Java多线程原理与实践-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/joshchen0805/article/details/25789927

概述

进程：一个正在执行中的程序，每一个进程执行都有一个执行的顺序，该顺序是一个执行路径，或者叫一个控制单元

线程：是进程中一个独立的控制单元，线程在控制着进程的执行

一个进程中至少有一个线程。

Java VM 启动的时候会有一个进程java.exe

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。

扩展：其实更细节说明jvm，jvm启动不止一个线程，还有负责垃圾回收机制的线程。

创建线程

如何在自定义的代码中自定义一个线程呢？

通过查找API文档，Java已经提供了对线程这类事物的描述，就是Thread类。

创建线程的第一种方式：继承Thread类。

步骤：

定义类继承Thread
覆写Thread类中的run方法。目的：将自定义的代码存储在run方法中，让线程运行。
调用线程的start方法，该方法有两个作用：启动线程和调用run方法。如果只调用run方法，那么线程虽然创建了，但是并没有运行，只有main线程执行run方法中的内容。

发现运行结果每次都不同，因为多个线程都获取CPU的执行权。cpu执行到谁，谁就执行。

明确一点，在某一时刻，只能有一个程序在运行（多核除外）

cpu在做着快速的切换，以达到看上去是同时运行的效果。

我们可以形象地把多线程的运行形容为在互相抢夺cpu的执行权。

这就是多线程的一个特性：随机性。谁抢到，谁执行。至于执行多长时间，cpu说了算。

为什么要覆盖run方法？

Thread类用于描述线程。

该类就定义了一个功能，用于存储线程要运行的代码，该存储功能就是run方法

也就是说Thread类中的run方法是用于存储线程要运行的代码。

/*
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
{
//	private String name;
	Test(String name)//通过构造函数参数指定线程名称
	{
		super(name);
//		this.name=name;
	}
	//复写run方法
	public void run()
	{
		for(int x=0;x<60;x++)
		     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..run..."+x);
//		System.out.println(this.getName()+"..run..."+x);
	}
}

class  ThreadTest
{
	public static void main(String[] args) 
	{
		new Test("one+++").start();//开启一个线程
		new Test("tow———").start();//开启第二线程
		//主线程执行的代码，一定要放在创建线程语句后面，否则会先执行主线程
		for(int x=0;x<170;x++)
		System.out.println("Hello World!");
	}
}

创建线程的第二种方式：实现Runnable接口

步骤：

定义类实现Runnable接口
覆盖Runnable接口中的run方法。将线程要运行的代码存放在该run方法中
通过Thread类建立线程对象
将Runnable接口的子类对象作为实际参数传递给Thread类的构造函数。因为自定义的run方法所属的对象是Runnable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方法所属的对象
调用Thread类的start方法开启线程，此时start方法会自动调用Runnable接口子类的run方法

/*
需求：简单的卖票程序。
多个窗口卖票。
*/
class Ticket implements Runnable
{
	private  int tick = 100;
	public void 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
{
	public static void main(String[] args) 
	{
		//创建Runnable接口子类的实例对象
		Ticket t = new Ticket();

		//有多个窗口在同时卖票，这里用四个线程表示
		Thread t1 = new Thread(t);//创建了一个线程
		Thread t2 = new Thread(t);
		Thread t3 = new Thread(t);
		Thread t4 = new Thread(t);

		t1.start();//启动线程
		t2.start();
		t3.start();
		t4.start();
	}
}

实现方式和继承方式的区别

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

两种方式的区别：

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的子类的run方法中

线程运行状态

状态说明：

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( )方法时发生。
- wait方法释放锁，失去执行资格和执行权，调用notify方法时，获得执行资格，变为临时阻塞状态。
- sleep方法不释放锁，只是让线程休息，所以具备执行资格，但是不具备执行权，此时也处于临时阻塞状态，sleep方法时间到，线程执行，具备执行权。
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。

