【java基础】 08 多线程_多线程用this还是用类-优快云博客

本文详细介绍了Java线程的基本概念，包括程序、进程和线程的区别，以及线程的创建和使用。通过继承Thread类和实现Runnable接口两种方式创建线程，并探讨了线程的生命周期。同时，讲解了线程同步的重要性，通过同步代码块、同步方法、Lock接口等方式解决线程安全问题，避免死锁。此外，还讨论了线程的通信机制，例如wait()、notify()方法的应用。最后，简要提到了JDK5.0新增的Callable接口和线程池的概念，以及它们在多线程编程中的作用。

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5 新增线程安全问题解决方法：锁（方式三）

8.5 线程的通信

8.6 jdk5.0新增线程创建方式

1 实现Callable接口

8.1 基本概念：程序、进程、线程

1 基本概念

程序、进程、线程：

程序(program)是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码，静态对象。
进程(process)是程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。是一个动态的过程：有它自身的产生、存在和消亡的过程。——生命周期
- 程序是静态的，进程是动态的
- 进程作为资源分配的单位，系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域
线程(thread)，进程可进一步细化为线程，是一个程序内部的一条执行路径。
- 若一个进程同一时间并行执行多个线程，就是支持多线程的
- 线程作为调度和执行的单位，每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器(pc)，线程切换的开销小
- 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间它们从同一堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患。(解决：线程同步)
- 一个Java应用程序java.exe，其实至少有三个线程：main()主线程，gc() 垃圾回收线程，异常处理线程。当然如果发生异常，会影响主线程。

单核CPU与多核CPU：

单核CPU，其实是一种假的多线程，因为在一个时间单元内，也只能执行一个线程的任务，暂时将其他任务挂起。但是因为CPU时间单元特别短，因此感觉不出来。
多核CPU，才能更好的发挥多线程的效率。（现在的服务器都是多核的）

并行与并发：

并行：多个CPU同时执行多个任务。比如：多个人同时做不同的事。
并发：一个CPU(采用时间片)同时执行多个任务。比如：秒杀、多个人做同一件事。

2 多线程优点

提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义，可增强用户体验。
提高计算机系统CPU的利用率
改善程序结构。将既长又复杂的进程分为多个线程，独立运行，利于理解和修改。

3 何时需要多线程

程序需要同时执行两个或多个任务。（比如：执行方法与垃圾回收）
程序需要实现一些需要等待的任务时，如用户输入、文件读写操作、网络操作、搜索等。（浏览页面时，文字和图片分两个线程加载）
需要一些后台运行的程序时。

8.2 线程的创建和使用

Java语言的JVM允许程序运行多个线程，它通过java.lang.Thread 类来体现。
Thread类的特性
- 每个线程都是通过某个特定Thread对象的run()方法来完成操作的，经常把run()方法的主体称为线程体
- 通过该Thread对象的start()方法来启动这个线程，而非直接调用run()

1 创建方式一：继承于Thread类

步骤：

1) 定义子类继承Thread类。

2) 子类中重写Thread类中的run方法。

3) 创建Thread子类对象，即创建了线程对象。

4) 调用线程对象start方法：①启动线程，②调用run方法。

例：输出1-100之间的偶数

//1. 创建一个继承于Thread类的子类
class MyThread extends Thread{
    //2. 重写Thread类的run()方法：将此线程的操作声明在run()中
    public void run() {
        for(int i = 0; i < 100; i++){
            if(i % 2 == 0)
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i); //输出当前线程的名字
        }
    }
}
public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        //3. 创建Thread类的子类的对象
        MyThread t1 = new MyThread();

        //4. 通过此对象调用start(),开启分线程
        t1.start();
        //主线程中进行，最终输出效果应该是与子线程中输出穿插
        for(int i = 0; i < 10; i++){
            System.out.println("hello");
        }
        
    }
}

注：

不能直接调用run()方法启动线程。
再启动一个线程，不可以让已经start的线程去执行，会报IllegalThreadStateException错误，需要重写创建一个线程对象。

MyThread t1 = new MyThread();
t1.start();
MyThread t2 = new MyThread();
t2.start();

