Java并发与多线程（2）:线程、同步

一、线程

1、多线程原理

我们已经写过一版多线程的代码，那么我们今天来体现一下多线程程序的执行原理。
代码如下：

/**
 * 自定义一个线程类extends Thread
 * @author Mango
 */
public class MainThread extends Thread{

    /**
     * 利用继承的特点将 线程名字 设置
     * @param name
     */
    MainThread(String name) {
        super(name);
    }

    /**
     * 重写的run方法，线程要执行的语句
     */
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            //getName()来自Thread
            System.out.println(getName() + "：正在执行！"+ i);
        }
    }

}

/**
 * 测试类
 * @author Mango
 */
public class Dome1 {

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("这里是Main线程");
        
        MainThread mainThread = new MainThread("新线程");

        //开启一个新线程
        mainThread.start();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("main线程" + i);
        }
    }
}

程序启动运行main时候，JVM启动一个进程，主线程main在main()调用时候被创建。随着调用mainThread的对象的start方法，另外一个新的线程也启动了，这样，整个应用就在多线程下运行。

多线程的执行流程，那么为什么可以完成并发执行呢？我们再来讲一讲原理。
多线程执行时，到底在内存中是如何运行的呢？以上个程序为例，进行图解说明：

多线程执行时，在栈内存中，其实每一个执行线程都有一片自己所属的栈内存空间。进行方法的压栈和弹栈。

当执行线程的任务结束了，线程自动在栈内存中释放了。但是当所有的执行线程都结束了，那么进程就结束了。

2、Thread类

API中该类中定义了有关线程的一些方法，具体如下：
（1）构造方法：

public Thread() :分配一个新的线程对象。
public Thread(String name) :分配一个指定名字的新的线程对象。
public Thread(Runnable target) :分配一个带有指定目标新的线程对象。
public Thread(Runnable target,String name) :分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。

（2）常用方法：

public String getName() :获取当前线程名称。
public void start() :导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法。
public void run() :此线程要执行的任务在此处定义代码。
public static void sleep(long millis) :使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停（暂时停止执行）。
public static Thread currentThread() :返回对当前正在执行的线程对象的引用。

创建线程的方式总共有两种，一种是继承Thread类方式，一种是实现Runnable接口方式。
方式一已经明白，接下来讲解方式二实现的方式。

3、Runnable创建线程

采用java.lang.Runnable （通过实现runnable接口，来作为参数传递）也是非常常见的一种，我们只需要重写run方法即可。

/**
 * 创建一个Runnable接口的实现类
 * @author Mango
 */
public class DomeRunnable implements Runnable {

    /**
     * 重写接口的run方法，设置线程任务
     */
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->" + i );
        }
    }
}

/**
 * 测试类
 * @author Mango
 */
public class Dome1 {

    public static void main(String[] args) {

        //创建一个Runnable接口实现类对象
        DomeRunnable runnable = new DomeRunnable();

        //采用传递runnable的构造方法创建
        Thread thread = new Thread(runnable);

        //开启新的线程run方法
        thread.start();

        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->" + i );
        }
    }
}

通过实现Runnable接口，使得该类有了多线程类的特征。run()方法是多线程程序的一个执行目标。所有的多线程代码都在run方法里面。Thread类实际上也是实现了Runnable接口的类。

在启动的多线程的时候，需要先通过Thread类的构造方法Thread(Runnable target) 构造出对象，然后调用Thread对象的start()方法来运行多线程代码。

实际上所有的多线程代码都是通过运行Thread的start()方法来运行的。因此，不管是继承Thread类还是实现Runnable接口来实现多线程，最终还是通过Thread的对象的API来控制线程的，熟悉Thread类的API是进行多线程编程的基础。

tips:Runnable对象仅仅作为Thread对象的target，Runnable实现类里包含的run()方法仅作为线程执行体。而实际的线程对象依然是Thread实例，只是该Thread线程负责执行其target的run()方法。