获取线程名称以及对象

原来线程都有自己默认的名称：Thread-编号该编号从0开始，通过getName();获取。

Thread类中的方法

static Thread currentThread();获取当前线程对象，和this一样，但更通用

getName():获取线程名称

设置线程名称：setName或者构造函数

注意：局部的变量在每一个线程栈内存区域中都有一份

多线程的安全问题

原因：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。

解决办法：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

同步代码块

Java对于多线程的安全问题，提供了专业的解决方式，就是同步代码块。

synchronized(对象)

{

需要被同步的代码//那些语句在操作共享数据，就进行同步

}

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，即使获取了cpu的执行权也进不去。

/*	
给卖票程序示例加上同步代码块。
*/
class Ticket implements Runnable
{
	private int tick=100;
	Object obj = new Object();
	public void 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()+"..sale="+tick--);
				}
			}	
		}
	}
}

同步的前提：

必须要有两个或者两个以上的线程
必须是多个线程使用同一个锁，比如输入输出都要进行同步，使用同一把锁（比如类的字符码文件对象，保证唯一性）

必须保证同步中只能有一个线程在运行

好处：解决了多线程的安全问题

弊端：多个线程都需要判断锁，较为消耗资源

如何找多线程安全问题并进行同步：

明确哪些代码是多线程运行代码
明确共享数据
明确多线程运行代码中哪些语句是操作共享数据的（共享数据不能被独立语句操作的就会出现安全问题）

同步函数

函数和同步代码块都是封装，两者结合就是同步函数

把synchronized关键字作为修饰符放在函数上就实现了同步函数，无需对象锁

将需要同步的代码单独封装为一个函数，并加上synchronized关键字就实现了同步函数

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

class Ticket implements Runnable
{
	private int tick=100;
	Object obj = new Object();
	public void 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--);
	}
}	
}

静态同步函数的锁

同步函数被静态static修饰后，使用的锁不是this，因为静态方法中不可以定义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：类名.class，该对象的类型是Class

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，也就是类名.class

参阅单例设计模式-懒汉式

class Single
{
	private static Single s = null;
	private Single(){}
	public static Single getInstance()
	{
		if(s==null)
		{
			synchronized(Single.class)
			{
				if(s==null)
					s = new Single();
			}
		}
		return s;
	}
}//同步代码块加入判断的原因：如果第一个线程进入到第一个if代码块，此时并还没获取锁，此时虚拟机切换给第二个线程，它也进来了if代码块，并且此时获取锁，new一个对象，然后返回。接着虚拟机切换给第一个线程，它这时候才获取锁，此时如果没有第二个if判断，就会再new 一个对象，这就不能保证类的对象唯一性。

死锁

同步中嵌套同步，两个同步锁不相同，两个线程都持有锁但是不释放，程序就会发生死锁

/*
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
{
	private boolean flag;
	LockTest(boolean flag)
	{
		this.flag=flag;
	}
	public void 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
{
	static Object locka = new Object();
	static Object lockb = new Object();
}

class DeadLock
{
	public static void main(String[] args)
	{
		//创建2个线程，并启动
		new Thread(new LockTest(true)).start();
		new Thread(new LockTest(false)).start();
	}
}

运行结果是两个线程都会停在这里等待对方释放锁

线程间的通信

线程间的通讯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。

为了保证该资源的唯一性，可以考虑单力设计模式（麻烦），或者在每个线程类中通过构造函数传入资源的实例引用，例：

class Res {
	String name;
	String sex;
}

class Input implements Runnable{
	private Res r;
	Input(Res r){
		this.r = r;
	}
	public void run(){
		int flag = 0;
		while(true){
			if(flag==0){
				r.name = "张三";
				r.sex = "男";
			}else{
				r.name = "李四";
				r.sex = "女";
			}
			flag = (flag+1)%2;//交替打印
		}
	}
}

class Output implements Runnable{
	private Res r;
	Output(Res r){
		this.r = r;
	}
	public void run(){
		while(true){
			System.out.println(r.name+"..."+r.sex);
		}
	}
}

public class InputOutputDemo {
	public static void main(String[] args) {
		Res r = new Res();
		
