黑马程序员——多线程

最新推荐文章于 2024-06-30 07:48:31 发布

原创最新推荐文章于 2024-06-30 07:48:31 发布 · 196 阅读

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本文详细介绍了Java中多线程的基本概念、创建方法及其状态，深入探讨了线程安全问题及解决方案，包括同步机制、死锁预防、线程间通信等核心知识点。

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一、多线程概述

要理解多线程，就必须理解线程。而要理解线程，就必须知道进程。

1、进程

是一个正在执行的程序。

每一个进程执行都有一个执行顺序。该顺序是一个执行路径，或者叫一个控制单元。

2、线程

就是进程中的一个独立的控制单元。线程在控制着进程的执行。只要进程中有一个线程在执行，进程就不会结束。

一个进程中至少有一个线程。

3、多线程

在java虚拟机启动的时候会有一个java.exe的执行程序，也就是一个进程。该进程中至少有一个线程负责java程序的执行。而且这个线程运行的代码存在于main方法中。该线程称之为主线程。JVM启动除了执行一个主线程，还有负责垃圾回收机制的线程。像种在一个进程中有多个线程执行的方式，就叫做多线程。

4、多线程存在的意义

多线程的出现能让程序产生同时运行效果。可以提高程序执行效率。

例如：在java.exe进程执行主线程时，如果程序代码特别多，在堆内存中产生了很多对象，而同时对象调用完后，就成了垃圾。如果垃圾过多就有可能是堆内存出现内存不足的现象，只是如果只有一个线程工作的话，程序的执行将会很低效。而如果有另一个线程帮助处理的话，如垃圾回收机制线程来帮助回收垃圾的话，程序的运行将变得更有效率。

二、创建线程的方式

创建线程共有两种方式：继承方式和实现方式（简单的说）。

1、继承方式

通过查找java的帮助文档API，我们发现java中已经提供了对线程这类事物的描述的类——Thread类。这第一种方式就是通过继承Thread类，然后复写其run方法的方式来创建线程。

创建步骤：

a，定义类继承Thread。

b，复写Thread中的run方法。

目的：将自定义代码存储在run方法中，让线程运行。

c，创建定义类的实例对象。相当于创建一个线程。

d，用该对象调用线程的start方法。该方法的作用是：启动线程，调用run方法。

注：如果对象直接调用run方法，等同于只有一个线程在执行，自定义的线程并没有启动。

覆盖run方法的原因：

Thread类用于描述线程。该类就定义了一个功能，用于存储线程要执行的代码。该存储功能就run方法。也就是说，Thread类中的run方法，用于存储线程要运行的代码。

程序示例：

/*
小练习
创建两线程，和主线程交替运行。
*/
 
//创建线程Test
class Test extends Thread
{
//  privateString name;
    Test(Stringname)
    {
        super(name);
//      this.name=name;
    }
    //复写run方法
    publicvoid run()
    {
        for(intx=0;x<60;x++)
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..run..."+x);
//      System.out.println(this.getName()+"..run..."+x);
    }
}
 
class ThreadTest
{
    publicstatic void main(String[] args)
    {
        newTest("one+++").start();//开启一个线程
 
        newTest("tow———").start();//开启第二线程
 
        //主线程执行的代码
        for(intx=0;x<170;x++)
        System.out.println("HelloWorld!");
    }
}

2、实现方式

使用继承方式有一个弊端，那就是如果该类本来就继承了其他父类，那么就无法通过Thread类来创建线程了。这样就有了第二种创建线程的方式：实现Runnable接口，并复习其中run方法的方式。

创建步骤：

a，定义类实现Runnable的接口。

b，覆盖Runnable接口中的run方法。目的也是为了将线程要运行的代码存放在该run方法中。

c，通过Thread类创建线程对象。

d，将Runnable接口的子类对象作为实参传递给Thread类的构造方法。

为什么要将Runnable接口的子类对象传递给Thread的构造函数？

因为，自定义的run方法所属的对象是Runnable接口的子类对象。所以要让线程去指定对象的run方法，就必须明确该run方法所属对象。

e，调用Thread类中start方法启动线程。start方法会自动调用Runnable接口子类的run方法。

实现方式好处：避免了单继承的局限性。在定义线程时，建议使用实现方式。

程序示例：

/*
需求：简单的卖票程序。
多个窗口卖票。
*/
class Ticket implementsRunnable//extends Thread
{
    private  int tick = 100;
    publicvoid run()
    {
        while(true)
        {
            if(tick>0)
            {
                //显示线程名及余票数
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....sale: "+ tick--);
            }
        }
    }
}
 
 
class TicketDemo
{
    publicstatic void main(String[] args)
    {
        //创建Runnable接口子类的实例对象
        Tickett = new Ticket();
 
