第四阶段-多线程

于 2021-03-04 14:30:33 发布
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分类专栏： javase 集合框架 文章标签： java
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多线程

(进程和线程的区别)

根本区别: 进程是操作系统资源分配的基本单位,线程是CPU调度和执行的基本单位
环境区别: 在操作系统中有多个进程同时运行,在同一个进程中又有多个线程同时执行.在通过CPU的调度 
		下,在每个时间片中只有一个线程执行
开销区别: 因为每个进程都有独立的代码和数据空间,所以进程之间的切换开销比较大.
		而线程可以看做一个轻量级的进程,在同一类的线程中,他们的代码和数据空间是共享的,所以线
		程之间的切换开销比较小.
内存分配区别: 系统在运行的时候会给每个进程分配不同的内存空间,而对于线程来说,除了CPU外,系统不
			会给线程分配内存,线程之间只能共享资源.
包含关系: 线程是进程的一部分.
		没有线程的进程可以看做是单线程的
		如果一个进程有多个线程,则执行的过程不是一条线,而是多条线程共同完成的.

1.程序和进程

1.程序和进程的概念

程序: 就是硬盘上存储的、静止的代码。

**进程：**程序的一次执行产生进程。进程是动态向前的。

2.多任务操作系统的工作原理

假定 A,B,C 三个程序开始运行，A、B、C 产生进程 Pa、Pb、Pc。Pa、Pb、Pc 排队轮流使用 CPU。
假设 Pa 先抢占到 CPU，Pa 执行，执行过程中 Pa 需要等待数据输入(I/O 操作、请求网络资源)，
此时 CPU 空转，为了提高 CPU 利用率，Pa 被切换出去，Pa 保存当前执行状态,Pa 挂起。Pb 抢占 CPU，Pb 开始执行，Pb 如果没有数据输入，Pb 也可能被切换出去(CPU 时间片到了)，Pb 挂起;Pc 抢占到 CPU，开始执行，如果 Pc 有数据输入，Pc 保存当前状态并挂起。此时 3 个进程都挂起，CPU 空闲。CPU 挑选一个进程运行，根据 CPU 执行原则，选中 Pb，Pb 继续执行。
CPU 通过时间片实现多任务，这样的操作系统称为多任务操作系统，但同一时刻还是只有一个进程执行。

3.并发和并行

**并发：**在一段时间内多个进程轮流使用同一个CPU，多个进程形成并发。

**并行：**在同一时刻多个进程使用各自的CPU

2.线程

1.线程工作原理

线程的出现时为了解决实时性问题.
线程是进程的细分.
进程被划分为多个可以独立运行的线程,多个线程配合完成一个进程的任务.

总结:
[1] 线程再次提高了CPU的利用率;
[2] 线程共享进程资源,线程包含在进程中;
[3] 线程细分后称为CPU调度的基本单位.进程称为操作系统资源分配的基本单位.

3.实现线程的方式

1.继承Thread类

// 继承Thread类必须重写run方法
public class AThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5;i++){
            System.out.println("AThread:" + i);
        }
    }
}

// 测试类
public class Test01 {
    public static void main(String[] args) {
        
        // 创建一个线程A
        AThread ta = new AThread();

        // 必须通过start开启线程,不能通过run,通过run就不是一个线程了.
        ta.start();

        // 在主线程中执行一段代码
        for (int i = 0; i < 5;i++){
            System.out.println("main AThread:" + i);
        }

        // 可能存在一个gc线程
    }
}

// 因为多个线程轮流使用CPU,先占用先使用,所以执行结果不确定

2.实现Runnable接口

/**
 * MyRun不是线程，但具备在线程中执行的能力
 */
public class MyRun implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5;i++){
            System.out.println("main AThread:" + i);
        }
    }
}

// 测试类:
public class Test01 {
    public static void main(String[] args) {

        // 1> 创建MyRun对象
        MyRun myRun = new MyRun();
        // 2> 创建线程，把myRun 放入线程中执行
        Thread t = new Thread(myRun);
        t.start();

        // main thread
        for (int i = 0; i < 5;i++){
            System.out.println("myRun:" + i);
        }
    }
}

3.两种实现方式的区别

自定义线程的方式有2种,分别是继承Thread方式和实现Runnable接口方式
他们的区别:
[1]继承Thread类后,不能继承其他类,而实现Runnable接口还可以继承其他的类;
[2]实现Runnable接口更方便共享资源.同一份资源,多个线程并发访问.
    