		Input in = new Input(r);
		Output out = new Output(r);
		
		Thread t1 = new Thread(in);
		Thread t2 = new Thread(out);
		
		t1.start();
		t2.start();
	}
}

运行结果：

这出现了安全问题，需加入同步，输入和输出都需要加，注意保证线程都用同一把锁进行同步

class Input implements Runnable{
	private Res r;
	Input(Res r){
		this.r = r;
	}
	public void run(){
		int flag = 0;
		while(true){
			synchronized(r){
				if(flag==0){
					r.name = "张三";
					r.sex = "男";
				}else{
					r.name = "李四";
					r.sex = "女";
				}
			}
			flag = (flag+1)%2;//交替打印
		}
	}
}

class Output implements Runnable{
	private Res r;
	Output(Res r){
		this.r = r;
	}
	public void run(){
		while(true){
			synchronized(r){
				System.out.println(r.name+"..."+r.sex);
			}
		}
	}
}

等待唤醒机制

多个线程操作共享数据时，保证数据交替被线程操作（比如输入一个数据，就输出一个数据的情况），则使用等待唤醒机制

wait();//该方法让线程进入线程池等待

notify();//该方法唤醒线程池中第一个等待的共有同一把锁的线程，该机制会导致出现生产者消费者问题（多个生产者和消费者的时候）

notifyAll();//该方法唤醒所有共有同一把锁的等待线程

都使用在同步代码中，因为要对持有监视器（锁）的线程操作，所以要使用在同步中，因为只有同步才具有锁。

为什么这些操作线程的方法要定义在Object类中？

因为这些方法在操作同步中的线程时，都必须要标示他们所操作线程持有的锁，只有同一个锁上的被等待线程可以被同一个notify唤醒，不可以对不同锁中的线程进行唤醒。也就是说等待和唤醒必须是同一个锁。而锁可以是任意对象，所以可以被任意对象调用的方法定义在Object类中。

关键代码：

class Res
{
	String name;
	String sex;
	boolean flag = false;//设置标记，判断资源状态，默认为假，表示资源为空。
}

class Input implements Runnable
{
	private Res r ;
	Input(Res r)
	{
		this.r = r;
	}
	public void run()
	{
		int x = 0;
		while(true)
		{
			synchronized(r)
			{

				if(r.flag)
					try{r.wait();}catch(Exception e){}//如果flag为真，表示资源存在，则使输入线程等待，r.wait()表示等待持有r这个锁的线程
				if(x==0)
				{
					r.name="张三";
					r.sex="男";
				}
				else
				{
					r.name="李四";
					r.sex = "女";
				}
				x = (x+1)%2;
				r.flag = true;//改变资源状态的标记
				r.notify();//唤醒共用该锁的第一个其他线程
			}
		}
	}
}

class Output implements Runnable
{
	private Res r ;
	
	Output(Res r)
	{
		this.r = r;
	}
	public void run()
	{
		while(true)
		{
			synchronized(r)
			{
				if(!r.flag)
					try{r.wait();}catch(Exception e){}
				System.out.println(r.name+"...."+r.sex);
				r.flag = false;
				r.notify();
			}
		}
	}
}

class  InputOutputDemo
{
	public static void main(String[] args) 
	{
		Res r = new Res();

		Input in = new Input(r);
		Output out = new Output(r);

		Thread t1 = new Thread(in);
		Thread t2 = new Thread(out);