        //有多个窗口在同时卖票，这里用四个线程表示
        Threadt1 = new Thread(t);//创建了一个线程
        Threadt2 = new Thread(t);
        Threadt3 = new Thread(t);
        Threadt4 = new Thread(t);
 
        t1.start();//启动线程
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
    }
}

三、两种方式的区别和线程的几种状态

1、两种创建方式的区别

继承Thread：线程代码存放在Thread子类run方法中。

实现Runnable：线程代码存放在接口子类run方法中。

2、几种状态

被创建：等待启动，调用start启动。

运行状态：具有执行资格和执行权。

临时状态（阻塞）：有执行资格，但是没有执行权。

冻结状态：遇到sleep（time）方法和wait（）方法时，失去执行资格和执行权，sleep方法时间到或者调用notify（）方法时，获得执行资格，变为临时状态。

消忙状态：stop（）方法，或者run方法结束。

注：当已经从创建状态到了运行状态，再次调用start（）方法时，就失去意义了，java运行时会提示线程状态异常。

四、线程安全问题

1、导致安全问题的出现的原因：

当多条语句在操作同一线程共享数据时，一个线程对多条语句只执行了一部分，还没用执行完，另一个线程参与进来执行。导致共享数据的错误。

简单的说就两点：

a、多个线程访问出现延迟。

b、线程随机性。

注：线程安全问题在理想状态下，不容易出现，但一旦出现对软件的影响是非常大的。

2、解决办法——同步

对多条操作共享数据的语句，只能让一个线程都执行完。在执行过程中，其他线程不可以参与执行。

在java中对于多线程的安全问题提供了专业的解决方式——synchronized（同步）

这里也有两种解决方式，一种是同步代码块，还有就是同步函数。都是利用关键字synchronized来实现。

a、同步代码块

用法：

   synchronized（对象）{需要被同步的代码}

同步可以解决安全问题的根本原因就在那个对象上。其中对象如同锁。持有锁的线程可以在同步中执行。没有持有锁的线程即使获取cpu的执行权，也进不去，因为没有获取锁。

示例：

/* 
给卖票程序示例加上同步代码块。
*/
class Ticket implements Runnable
{
    privateint tick=100;
    Objectobj = new Object();
    publicvoid run()
    {
        while(true)
        {
            //给程序加同步，即锁
            synchronized(obj)
            {
                if(tick>0)
                {
                    try
                    {  
                        //使用线程中的sleep方法，模拟线程出现的安全问题
                        //因为sleep方法有异常声明，所以这里要对其进行处理
                        Thread.sleep(10);
                    }
                    catch(Exception e)
                    {
                    }
                    //显示线程名及余票数
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..tick="+tick--);
                }
            }  
        }
    }
}

b，同步函数

格式：

在函数上加上synchronized修饰符即可。

那么同步函数用的是哪一个锁呢？

函数需要被对象调用。那么函数都有一个所属对象引用。就是this。所以同步函数使用的锁是this。

拿同步代码块的示例：

class Ticket implements Runnable
{
    privateint tick=100;
    Objectobj = new Object();
    publicvoid run()
    {
        while(true)
        {
            show();
        }
    }
 //直接在函数上用synchronized修饰即可实现同步
public synchronized void show()
{
        if(tick>0)
        {
        try
        {  
            //使用线程中的sleep方法，模拟线程出现的安全问题
            //因为sleep方法有异常声明，所以这里要对其进行处理
            Thread.sleep(10);
        }
        catch(Exception e)
        {
        }
        //显示线程名及余票数
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..tick="+tick--);
    }
}  
}

3、同步的前提

a，必须要有两个或者两个以上的线程。

b，必须是多个线程使用同一个锁。

4、同步的利弊

好处：解决了多线程的安全问题。

弊端：多个线程需要判断锁，较为消耗资源。

5、如何寻找多线程中的安全问题

a，明确哪些代码是多线程运行代码。

b，明确共享数据。

c，明确多线程运行代码中哪些语句是操作共享数据的。

五、静态函数的同步方式

如果同步函数被静态修饰后，使用的锁是什么呢？

通过验证，发现不在是this。因为静态方法中也不可以定义this。静态进内存时，内存中没有本类对象，但是一定有该类对应的字节码文件对象。如：

类名.class 该对象的类型是Class

这就是静态函数所使用的锁。而静态的同步方法，使用的锁是该方法所在类的字节码文件对象。类名.class

示例：

/*
加同步的单例设计模式————懒汉式
*/
class Single
{
    privatestatic Single s = null;
    privateSingle(){}
    publicstatic void getInstance()
    {
        if(s==null)
        {
            synchronized(Single.class)
            {
                if(s==null)
                    s= new Single();
            }
        }
        returns;
    }
}

