多线程

 

JAVA SE 知识图解

 

1程序、进程、线程的概念

2Java中多线程的创建和使用

   2.1继承 Thread 类与实现 Runnable  接口

   2.2Thread类的主要方法

   2.3线程的调度与设置优先级

3线程的生命周期

4线程的同步

5线程的通信

一、基本概念：程序 - 进程 - 线程

  1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。

  2进程(process)是程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。动态过程：有它自身的产生、存在和消亡的过程。

     2.1 如：运行中的QQ，运行中的MP3播放器

     2.2 程序是静态的，进程是动态的

  3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。

     3.1若一个程序可同一时间执行多个线程，就是支持多线程的

进程与多线程

          

 何时需要多线程

       1程序需要同时执行两个或多个任务。

       2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。

       3需要一些后台运行的程序时。

二、线程的创建和启动     

1Java语言的JVM允许程序运行多个线程，它通过java.lang.Thread类来实现。

2Thread类的特性

       2.1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

       2.2通过该Thread对象的start()方法来调用这个线程

 mt子线程的创建和启动过程

       

 

Thread类

构造方法

1Thread()：创建新的Thread对象

2Thread(String threadname)：创建线程并指定线程实例名

3Thread(Runnable target)：指定创建线程的目标对象，它实现了Runnable接口中的run方法

4Thread(Runnable target, String name)：创建新的Thread对象

创建线程的两种方式

1.继承Thread类

 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：启动线程，调用run方法。

2.  实现Runnable接口

1）定义子类，实现Runnable接口。

2）子类中重写Runnable接口中的run方法。

3）通过Thread类含参构造器创建线程对象。

4）将Runnable接口的子类对象作为实际参数传递给

      Thread类的构造方法中。

5）调用Thread类的start方法：开启线程，调用

      Runnable子类接口的run方法。

继承方式和实现方式的联系与区别

public class Thread extends Object implements Runnable

【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。

【实现方法的好处】

1）避免了单继承的局限性

2）多个线程可以共享同一个接口子类的对象，非常适合多个相同线程来处理同一份资源。

Thread类的有关方法(1)

1void start():  启动线程

2run():  线程在被调度时执行的操作

3String getName():  返回线程的名称

4void setName(String name):设置该线程名称

5static currentThread(): 返回当前线程

Thread类的有关方法(2):线程的优先级

l线程的优先级控制

1MAX_PRIORITY（10）;   

2MIN _PRIORITY （1）; 

3NORM_PRIORITY （5）;

 涉及的方法：

1getPriority() ：返回线程优先值

2setPriority(int newPriority) ：改变线程的优先级

 线程创建时继承父线程的优先级

线程的调度

l调度策略

Ø时间片 

Ø抢占式：高优先级的线程抢占CPU

 Java的调度方法

1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

2对高优先级，使用优先调度的抢占式策略

Thread类的有关方法(3)

1static  void  yield()：线程让步

1.1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

1.2若队列中没有同优先级的线程，忽略此方法

2join() ：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 线程执行完为止  

2.1低优先级的线程也可以获得执行

3static  void  sleep(long millis)：(指定时间:毫秒)

3.1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。

3.2抛出InterruptedException异常

4 stop(): 强制线程生命期结束

5 boolean isAlive()：返回boolean，判断线程是否还活着

为什么需要多线程？

背景：只使用单个线程完成多个任务（调用多个方法），肯定比用多个线程来完成用的时间更短，为何仍需多线程呢？

多线程程序的优点：

1.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。

2.提高计算机系统CPU的利用率

3.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

补充：线程的分类

Java中的线程分为两类：一种是守护线程，一种是用户线程。

1它们在几乎每个方面都是相同的，唯一的区别是判断JVM何时离开。

2守护线程是用来服务用户线程的，通过在start()方法前调用thread.setDaemon(true)可以把一个用户线程变成一个守护线程。

3Java垃圾回收就是一个典型的守护线程。

4若JVM中都是守护线程，当前JVM将退出。

  4.1皮之不复毛将焉存

三、线程的生命周期

    JDK中用Thread.State枚举表示了线程的几种状态   

    

l要想实现多线程，必须在主线程中创建新的线程对象。Java语言使用Thread类及其子类的对象来表示线程，在它的一个完整的生命周期中通常要经历如下的五种状态：

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

运行：当就绪的线程被调度并获得处理器资源时,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  

三、线程的生命周期

四、线程的同步

问题的提出

1多个线程执行的不确定性引起执行结果的不稳定

2多个线程对账本的共享，会造成操作的不完整性，会破坏数据。

class Ticket implements Runnable{
    private  int tick = 100;
    public void run(){
    while(true){
        if(tick>0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+“售出车票，tick号为："+ tick--);
         }
       else
            break;
     }
  }
}





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

    Ticket t = new Ticket();

    Thread t1 = new Thread(t);
    Thread t2 = new Thread(t);
    Thread t3 = new Thread(t);
     t1.setName("t1窗口");
     t2.setName("t2窗口");
     t3.setName("t3窗口");
     t1.start();
     t2.start();
     t3.start();
    }
}

例题:模拟火车站售票程序，开启三个窗口售票。

private int tick = 100;
public void run(){
    while(true){
       if(tick>0){
          try{
             Thread.sleep(10);
          }catch(InterruptedException e){ e.printStackTrace();}
         System.out.println(Thread.currentThread().getName()+“售出车票，tick号为：      
          "+tick--);
}  }  }

1. 多线程出现了安全问题

2. 问题的原因：

    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。

3. 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。

Synchronized的使用方法

1Java对于多线程的安全问题提供了专业的解决方式：

     

      1.1 同步代码块

    synchronized (对象）{

          // 需要被同步的代码；

    }

 1.2 方法同步

      synchronized还可以放在方法声明中，表示整个方法

      为同步方法。

例如：

    public synchronized void show (String name){

            ….