当需要多个线程执行不同的操作时，要创建多个类，分别继承Thread类。

Thread类的有关方法：

void start(): 启动线程，并执行对象的run()方法

run(): 线程在被调度时执行的操作

String getName(): 返回线程的名称

void setName(String name): 设置该线程名称（也可以通过带参构造器设置）

static Thread currentThread(): 返回当前线程。在Thread子类中就是this，通常用于主线程和Runnable实现类

static void yield()：线程让步

暂停当前正在执行的线程，把执行机会让给优先级相同或更高的线程（也可能释放以后又被CPU分到）
若队列中没有同优先级的线程，忽略此方法

join() ：当某个程序执行流中调用其他线程的 join() 方法时，调用线程将被阻塞，直到 join() 方法加入的 join 线程（调用join的线程）执行完为止。

低优先级的线程也可以获得执行

static void sleep(long millis)：(指定时间:毫秒)

令当前活动线程在指定时间段内放弃对CPU控制,使其他线程有机会被执行,时间到后重排队。
抛出InterruptedException异常

stop(): 强制线程生命期结束，不推荐使用

boolean isAlive()：返回boolean，判断线程是否还活着

2 线程调度

调度策略：

1. 时间片

2. 抢占式：高优先级的线程抢占CPU

Java的调度方法

同优先级线程组成先进先出队列（先到先服务），使用时间片策略
对高优先级，使用优先调度的抢占式策略

线程的优先级：

线程的优先级等级
- MAX_PRIORITY：10
- MIN _PRIORITY：1
- NORM_PRIORITY：5
涉及的方法
- getPriority() ：返回线程优先值
- setPriority(int newPriority) ：改变线程的优先级
说明
- 线程创建时继承父线程的优先级
- 低优先级只是获得调度的概率低，并非一定是在高优先级线程之后才被调用

3 创建方式二：实现Runnable接口

步骤：

创建一个实现了Runnable接口的类
实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
创建实现类的对象
将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
通过Thread类的对象调用start()

//1. 创建一个实现了Runnable接口的类
class MThread implements Runnable{
    //2. 实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
    public void run() {
        for(int i = 0; i < 100; i++){
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
            }
        }
    }
}
public class ThreadTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        //3. 创建实现类的对象
        MThread mThread = new MThread();
        //4. 将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
        Thread t1 = new Thread(mThread);
        t1.setName("线程1");
        //5. 通过Thread类的对象调用start()-->应该调用当前线程的run()，即为Thread类的run()，
        //而Thread类的run()调用了Runnable类型的target的run(),即为MThread中定义的run()
        t1.start();
    }
}

举例：多窗口卖票

//存在线程安全问题，待解决
class Window implements  Runnable{
    private int ticket = 100; //如果是继承Thread方式实现，则需要指定为static
    public void run() {
        while(true){
            if(ticket > 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，票号为：" + ticket);
                ticket--;
            }
            else {
                break;
            }
        }
    }
}
public class WindowTest {
    public static void main(String[] args) {
        Window w = new Window();
        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

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

继承方式和实现方式的联系与区别：

开发中优先选择实现Runnable接口方式

区别
- 继承Thread：线程代码存放Thread子类run方法中。
- 实现Runnable：线程代码存在接口的子类的run方法。
联系
- public class Thread implements Runnable
实现方式的好处
- 避免了单继承的局限性
- 多个线程可以共享同一个接口实现类的对象，非常适合多个相同线程来处理同一份资源。

8.3 线程的生命周期

1 线程的状态

JDK中用 Thread.State类定义了线程的几种状态：

新建：当一个Thread类或其子类的对象被声明并创建时，新生的线程对象处于新建状态
就绪：处于新建状态的线程被start()后，将进入线程队列等待CPU时间片，此时它已具备了运行的条件，只是没分配到CPU资源
运行：当就绪的线程被调度并获得CPU资源时,便进入运行状态， run()方法定义了线程的操作和功能
阻塞：在某种特殊情况下，被人为挂起或执行输入输出操作时，让出 CPU 并临时中止自己的执行，进入阻塞状态
死亡：线程完成了它的全部工作或线程被提前强制性地中止或出现异常导致结束

