1并没有去执行具体的任务。只有当Thread-0执行完之后，此时Thread-0释放了对象锁，Thread-1才开始执行。
我写的这个锁，是否就是thread-1无法访问此同步锁，因为已经被thread-0占用，所以进入了锁池？

注意，如果调用了sleep方法，必须捕获InterruptedException异常或者将该异常向上层抛出。当线程睡眠时间满后，不一定会立即得到执行，因为此时可能CPU正在执行其他的任务。所以说调用sleep方法相当于让线程进入阻塞状态。

  • yield()方法
    调用yield方法会让当前线程交出CPU权限，让CPU去执行其他的线程。它跟sleep方法类似，同样不会释放锁。但是yield不能控制具体的交出CPU的时间，另外，yield方法只能让拥有相同优先级的线程有获取CPU执行时间的机会。
    注意，调用yield方法并不会让线程进入阻塞状态，而是让线程重回就绪状态，它只需要等待重新获取CPU执行时间，这一点是和sleep方法不一样的。
public class yield {


    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo2 demo = new ThreadDemo2();
        Thread thread = new Thread(demo, "花花");
        Thread thread1 = new Thread(demo, "草草");
        thread.start();
        thread1.start();
    }
}


class ThreadDemo2 implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            if (i == 3) {
                System.out.println("当前的线程是     " + Thread.currentThread().getName());
                Thread.currentThread().yield();
            }
            System.out.println("执行的是    " + Thread.currentThread().getName());
        }

    }

}

输出

执行的是    草草
执行的是    花花
执行的是    花花
执行的是    花花
当前的线程是     花花//yield后礼让了
执行的是    草草
执行的是    草草
当前的线程是     草草//yield后礼让了
执行的是    花花
执行的是    花花
执行的是    草草
执行的是    草草

主要注意yield不控制具体交出cpu的时间，不能控制cpu交给哪个线程（包括自己）完全随机

对象方法
- start()方法
start()用来启动一个线程，当调用start方法后，系统才会开启一个新的线程来执行用户定义的子任务，在这个过程中，会为相应的线程分配需要的资源。
- run()方法
run()方法是不需要用户来调用的，当通过start方法启动一个线程之后，当线程获得了CPU执行时间，便进入run方法体去执行具体的任务。注意，继承Thread类必须重写run方法，在run方法中定义具体要执行的任务。
- getId()
getId()的作用是取得线程的唯一标识
- isAlive()方法
方法isAlive()的功能是判断当前线程是否处于活动状态
- join()方法
在很多情况下，主线程创建并启动了线程，如果子线程中要进行大量耗时运算，主线程往往将早于子线程结束之前结束。这时，如果主线程想等待子线程执行完成之后再结束，比如子线程处理一个数据，主线程要取得这个数据中的值，就要用到join()方法了。方法join()的作用是等待线程对象销毁。
代码

public class Thread4 extends Thread{
    public Thread4(String name) {
        super(name);
    }
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(getName() + "  " + i);
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 启动子进程
        new Thread4("new thread").start();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if (i == 5) {
                Thread4 th = new Thread4("joined thread");
                th.start();
                th.join();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  " + i);
        }
    }
}

执行结果：

main  0
main  1
main  2
main  3
main  4
new thread  0
new thread  1
new thread  2
new thread  3
new thread  4
joined thread  0
joined thread  1
joined thread  2
joined thread  3
joined thread  4
main  5
main  6
main  7
main  8
main  9

由上可以看出main主线程等待joined thread线程先执行完了才结束的。如果把th.join()这行注释掉，运行结果如下：

main  0
main  1
main  2
main  3
main  4
main  5
main  6
main  7
main  8
main  9
new thread  0
new thread  1
new thread  2
new thread  3
new thread  4
joined thread  0
joined thread  1
joined thread  2
joined thread  3
joined thread  4
  • getName和setName
    用来得到或者设置线程名称。
  • getPriority和setPriority
    用来获取和设置线程优先级。
  • setDaemon和isDaemon
    用来设置线程是否成为守护线程和判断线程是否是守护线程。
    守护线程和用户线程的区别在于：守护线程依赖于创建它的线程，而用户线程则不依赖。举个简单的例子：如果在main线程中创建了一个守护线程，当main方法运行完毕之后，守护线程也会随着消亡。而用户线程则不会，用户线程会一直运行直到其运行完毕。在JVM中，像垃圾收集器线程就是守护线程。