六、死锁

当同步中嵌套同步时，就有可能出现死锁现象。

示例：

/*
写一个死锁程序
*/
 
//定义一个类来实现Runnable，并复写run方法
class LockTest implements Runnable
{
    privateboolean flag;
    LockTest(booleanflag)
    {
        this.flag=flag;
    }
    publicvoid run()
    {
        if(flag)
        {
            while(true)
            {
                synchronized(LockClass.locka)//a锁
                {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"------if_locka");
 
                    synchronized(LockClass.lockb)//b锁
                    {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"------if_lockb");
                    }
                }
            }
        }
        else
        {
            while(true)
            {
                synchronized(LockClass.lockb)//b锁
                {
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"------else_lockb");
 
                    synchronized(LockClass.locka)//a锁
                    {
                   System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"------else_locka");
                    }
                }
            }
        }
    }
}
 
//定义两个锁
class LockClass
{
    staticObject locka = new Object();
    staticObject lockb = new Object();
}
 
class DeadLock
{
    publicstatic void main(String[] args)
    {
        //创建2个进程，并启动
        newThread(new LockTest(true)).start();
        newThread(new LockTest(false)).start();
    }
}

结果：程序卡住，不能继续执行

七、线程间通信

其实就是多个线程在操作同一个资源，但是操作的动作不同。

1、使用同步操作同一资源的示例：

/*
    有一个资源
一个线程往里存东西，如果里边没有的话
一个线程往里取东西，如果里面有得话
*/
 
//资源
class Resource
{
    privateString name;
    privateString sex;
    privateboolean flag=false;
   
    publicsynchronized void setInput(String name,String sex)
    {
        if(flag)
        {
            try{wait();}catch(Exceptione){}//如果有资源时，等待资源取出
        }
        this.name=name;
        this.sex=sex;
 
        flag=true;//表示有资源
        notify();//唤醒等待
    }
 
    publicsynchronized void getOutput()
    {      
        if(!flag)
        {
            try{wait();}catch(Exceptione){}//如果木有资源，等待存入资源
        }
        System.out.println("name="+name+"---sex="+sex);//这里用打印表示取出
               
        flag=false;//资源已取出
        notify();//唤醒等待
    }
}
 
 
//存线程
class Input implements Runnable
{
    privateResource r;
    Input(Resourcer)
    {
        this.r=r;
    }
    publicvoid run()//复写run方法
    {
        intx=0;
        while(true)
        {
            if(x==0)//交替打印张三和王羲之
            {
                r.setInput("张三",".....man");
            }
            else
            {
                r.setInput("王羲之","..woman");
            }
            x=(x+1)%2;//控制交替打印
        }
    }
}
 
//取线程
class Output implements Runnable
{
    privateResource r;
    Output(Resourcer)
    {
        this.r=r;
    }
    publicvoid run()//复写run方法
    {
        while(true)
        {
            r.getOutput();
        }
    }
}
 
 
 
class ResourceDemo2
{
    publicstatic void main(String[] args)
    {
        Resourcer = new Resource();//表示操作的是同一个资源
 
        newThread(new Input(r)).start();//开启存线程
 
        newThread(new Output(r)).start();//开启取线程
    }
}

2、JDK1.5中提供了多线程升级解决方案。

将同步synchronized替换成显示的Lock操作。将Object中wait，notify，notifyAll，替换成了Condition对象。该Condition对象可以通过Lock锁进行获取，并支持多个相关的Condition对象。

升级解决方案的示例：

/*
生产者生产商品，供消费者使用
有两个或者多个生产者，生产一次就等待消费一次
有两个或者多个消费者，等待生产者生产一次就消费掉
 
*/
 
import java.util.concurrent.locks.*;
 
class Resource
{  
    privateString name;
    privateint count=1;
    privateboolean flag = false;
   
    //多态
    privateLock lock=new ReentrantLock();
 
    //创建两Condition对象，分别来控制等待或唤醒本方和对方线程
    Conditioncondition_pro=lock.newCondition();
    Conditioncondition_con=lock.newCondition();
 