4、Thread和Runnable的区别

如果一个类继承Thread，则不适合资源共享。但是如果实现了Runable接口的话，则很容易的实现资源共享。

实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势：

1. 适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。
2. 可以避免java中的单继承的局限性。
3. 增加程序的健壮性，实现解耦操作，代码可以被多个线程共享（作参数被多个thread调用），代码和线程独立。
4. 线程池只能放入实现Runable或Callable类线程，不能直接放入继承Thread的类。

扩充：在java中，每次程序运行至少启动2个线程。一个是main线程，一个是垃圾收集线程。因为每当使用
java命令执行一个类的时候，实际上都会启动一个JVM，每一个JVM其实在就是在操作系统中启动了一个进
程。

二、线程安全

1、线程安全

如果有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样
的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

我们通过一个案例，实现多个窗口同时卖电影票。演示线程的安全问题：

（1）需要票，Runnable接口子类来模拟

/**
 * 模拟票
 * @author Mango
 */
public class Ticket implements Runnable {
	//线程共享的数据
    private int ticket = 100;

    /**
     * 卖票操作
     */
    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            if(ticket > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(100);

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println(name + "正在卖" + ticket--);
            }
        }
    }
}

（2）需要窗口，采用线程对象来模拟；

/**
 * 测试类
 * @author Mango
 */
public class Dome1 {

    public static void main(String[] args) {

        Ticket ticket = new Ticket();
		//同时开启线程，执行run方法
        Thread t1 = new Thread(ticket,"窗口1");
        Thread t2 = new Thread(ticket,"窗口2");
        Thread t3 = new Thread(ticket,"窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

结果中有一部分这样现象，发现程序出现了两个问题：

1. 相同的票数,比如5这张票被卖了两回。
2. 不存在的票，比如0票与-1票，是不存在的。

这种问题，几个窗口(线程)票数不同步了，这种问题称为线程不安全。

线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

2、线程同步

当我们使用多个线程访问同一资源的时候，且多个线程中对资源有写的操作，就容易出现线程安全问题。

要解决上述多线程并发访问一个资源（ticket）的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题，Java中提供了同步机制(synchronized) 来解决。

也就是说在某个线程修改共享资源的时候，其他线程不能修改该资源，等待修改完毕同步之后，才能去抢夺CPU
资源，完成对应的操作，保证了数据的同步性，解决了线程不安全的现象。为了保证每个线程都能正常执行原子操作,Java引入了线程同步机制。

有三种方式完成同步操作：

1. 同步代码块。
2. 同步方法。
3. 锁机制。

3、同步代码块

synchronized 关键字可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。
格式:

//同步代码块
 synchronized (lock) {
     if(ticket > 0) {
     try {
         Thread.sleep(100);

     } catch (InterruptedException e) {
         e.printStackTrace();
     }
     String name = Thread.currentThread().getName();
     System.out.println(name + "正在卖" + ticket--);
 }
 }

同步锁:
对象的同步锁只是一个概念,可以想象为在对象上标记了一个锁.

1. 锁对象 可以是任意类型。
   2. 多个线程对象 要使用同一把锁。

注意:在任何时候,最多允许一个线程拥有同步锁,谁拿到锁就进入代码块,其他的线程只能在外等着(BLOCKED)。

使用同步代码块解决代码：

/**
 * 模拟票
 * @author Mango
 */
public class Ticket implements Runnable {

    /**
     * 多线程共享数据
     */
    private int ticket = 100;

    //创建一个锁对象
    Object lock = new Object();


    /**
     * 卖票操作
     */
    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            //同步代码块
            synchronized (lock) {
                if(ticket > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(100);

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println(name + "正在卖" + ticket--);
            }
            }
        }
    }
}

4、同步方法

同步方法:使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。
格式：

public synchronized void method(){
	可能会产生线程安全问题的代码
}

同步锁是谁?
对于非static方法,同步锁就是this。
对于static方法,我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。

/**
 * 模拟票
 * @author Mango
 */
public class Ticket implements Runnable {

    /**
     * 多线程共享数据
     */
    private int ticket = 100;

    /**
     * 卖票操作
     */
    @Override
    public void run() {
        while(true) {
           sellTicket();
        }
    }