在上面已经说到了Thread类中的大部分方法，那么Thread类中的方法调用到底会引起线程状态发生怎样的变化呢？请看下面一幅图：
这里写图片描述
停止线程
停止线程是在多线程开发时很重要的技术点，掌握此技术可以对线程的停止进行有效的处理。停止一个线程可以使用Thread.stop()方法，但最好不用它。该方法是不安全的，已被弃用。在Java中有以下3种方法可以终止正在运行的线程：

  • 使用退出标志，使线程正常退出，也就是当run方法完成后线程终止
  • 使用stop方法强行终止线程，但是不推荐使用这个方法，因为stop和suspend及resume一样，都是作废过期的方法，使用他们可能产生不可预料的结果。
  • 使用interrupt方法中断线程，但这个不会终止一个正在运行的线程，还需要加入一个判断才可以完成线程的停止。

暂停线程
interrupt()方法

线程的优先级
在操作系统中，线程可以划分优先级，优先级较高的线程得到的CPU资源较多，也就是CPU优先执行优先级较高的线程对象中的任务。
设置线程优先级有助于帮“线程规划器”确定在下一次选择哪一个线程来优先执行。
设置线程的优先级使用setPriority()方法，此方法在JDK的源码如下：

public final void setPriority(int newPriority) {
        ThreadGroup g;
        checkAccess();
        if (newPriority > MAX_PRIORITY || newPriority < MIN_PRIORITY) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        if((g = getThreadGroup()) != null) {
            if (newPriority > g.getMaxPriority()) {
                newPriority = g.getMaxPriority();
            }
            setPriority0(priority = newPriority);
        }
    }

代码：就是判断下设置的级别是否超出范围，在Java中，线程的优先级分为1~10这10个等级，如果小于1或大于10，则JDK抛出异常throw new IllegalArgumentException()。
JDK中使用3个常量来预置定义优先级的值，代码如下：

public final static int MIN_PRIORITY = 1;
public final static int NORM_PRIORITY = 5;
public final static int MAX_PRIORITY = 10;

线程优先级特性：

继承性
比如A线程启动B线程，则B线程的优先级与A是一样的。
规则性
高优先级的线程总是大部分先执行完，但不代表高优先级线程全部先执行完。
随机性
优先级较高的线程不一定每一次都先执行完。

守护线程
在Java线程中有两种线程，一种是User Thread（用户线程），另一种是Daemon Thread(守护线程)。
Daemon的作用是为其他线程的运行提供服务，比如说GC线程。其实User Thread线程和Daemon Thread守护线程本质上来说去没啥区别的，唯一的区别之处就在虚拟机的离开：如果User Thread全部撤离，那么Daemon Thread也就没啥线程好服务的了，所以虚拟机也就退出了。

守护线程并非虚拟机内部可以提供，用户也可以自行的设定守护线程，方法：public final void setDaemon(boolean on) ；但是有几点需要注意：

  • thread.setDaemon(true)必须在thread.start()之前设置，否则会跑出一个IllegalThreadStateException异常。你不能把正在运行的常规线程设置为守护线程。 （备注：这点与守护进程有着明显的区别，守护进程是创建后，让进程摆脱原会话的控制+让进程摆脱原进程组的控制+让进程摆脱原控制终端的控制；所以说寄托于虚拟机的语言机制跟系统级语言有着本质上面的区别）
  • 在Daemon线程中产生的新线程也是Daemon的。 （这一点又是有着本质的区别了：守护进程fork()出来的子进程不再是守护进程，尽管它把父进程的进程相关信息复制过去了，但是子进程的进程的父进程不是init进程，所谓的守护进程本质上说就是“父进程挂掉，init收养，然后文件0,1,2都是/dev/null，当前目录到/”）
  • 不是所有的应用都可以分配给Daemon线程来进行服务，比如读写操作或者计算逻辑。因为在Daemon Thread还没来的及进行操作时，虚拟机可能已经退出了。
  • 以上几点不是很理解

同步与死锁
- 同步代码块
在代码块上加上”synchronized”关键字，则此代码块就称为同步代码块
- 同步代码块格式

synchronized(同步对象){
 需要同步的代码块;

  • 同步方法
    除了代码块可以同步，方法也是可以同步的

  • 方法同步格式
    synchronized后续会单独来学习。(●’◡’●)

参考

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转载自blog.csdn.net/weixin_38719347/article/details/81134454
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