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

或者将代码优化为（使用同步函数）

class Res
{
	private String name;
	private String sex;
	private boolean flag = false;

	public synchronized void set(String name,String sex)
	{
		if(flag)
			try{this.wait();}catch(Exception e){}
		this.name = name;
		
		this.sex = sex;
		flag = true;
		this.notify();
	}
	public synchronized void out()
	{
		if(!flag)
			try{this.wait();}catch(Exception e){}
		System.out.println(name+"........"+sex);
		flag = false;
		this.notify();
	}
}

class Input implements Runnable
{
	private Res r ;
	Input(Res r)
	{
		this.r = r;
	}
	public void run()
	{
		int x = 0;
		while(true)
		{
			if(x==0)				
				r.set("张三","男");				
			else	
				r.set("李四","女");				
			x = (x+1)%2;
		}
	}
}

class Output implements Runnable
{
	private Res r ;
	
	Output(Res r)
	{
		this.r = r;
	}
	public void run()
	{
		while(true)
		{
			r.out();
		}
	}
}

class  InputOutputDemo2
{
	public static void main(String[] args) 
	{
		Res r = new Res();

		new Thread(new Input(r)).start();
		new Thread(new Output(r)).start();
	}
}

生产者消费者

问题

if(flag)
        try{this.wait();}catch(Exception e){}//当有多个生产者和消费者时，线程池中的线程在被唤醒（这里的try和catch块）后不会再次判断标记flag，会直接执行下面的语句，出现问题，比如当唤醒的是本方线程的时候，会出现生产两个商品，只消费一个或者生产一个商品，消费两个的情况
this.name = name+"--"+count++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...生产者.."+this.name);
flag = true;
this.notify();

解决方法

class ProducerConsumerDemo //产生多个生产者消费者
{
	public static void main(String[] args) 
	{
		Resource r = new Resource();

		Producer pro = new Producer(r);
		Consumer con = new Consumer(r);

		Thread t1 = new Thread(pro);
		Thread t2 = new Thread(pro);
		Thread t3 = new Thread(con);
		Thread t4 = new Thread(con);

		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
		t4.start();

	}
}

class Resource
{
	private String name;
	private int count = 1;
	private boolean flag = false;
	public synchronized void set(String name)
	{
		while(flag)//将if改为while，进行循环判断
			try{this.wait();}catch(Exception e){}//新的线程会在此句醒来，接着进行while语句判断
		this.name = name+"--"+count++;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...生产者.."+this.name);
		flag = true;
		this.notifyAll();//如果只用notify()有可能唤醒本方线程，导致线程全部等待，所以要使用notifyAll()方法唤醒全部线程
	}
 
	public synchronized void out()
	{
		while(!flag)
			try{wait();}catch(Exception e){}
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...消费者........."+this.name);
		flag = false;
		this.notifyAll();
	}
}

class Producer implements Runnable
{
	private Resource res;

	Producer(Resource res)
	{
		this.res = res;
	}
	public void run()
	{
		while(true)
		{
			res.set("+商品+");
		}
	}
}

class Consumer implements Runnable
{
	private Resource res;

	Consumer(Resource res)
	{
		this.res = res;
	}
	public void run()
	{
		while(true)
		{
			res.out();
		}
	}
}

对于多个生产者和消费者。
为什么要定义while判断标记。
原因：让被唤醒的线程再一次判断标记flag。如果不判断标记（即不判断商品是否存在），会直接再次生产或者消费一个商品，出现生产者消费者问题

为甚么要定义notifyAll？
因为需要唤醒对方（生产者和消费者双方）线程。如果只用notify，容易出现只唤醒本方线程的情况。导致程序中的所有线程都等待。

wait方法和sleep方法的区别

wait方法释放锁，持有锁的线程才具备执行资格，但不一定具备执行权，因为cpu切换到哪个线程并执行（sleep方法没有执行线程），哪个线程才具备执行权。obj.wait会使线程进入obj对象的等待集合中并等待唤醒。

sleep并不释放锁，只是让线程休息，此时该线程处于临时阻塞状态，具备执行资格，但是不具备执行权。

Lock接口和Condition接口

JDK1.5 中提供了多线程升级解决方案，显示的锁机制和锁对象上的等待唤醒操作机制

将同步Synchronized替换成现实Lock操作。
将Object中的wait，notify notifyAll，替换为Condition对象。
该对象可以通过Lock锁进行获取，一个锁上可以有多个相关的Condition对象，从而有多个等待唤醒机制，所以可以实现本方只唤醒对方而没有唤醒本方线程的操作。