如果多个线程要访问共享资源,优先考虑Runnable方式;如果线程不访问共享资源,可以考虑用继承Thread.
多线程访问共享资源的同时，存在一个严重的问题，导致访问共享资源数据错误问题。

4.多线程的执行轨迹

窗口A卖出一张票,还剩3张
窗口C卖出一张票,还剩2张
窗口B卖出一张票,还剩3张
窗口C卖出一张票,还剩0张
窗口A卖出一张票,还剩1张
    
 // 假设窗口B抢占到CPU,执行
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
		if (count > 0) {
			count--;///
			System.out.println(...getName() + "买出一张票,还剩" + count + "张");
		}
	}
// i = 0;i < 5;count > 0条件成立,count-- => count=4;
cpu时间片到,B挂起
    
// A抢占到CPU
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
		if (count > 0) {
			count--;
			System.out.println(...getName() + "买出一张票,还剩" + count + "张");///
		}
	}
// i =0;i < 5;count > 0条件成立,count-- => count =3,输出
窗口 A 买出一张票,还剩 3 张
cpu时间片到,A挂起
    
  // 窗口 B 抢占到 CPU，B 从挂起位置开始执行
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
		if (count > 0) {
			count--;
			System.out.println(//...getName() + "买出一张票,还剩" + count + "张");
		}
	}
// 准备语句:窗口B卖出一张票,还剩3张,还没来得及输出;
                cpu时间片到,B挂起.

  // C抢占到CPU
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
		if (count > 0) {
			count--;
			System.out.println(...getName() + "买出一张票,还剩" + count + "张");///
		}
	}
// i =0;i < 5;count > 0条件成立,count-- => count =2,输出
窗口 C 买出一张票,还剩 3 张
cpu时间片到,C挂起
                
 // 窗口 B 抢占到 CPU，B 从挂起位置开始执行
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
		if (count > 0) {
			count--;
			System.out.println(...getName() + "买出一张票,还剩" + count + "张");///
		}
	}
// 执行准备好的输出语句"窗口B卖出一张票,还剩3张",继续执行,执行到if(count > 0)挂起
                
  // A 抢占到 CPU，A 从挂起的位置开始执行，
	for (int i = 0; i < 5; i++) {
		if (count > 0) {
			count--;
			System.out.println(...getName() + "买出一张票,还剩" + count + "张");
		}
	}
//执行到准备语句 “窗口 A 卖出一张票，还剩 1 张”,还没输出，
                CPU 时间片到，A 挂起。
                
  // C 抢占 CPU，从挂起位置开始执行
	for (int i = 0; i < 5; i++) {
		if (count > 0) {
			count--;
			System.out.println(...getName() + "买出一张票,还剩" + count + "张");
		}
	}
输出 “窗口 C 买出一张票,还剩 0 张”
                
	// A 抢占到 CPU，A 从挂起的位置开始执行，
	for (int i = 0; i < 5; i++) {
		if (count > 0) {
			count--;
			System.out.println(...getName() + "买出一张票,还剩" + count + "张");
		}
	}
执行输出语句 “窗口 A 卖出一张票，还剩 1 张”...

总结:

  • 线程通过抢占CPU的方式工作，随时肯CPU时间片到从而被挂起。

  • 由于随时被挂起或者被切除CPU，导致访问共享资源数据错乱。

5.线程的生命周期

新生状态:用new关键字建立一个线程后,该对象就会处于新生状态
		该线程有资源,通过调用start()方法进入就绪状态
    
就绪状态:有资源,无资格:也就是该状态下的线程具备了运行的条件,但是还没分配到CPU.通过CPU		调度进入运行状态.
    
运行状态:有资源,有资源:该状态下的线程具备了运行的条件,也分配到了CPU,执行自己的run方法		中的代码,直到完成任务而死亡或者是因为等待某资源而造成阻塞.如果在给定的时间片		   内没有执行结束,就会被系统给换下来回到就绪状态.
    
阻塞状态:无资源,让资格:该状态下的线程不具备运行的条件,则让出CPU的资格.
    	造成阻塞状态的原因有:
		[1] 等待I/O资源
         [2] 等待网络资源
         [3] 线程A join导致其他线程阻塞
         [4] 线程A sleep导致线程A阻塞
         当阻塞原因消除时该线程就会进入就绪状态.
         
死亡状态:[1]当一个正常运行的线程完成了它的全部工作;
  	 	[2]线程被强制性的终止,如通过stop()方法终止一个线程
     	[3]线程抛出未捕获的异常.

在这里插入图片描述

6.线程的常用方法

1.线程优先级

public class PriorityThread extends Thread{
    public PriorityThread() {
    }

    public PriorityThread(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(super.getName());
    }
}

public class Test01Priority {
    // 优先级越高,被CPU调动的可能越高,但不一定是优先级越高就一定执行
    // 系统默认的三种优先级
    System.out.println(Thread.MAX_PRIORITY);// 最高
	System.out.println(Thread.MIN_PRIORITY);// 最低
	System.out.println(Thread.NORM_PRIORITY);// 默认
    
    public static void main(String[] args) {
        PriorityThread ta = new PriorityThread("Ta");
        ta.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
        PriorityThread tb = new PriorityThread("Tb");
        ta.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);

        ta.start();
        tb.start();
    }
}

2.线程的强制执行 join()