8.4 线程的同步

1 问题的提出

多个线程执行的不确定性引起执行结果的不稳定
多个线程对数据的共享，会造成操作的不完整性，会破坏数据。

2 解决

在java中，通过同步机制解决线程安全问题。

方式一：同步代码块

synchronized(同步监视器){
    //需要被同步的代码
}

说明：

操作共享数据的代码即为需要同步的代码。(不能多也不能少)
共享数据：多个线程共同操作的变量。
同步监视器：俗称：锁。任何一个类的对象都可以充当锁。
- 要求：多个线程必须要共用一把锁
- 补充：实现Runnable接口创建多线程方式中，可以考虑使用this充当同步监视器；在继承的方式中，慎用this充当同步监视器，可以考虑使用当前类充当。

class TicketWindow implements  Runnable{
    private int ticket = 100;
    Object obj = new Object(); 

    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (obj) {
                if (ticket > 0) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，票号为：" + ticket);
                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

方式二：同步方法

如果操作共享数据的代码完整声明在一个方法中，不妨将此方法声明为同步的。

上述实现接口的方式售票的代码可修改成如下形式：

class TicketWindow2 implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    Object obj = new Object();
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            show();
        }
    }


    private synchronized void show(){ //同步监视器：this
        if (ticket > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，票号为：" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}

如果是继承的方式，show方法应该是静态的，此时的同步监视器为当前的类。

同步方法总结：

同步方法仍然涉及到同步监视器，只不过不需要显式声明。
非静态的同步方法，同步监视器为this

静态同步方法，同步监视器为当前类本身。

同步方式的优势与局限性：

好处：解决了线程安全问题。

局限性：只能有一个线程参与，相当于一个单线程过程，效率低。

3 单例模式懒汉式改为线程安全的

class Bank{
    private Bank(){}
    private static Bank instance = null;
    public static Bank getInstance(){
        //方式1：效率较差
//        synchronized (Bank.class) {
//            if (instance == null) {
//                instance = new Bank();
//            }
//            return instance;
//        }
        //方式2：效率更高
        if(instance == null){ //当new过对象以后，就不会存在线程在判断是否要新建对象处等待
            synchronized (Bank.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Bank();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

4 死锁

出现情况：

不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃，都在等待对方放弃自己需要的同步资源，就形成了线程的死锁
出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所有的线程都处于阻塞状态，无法继续

举例：以下代码很可能出现死锁

public class DeadLock {
    public static void main(String[] args) {
        StringBuffer s1 = new StringBuffer();
        StringBuffer s2 = new StringBuffer();
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                synchronized (s1){
                    s1.append("a");
                    s2.append("1");
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    synchronized (s2){
                        s1.append("b");
                        s2.append("2");
                        System.out.println(s1);
                        System.out.println(s2);
                    }
                }
            }
        }.start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (s2){
                    s1.append("c");
                    s2.append("3");
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    synchronized (s1){
                        s1.append("d");
                        s2.append("4");
                        System.out.println(s1);
                        System.out.println(s2);
                    }
                }
            }
        }).start();
    }
}

解决方法

专门的算法、原则
尽量减少同步资源的定义
尽量避免嵌套同步

5 新增线程安全问题解决方法：锁（方式三）

java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对Lock对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象。
ReentrantLock 类实现了 Lock ，它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock，可以显式加锁、释放锁。

步骤：

实例化ReentrantLock对象
try中调用lock()
finally中调用解锁方法unlock()

实例：

class TicketWindow3 implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    //1. 实例化ReentrantLock对象
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); //fair:先进先出
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                //2. 调用lock
                lock.lock();
                if (ticket > 0) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，票号为：" + ticket);
                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            }finally {
                //3. 调用解锁方法unlock()
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

注：如果是继承的方式，lock要声明为静态的。

补充： synchronized 与 Lock 的对比

相同：二者都可以解决线程安全问题

不同：synchronized机制在执行完相应同步代码后，自动释放同步监视器；lock需要手动启动与结束同步

8.5 线程的通信

举例：两个线程交替打印1-100的数字

class Number implements Runnable{
    private int number = 1;
    public void run() {
        while(true){
            synchronized (this) {
                notify();//唤醒被wait()的线程
                if (number <= 100) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + number);
                    number++;
                    try {
                        wait(); //使得调用wait的线程进入阻塞状态
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                } else
                    break;
            }
        }
    }
}