    //p1、p2共享此方法
    publicvoid setProducer(String name)throws InterruptedException
    {
        lock.lock();//锁
        try
        {
            while(flag)//重复判断标识，确认是否生产
                condition_pro.await();//本方等待
 
            this.name=name+"......"+count++;//生产
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...生产..."+this.name);//打印生产
            flag=true;//控制生产\消费标识
            condition_con.signal();//唤醒对方
        }
        finally
        {
            lock.unlock();//解锁，这个动作一定执行
        }
       
    }
 
    //c1、c2共享此方法
    publicvoid getConsumer()throws InterruptedException
    {
        lock.lock();
        try
        {
            while(!flag)//重复判断标识，确认是否可以消费
                condition_con.await();
 
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+".消费."+this.name);//打印消费
            flag=false;//控制生产\消费标识
            condition_pro.signal();
        }
        finally
        {
            lock.unlock();
        }
 
    }
}
 
//生产者线程
class Producer implements Runnable
{
    privateResource res;
    Producer(Resourceres)
    {
        this.res=res;
    }
    //复写run方法
    publicvoid run()
    {
        while(true)
        {
            try
            {
                res.setProducer("商品");
            }
            catch(InterruptedException e)
            {
            }
        }
    }
}
 
//消费者线程
class Consumer implements Runnable
{
    privateResource res;
    Consumer(Resourceres)
    {
        this.res=res;
    }
    //复写run
    publicvoid run()
    {
        while(true)
        {
            try
            {
                res.getConsumer();
            }
            catch(InterruptedException e)
            {
            }
        }
    }
 
}
 
class ProducerConsumer
{
    publicstatic void main(String[] args)
    {
        Resourceres=new Resource();
 
        newThread(new Producer(res)).start();//第一个生产线程 p1
        newThread(new Consumer(res)).start();//第一个消费线程 c1
 
        newThread(new Producer(res)).start();//第二个生产线程 p2
        newThread(new Consumer(res)).start();//第二个消费线程 c2
    }
}

八、停止线程

在JDK 1.5版本之前，有stop停止线程的方法，但升级之后，此方法已经过时。

那么现在我们该如果停止线程呢？

只有一种办法，那就是让run方法结束。

1、开启多线程运行，运行代码通常是循环结构。只要控制住循环，就可以让run方法结束，也就是线程结束。

如：run方法中有如下代码，设置一个flag标记。

public void run()
{
    while(flag)
    {  
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....run");
    }
}

那么只要在主函数或者其他线程中，在该线程执行一段时间后，将标记flag赋值false，该run方法就会结束，线程也就停止了。

2、上面的1方法可以解决一般情况，但是有一种特殊情况：就是当线程处于冻结状态。就不会读取到标记。那么线程就不会结束。

当没有指定的方式让冻结的线程恢复到运行状态时，这时需要对冻结进行清除。强制让线程恢复到运行状态中来。这样就可以操作标记让线程结束。Thread类提供该方法interrupt();

如：

class StopThread implements Runnable
{
    privateboolean flag =true;
    public  void run()
    {
        while(flag)
        {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....run");
        }
    }
    publicvoid changeFlag()
    {
        flag= false;
    }
}
 
class StopThreadDemo
{
    publicstatic void main(String[] args)
    {
        StopThreadst = new StopThread();
       Thread t1 = new Thread(st);
       Thread t2 = new Thread(st);
       t1.start();
       t2.start();
 
        intnum = 0;
        while(true)
        {
            if(num++== 60)
            {
                t1.interrupt();//清除冻结状态
                t2.interrupt();
                st.changeFlag();//改变循环标记
                break;
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"......."+num);
        }
        System.out.println("over");
    }
}

九、什么时候写多线程？

当某些代码需要同时被执行时，就用单独的线程进行封装。

示例：

class ThreadTest
{
    publicstatic void main(String[] args)
    {
        //一条线程
        newThread()
        {
            publicvoid run()
            {
                for(int x=0;x<100 ;x++ )
                {
                    System.out.println(Thread.currentThread().toString()+"....."+x);
                }
            }
        }.start();
   
        //又是一条线程
        Runnabler= new Runnable()
        {
            publicvoid run()
            {
                for(int x=0;x<100 ;x++ )
                {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....."+x);
                }
            }
        };
        newThread(r).start();
       
        //可以看作主线程
        for(int x=0;x<1000 ;x++ )
        {
            System.out.println("HelloWorld!");
        }
       