    /**
     * 谁调用这个方法就是锁对象
     * 隐含锁对象就是这个this
     */
    public synchronized void sellTicket() {
         //同步方法
        if(ticket > 0) {
            try {
                Thread.sleep(100);

            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name + "正在卖" + ticket--);
        }

    }
}

5、Lock锁（常用）

java.util.concurrent.locks.Lock 机制提供了比synchronized代码块和synchronized方法更广泛的锁定操作,同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有,除此之外更强大,更体现面向对象。

Lock锁也称同步锁，加锁与释放锁 方法化了，如下：
public void lock() :加同步锁。
public void unlock() :释放同步锁。

/**
 * 模拟票
 * @author Mango
 */
public class Ticket implements Runnable {

    /**
     * 多线程共享数据
     */
    private int ticket = 100;

    //创建一个lock锁对象
    Lock lock = new ReentrantLock();


    /**
     * 卖票操作
     */
    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            lock.lock();
            //同步方法
            if(ticket > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(100);

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println(name + "正在卖" + ticket--);
            }
            lock.unlock();
        }
    }

}

三、线程状态

1、线程状态概述

当线程被创建并启动以后，它既不是一启动就进入了执行状态，也不是一直处于执行状态。在线程的生命周期中这各个线程状态发生的条件，下面将会对每种状态进行详细解析：

（1）Runnable(可运行)
线程可以在java虚拟机中运行的状态，可能正在运行自己代码，也可能没有，这取决于操作系统处理器（cpu）。

（2）Blocked(锁阻塞)
当一个线程试图获取一个对象锁，而该对象锁被其他的线程持有，则该线程进入Blocked状态；当该线程持有锁时，该线程将变成Runnable状态。

（3）Waiting(无限等待)
一个线程在等待另一个线程执行一个（唤醒）动作时，该线程进入Waiting状态。进入这个状态后是不能自动唤醒的，必须等待另一个线程调用notify或者notifyAll方法才能够唤醒。

我们只需知道在做线程操作中存在这样的状态。那我们怎么去理解这几个状态呢，新建与被终止还是很容易理解的，我们就研究一下线程从Runnable（可运行）状态与非运行状态之间的转换问题。

2、Timed Waiting（计时等待）

Timed Waiting在API中的描述为：一个正在限时等待另一个线程执行一个（唤醒）动作的线程处于这一状态。在我们写卖票的案例中，为了减少线程执行太快，现象不明显等问题，我们在run方法中添加了sleep语句，这样就强制当前正在执行的线程休眠（暂停执行），以“减慢线程”。

sleep就是等待。

/**
     * 卖票操作
     */
    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            //开启线程锁
            lock.lock();
          
            if(ticket > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(100);

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println(name + "正在卖" + ticket--);
            }
            //关闭线程锁
            lock.unlock();
        }
    }

我们需要记住下面几点：

1. 进入 TIMED_WAITING 状态的一种常见情形是调用的 sleep 方法，单独的线程也可以调用，不一定非要有协
   作关系。
2. 为了让其他线程有机会执行，可以将Thread.sleep()的调用放线程run()之内。这样才能保证该线程执行过程
   中会睡眠
3. sleep与锁无关，线程睡眠到期自动苏醒，并返回到Runnable（可运行）状态。
   

3、BLOCKED（锁阻塞）

Blocked状态在API中的介绍为：一个正在阻塞等待一个监视器锁（锁对象）的线程处于这一状态。
比如，线程A与线程B代码中使用同一锁，如果线程A获取到锁，线程A进入到Runnable状态，那么线程B就进入到Blocked锁阻塞状态。

4、Waiting（无限等待）

一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的（唤醒）动作的线程处于这一状态。

当多个线程协作时，比如A，B线程，如果A线程在Runnable（可运行）状态中调用了wait()方法那么A线程就进入了Waiting（无限等待）状态，同时失去了同步锁。假如这个时候B线程获取到了同步锁，在运行状态中调用了notify()方法，那么就会将无限等待的A线程唤醒。注意是唤醒，如果A获取到锁对象，那么A线程唤醒后就进入Runnable（可运行）状态；如果没有获取锁对象，那么就进入到Blocked（锁阻塞状态）。

5、补充

线程状态整体概括：