涉及到的三个方法：

wait()：一旦执行此方法，当前线程进入阻塞状态，并释放同步监视器。
notify()：唤醒被wait的线程。如果有多个wait的线程，就唤醒优先级高的线程。
notifyAll()：唤醒所有被wait的线程。

说明：

上述三个方法必须使用在同步代码块和同步方法中。
上述三个方法的调用者必须是同步代码块或同步方法中的同步监视器。
上述三个方法定义在java.lang.Object类中。

sleep()和wait()的异同？

相同点：执行后都可以时当前线程进入阻塞状态。

不同点：

声明位置不同：Thread类中声明了sleep()，Object类中声明wait()。
调用要求不同：sleep()可以在任何场景下调用。wait()必须使用在同步代码块或者同步方法中。
是否释放同步监视器：如果两个方法都是用在同步代码块或者同步方法中，sleep()不会释放同步监视器，而wait()会释放。

经典问题：生产者与消费者问题

//店员（商品池）
class Clerk{
    private int count = 0;

    public synchronized void produceProduct() {
        if(count < 20){
            count++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：生产第" + count + "个产品");
            notify();
        }else{
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public synchronized void consumeProduct() {
        if(count > 0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：消费第" + count + "个产品");
            count--;
            notify();
        }else{
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
//生产者
class Producer extends Thread{ 
    private Clerk clerk;

    public Producer(Clerk clerk){
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(getName()+"：开始生产产品...");
        while (true){
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            clerk.produceProduct();
        }
    }
}
//消费者
class Consumer extends Thread{ 
    private Clerk clerk;

    public Consumer(Clerk clerk){
        this.clerk = clerk;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(getName()+"：开始消费产品...");
        while (true){
            try {
                Thread.sleep(20);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            clerk.consumeProduct();
        }
    }
}

public class ProdectTest {
    public static void main(String[] args) {
        Clerk clerk = new Clerk();
        Consumer c1 = new Consumer(clerk);
        c1.setName("消费者1");
        Producer p1 = new Producer(clerk);
        p1.setName("生产者1");
        p1.start();
        c1.start();
    }
}

8.6 jdk5.0新增线程创建方式

1 实现Callable接口

相比run()方法，可以有返回值
方法可以抛出异常
支持泛型的返回值
需要借助FutureTask类，比如获取返回结果

Future接口：

可以对具体Runnable、Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等。
FutrueTask是Futrue接口的唯一的实现类
FutureTask 同时实现了Runnable, Future接口。它既可以作为 Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值

步骤：

创建一个实现Callable的类
实现call方法，将此线程需要执行的操作声明在call中
创建callable接口实现类的对象
将此实现类的对象作为参数传递到FutureTask构造器中，创建对象。
将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类构造器中，创建Thread对象并调用start()
需要的话获取call()的返回值

class MyThread implements Callable{
    //相当于Runnable的run()方法
    public Object call() throws Exception{
        return 对象;
    }
}

//获取返回值
MyThread t = new MyThread();
FutureTask f = new FutureTask(t);
//启动线程
new Thread(f).start();
//get方法返回值即为FutureTask构造器参数Callable实现类重写的call()的返回值
Object sum = f.get();

2 使用线程池

背景：经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。

思路：提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。

好处：

提高响应速度（减少了创建新线程的时间）
降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）
便于线程管理
- corePoolSize：核心池的大小
- maximumPoolSize：最大线程数
- keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止
- ......

public class ThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
        //提供指定数量的线程池
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //设置线程相关属性
        ThreadPoolExecutor service1 = (ThreadPoolExecutor) service;
        service1.setCorePoolSize(15);
        //...
        //执行指定的线程操作
        service.execute(new NumberThread()); //适合于Runnable
        service.execute(new NumberThread1());
//        service.submit(); //适合于Callable
        //关闭连接池
        service.shutdown();
    }
}