/*
t1.join() t1 强制执行，导致其他线程(mainThread)阻塞。当 t1 执行完成后，其他线程阻塞原因消除，进入就绪态。
*/
public class JoinThread extends Thread{
    public JoinThread() {
    }

    public JoinThread(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10;i++){
            System.out.println(super.getName() + i);
        }
    }
}

public class Test02Join {
    public static void main(String[] args) {

        JoinThread ta = new JoinThread("线程A");
        ta.start();

        // main thread
        for (int i = 0; i < 10;i++){
            if (2 == i){
                // ta强制执行
                try {
                    ta.join();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("main thread" + i);
        }
    }
}

3.线程休眠 sleep()

/*
线程调用 sleep(毫秒)方法，当前线程进入阻塞态，阻塞时间到后线程进入就绪态
*/
public class SleepThread extends Thread{
    public SleepThread() {
    }

    public SleepThread(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("开始执行多线程");

        try {
            // 等待10s
            System.out.println("线程即将开始休眠...10s");
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            // e.printStackTrace();
            System.out.println("线程在外界被中断...");
        }
        System.out.println("线程正常结束");
    }
}


public class Test03Sleep {
    public static void main(String[] args) {
        SleepThread ta = new SleepThread();
        ta.start();

        System.out.println("主线程开始休眠");
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 试图打断ta线程
        ta.interrupt();
    }
}

总结:

总结:
[1] 线程休眠导致当前线程进入阻塞态，休眠时间结束后，线程进入就绪态，抢占 CPU，抢到后继续运行。
[2] 线程休眠过程中可以被中断 ，所有存在一个检查时异常InterruptedException 异常，外界程序中断该线程时，休眠时间提前结束，进入就绪状态，等待 CPU 调度执行。

4.线程礼让 yield()

public class YieldThread extends Thread{
    public YieldThread() {
    }

    public YieldThread(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10;i++){
            System.out.println(super.getName() + i);
        }
    }
}

5.线程结束 interrupt(), stop()(不建议)

/*
stop 表示强制停止一个线程。停止一个线程的风险较大，现在不建议使用，通过 interrupt 发中断信号	 中断线程，线程会在何时的时间点结束
interrupt 中止正在运行的线程，该线程不会立即结束，而是继续执行。在适当的时机选择结合异常处理  	机制，异常处理机制可以保证线程继续执行。通过异常处理让一个线程正常结束。interrupt 方法可以	 引导线程正常结束
*/
public class Test03Sleep {
    public static void main(String[] args) {
        SleepThread ta = new SleepThread();
        ta.start();

        System.out.println("主线程开始休眠");
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 试图打断ta线程
        ta.interrupt();
    }
}

7.线程同步

**原子性操作:**如果希望一系列操作，要么都执行，要么都不执行。 原子性操作可以认为是业务上不可分割的单元。

1.同步代码块

把原子性操作放到同一个代码块中，就是同步代码块，使用关键字synchronized

语法:
synchronized(mutex){
    // 原子性操作
}
// mutex称为同步锁,也叫互斥锁

public class MyRun implements Runnable{

    private int count = 100;

    @Override
    public void run() {
        // 模拟每个窗口有10个人买票
        for (int i = 0;i < 200;i++){
            synchronized (this){
                if (count > 0){
                    count--;
                    try {
                        Thread.sleep(200);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"已经卖出一张,还剩"+count+"张");
                }
            }
        }
    }
}

总结:
[1] 如果要实现原子性操作,必须对共享资源加锁(毕加索)
[2] 如果线程运行时申请不是该线程加锁的资源,就会导致该线程阻塞,进入阻塞状态

同步监视器

synchronized(obj){}中的 obj 称为同步监视器

同步代码块中同步监视器可以是任何对象，但是推荐使用共享资源作为同步监视器，且同步监视器不能是基本数据类型。

2.同步方法

当原子性操作的代码很长且可以被重复调用时,可以考虑使用同步方法

语法:
[修饰符] synchronized 返回值类型 方法名称(){
	// 原子性操作
}
// 同步方法中无需指定同步监视器，因为同步方法的监视器是 this，也就是该对象本身

public class MyRun implements Runnable{

    private int count = 100;

    @Override
    public void run() {
        // 模拟每个窗口有10个人买票
        for (int i = 0;i < 200;i++){
            this.saleTicket();
        }
    }
    public synchronized void saleTicket(){
        if (count > 0){
            count--;
            try {
                Thread.sleep(200);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"已经卖出一张,还剩"+count+"张");
        }
    }
}

un implements Runnable{

private int count = 100;

@Override
public void run() {
    // 模拟每个窗口有10个人买票
    for (int i = 0;i < 200;i++){
        this.saleTicket();
    }
}
public synchronized void saleTicket(){
    if (count > 0){
        count--;
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"已经卖出一张,还剩"+count+"张");
    }
}

}
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