Lock:替代了Synchronized

创建锁对象：Lock lock = new ReentrantLock();

该锁对象具有的方法
lock
unlock
newCondition()
Condition：替代了Object wait notify notifyAll
await();
signal();
signalAll();

示例代码：

class Resource
{
	private Lock lock = new ReentrantLock();
	private Condition condition_pro = lock.newCondition();
	private Condition condition_con = lock.newCondition();
	public  void set(String name)throws InterruptedException
	{
		lock.lock();
		try
		{
			while(flag)
				condition_pro.await();//该方法会抛异常，通过throws关键字给调用者try&catch处理
			this.name = name+"--"+count++;
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...生产者.."+this.name);
			flag = true;
			condition_con.signal();//唤醒的只有condition_con对象上await的线程
		}
		finally
		{
			lock.unlock();//释放锁的动作一定要执行，因为一旦try中出现异常，程序中断，锁这个资源却没有释放。
		}
	}
	public  void out()throws InterruptedException
	{
		lock.lock();
		try
		{
			while(!flag)
				condition_con.await();
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...消费者........."+this.name);
			flag = false;
			condition_pro.signal();//唤醒的只有condition_pro对象上await的线程
		}
		finally
		{
			lock.unlock();
		}
	}
}

停止线程

stop方法已经过时。
如何停止线程？
只有一种，让run方法结束。
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，用flag作为循环条件标记，就可以让run方法结束，也就是线程结束。

在其他线程的代码中将flag进行赋值，就可以使本线程循环体结束，参见以上代码所示。

特殊情况：
当线程处于了冻结状态，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();

class StopThread implements Runnable
{
	private boolean flag =true;
	public  void run()
	{
		while(flag)
		{
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....run");
		}
	}
	public void changeFlag()
	{
		flag = false;
	}
}

class  StopThreadDemo
{
	public static void main(String[] args) 
	{
		StopThread st = new StopThread();
		Thread t1 = new Thread(st);
		Thread t2 = new Thread(st);	
		t1.start();
		t2.start();	

		int num = 0;
		while(true)
		{
			if(num++ == 3)<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">//当主函数线程运行到条件满足时，此时其他线程处于冻结状态，为了一并停止其他运行的线程，就调用interrupt方法将冻结的线程唤醒，改变其循环标记来结束线程运行</span>
			{
				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");
	}
}

运行结果：

Thread类中的常用方法

守护线程

Thread类的方法中

void setDaemon(boolean on) 将该线程标记为守护线程或者用户线程，当正在运行的线程都是守护线程时，Java虚拟机退出（即前台线程停止，后台线程自动结束）

该方法必须在启动线程前调用

join方法

当A线程执行到了B线程的join()方法时，A线程就会等待，等到B线程都执行完，A才会执行。

join可以用来临时加入线程执行

Thread类中的join方法：线程向主线程（main函数的线程）要cpu执行权，主线程等待该线程停止了才会执行。

t1.start();

t2.start();

t1.join();//主线程碰到谁抢执行权，就等待谁，此时与t2无关

设置优先级

抢资源的频率

void setPriority(int newPriority)//默认优先级是5，一共10级，只有1,5,10最明显，所以设置为常量：MAX_PRIORITY,MIN_PRIORITY,NORM_PRIORITY

yield方法

临时停止线程，释放执行权，可以使线程交替运行

如何使用多线程

当某些代码需要同时被执行时，就使用多线程,比如多个独立的循环体。

两种技巧写法

使用匿名内部类简写线程

new Thread()
{
	public void run()
	{
		for(){}
	}
}.start();

使用Runnable接口

Runnable r = new Runnable()
{
	public void run()
	{
		for(){}
	}
};
new Thread(r).start();