    }
}

1、 stop()和suspend()方法为何不推荐使用？

不使用stop()，是因为它不安全。它会解除由线程获取的所有锁定，而且如果对象处于一种不连贯状态，那么其他线程能在那种状态下检查和修改它们。结果很难检查出真正的问题所在。suspend()方法容易发生死锁。调用suspend()的时候，目标线程会停下来，但却仍然持有在这之前获得的锁定。此时，其他任何线程都不能访问锁定的资源，除非被"挂起"的线程恢复运行。对任何线程来说，如果它们想恢复目标线程，同时又试图使用任何一个锁定的资源，就会造成死锁。所以不应该使用suspend()，而应在自己的Thread类中置入一个标志，指出线程应该活动还是挂起。若标志指出线程应该挂起，便用wait()命其进入等待状态。若标志指出线程应当恢复，则用一个notify()重新启动线程。

2、sleep() 和 wait() 有什么区别?

sleep是线程类（Thread）的方法，导致此线程暂停执行指定时间，给执行机会给其他线程，但是监控状态依然保持，到时后会自动恢复。调用sleep不会释放对象锁。 wait是Object类的方法，对此对象调用wait方法导致本线程放弃对象锁，进入等待此对象的等待锁定池，只有针对此对象发出notify方法（或notifyAll）后本线程才进入对象锁定池准备获得对象锁进入运行状态。）

sleep就是正在执行的线程主动让出cpu，cpu去执行其他线程，在sleep指定的时间过后，cpu才会回到这个线程上继续往下执行，如果当前线程进入了同步锁，sleep方法并不会释放锁，即使当前线程使用sleep方法让出了cpu，但其他被同步锁挡住了的线程也无法得到执行。wait是指在一个已经进入了同步锁的线程内，让自己暂时让出同步锁，以便其他正在等待此锁的线程可以得到同步锁并运行，只有其他线程调用了notify方法（notify并不释放锁，只是告诉调用过wait方法的线程可以去参与获得锁的竞争了，但不是马上得到锁，因为锁还在别人手里，别人还没释放。如果notify方法后面的代码还有很多，需要这些代码执行完后才会释放锁，可以在notfiy方法后增加一个等待和一些代码，看看效果），调用wait方法的线程就会解除wait状态和程序可以再次得到锁后继续向下运行。

3、同步和异步有何异同，在什么情况下分别使用他们？

如果数据将在线程间共享。例如正在写的数据以后可能被另一个线程读到，或者正在读的数据可能已经被另一个线程写过了，那么这些数据就是共享数据，必须进行同步存取。

当应用程序在对象上调用了一个需要花费很长时间来执行的方法，并且不希望让程序等待方法的返回时，就应该使用异步编程，在很多情况下采用异步途径往往更有效率。

当一个线程进入一个对象的一个synchronized方法后，其它线程是否可进入此对象的其它方法?

分几种情况：

1.其他方法前是否加了synchronized关键字，如果没加，则能。

2.如果这个方法内部调用了wait，则可以进入其他synchronized方法。

3.如果其他个方法都加了synchronized关键字，并且内部没有调用wait，则不能。

4.如果其他方法是static，它用的同步锁是当前类的字节码，与非静态的方法不能同步，因为非静态的方法用的是this。

4、synchronized和java.util.concurrent.locks.Lock的异同？

主要相同点：Lock能完成synchronized所实现的所有功能

主要不同点：Lock有比synchronized更精确的线程语义和更好的性能。synchronized会自动释放锁，而Lock一定要求程序员手工释放，并且必须在finally从句中释放。Lock还有更强大的功能，例如，它的tryLock方法可以非阻塞方式去拿锁。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
importjava.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
 
public class ThreadTest {
 
    /**
     * @param args
     */
   
    privateint j;
    privateLock lock = new ReentrantLock();
    publicstatic void main(String[] args) {
        //TODO Auto-generated method stub
        ThreadTesttt = new ThreadTest();
        for(inti=0;i<2;i++)
        {
            newThread(tt.new Adder()).start();
            newThread(tt.new Subtractor()).start();
        }
    }
 
    privateclass Subtractor implements Runnable
    {
 
        @Override
        publicvoid run() {
            //TODO Auto-generated method stub
            while(true)
            {
                /*synchronized(ThreadTest.this) {         
                    System.out.println("j--="+ j--);
                    //这里抛异常了，锁能释放吗？
                }*/
                lock.lock();
                try
                {
                    System.out.println("j--="+ j--);
                }finally
                {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
       
    }
   
    privateclass Adder implements Runnable
    {
 
        @Override
        publicvoid run() {
            //TODO Auto-generated method stub
            while(true)
            {
                /*synchronized(ThreadTest.this) {
                System.out.println("j++="+ j++);  
                }*/
                lock.lock();
                try
                {
                    System.out.println("j++="+ j++);
                }finally
                {
                    lock.unlock();
                }              
            }          
        }
       
    }
}