   }

3 同步锁

   

从Java 5开始，Java提供了更强大的线程同步机制——通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当。

Lock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。

在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock(可重入锁)，可以显式加锁、释放锁。

class A{
	private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock();
	public void m(){
		lock.lock();
		try{
			//保证线程安全的代码;
		}
		finally{
			lock.unlock();  
}
}
}

互斥锁

1 在Java语言中，引入了对象互斥锁的概念，来保证共享数据操作的完整性。

   1.1 每个对象都对应于一个可称为“互斥锁”的标记，这个标记用来保证在任一时刻，只能有一个线程访问该对象

    1.2 关键字synchronized 来与对象的互斥锁联系。当某个对象用synchronized修饰时，表明该对象在任一时刻只能由一个线程访问。

     1.3 同步的局限性：导致程序的执行效率要降低

     1.4 同步方法（非静态的）的锁为this。

同步方法（静态的）的锁为当前类本身。

                         单例设计模式之懒汉式

class Singleton {
	private static Singleton instance = null;
	private Singleton(){}
	public static Singleton getInstance(){
		if(instance==null){
			synchronized(Singleton.class){
				if(instance == null){
					instance=new Singleton();
				}	}	}
		return instance;
	} 	}
public class TestSingleton{
	public static void main(String[] args){
		Singleton s1=Singleton.getInstance();
		Singleton s2=Singleton.getInstance();
		System.out.println(s1==s2);
	}	}

                         小结：释放锁的操作

1当前线程的同步方法、同步代码块执行结束

2当前线程在同步代码块、同步方法中遇到break、return终止了该代码块、该方法的继续执行。

3当前线程在同步代码块、同步方法中出现了未处理的Error或Exception，导致异常结束

4当前线程在同步代码块、同步方法中执行了线程对象的wait()方法，当前线程暂停，并释放锁

小结：不会释放锁的操作

1线程执行同步代码块或同步方法时，程序调用Thread.sleep()、Thread.yield()方法暂停当前线程的执行

2线程执行同步代码块时，其他线程调用了该线程的suspend()方法将该线程挂起，该线程不会释放锁（同步监视器）。

 2.1应尽量避免使用suspend()和resume()来控制线程

               线程的死锁问题

死锁

     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

解决方法

1专门的算法、原则

2尽量减少同步资源的定义

public class TestDeadLock {
public static void main(String[] args) {
final StringBuffer s1 = new StringBuffer();
final StringBuffer s2 = new StringBuffer();
new Thread() {
public void run() {
synchronized (s1) {
s2.append("A");
synchronized (s2) {
s2.append("B");
System.out.print(s1);
System.out.print(s2);
}}}}.start();

new Thread() {
public void run() {
synchronized (s2) {
s2.append("C");
synchronized (s1) {
s1.append("D");
System.out.print(s2);
System.out.print(s1);
}}}}.start();
}}

线程的通信

wait() 与 notify() 和 notifyAll()

  wait()：令当前线程挂起并放弃CPU、同步资源，使别的线程可访问并修改共享资源，而当前线程排队等候再次对资源的访问

  notify()：唤醒正在排队等待同步资源的线程中优先级最高者结束等待

  notifyAll ()：唤醒正在排队等待资源的所有线程结束等待.

Java.lang.Object提供的这三个方法只有在synchronized方法或synchronized代码块中才能使用，否则会报java.lang.IllegalMonitorStateException异常

wait() 方法

在当前线程中调用方法：  对象名.wait()

使当前线程进入等待（某对象）状态 ，直到另一线程对该对象发出 notify (或notifyAll) 为止。

调用方法的必要条件：当前线程必须具有对该对象的监控权（加锁）

调用此方法后，当前线程将释放对象监控权  ，然后进入等待

在当前线程被notify后，要重新获得监控权，然后从断点处继续代码的执行。

notify()/notifyAll()

在当前线程中调用方法：  对象名.notify()

功能：唤醒等待该对象监控权的一个线程。

调用方法的必要条件：当前线程必须具有对该对象的监控权（加锁）

例题: 使用两个线程打印 1-100. 线程1, 线程2 交替打印

class Communication implements Runnable{
int i = 1;
public void run() {
while (true) {
synchronized (this) {
notify();
if (i <= 100) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":"
+ i++);
}
else   break;
try {
wait();} catch (InterruptedException e) {
}}}}}

经典例题：生产者/消费者问题

生产者(Productor)将产品交给店员(Clerk)，而消费者(Customer)从店员处取走产品，店员一次只能持有固定数量的产品(比如:20），如果生产者试图生产更多的产品，店员会叫生产者停一下，如果店中有空位放产品了再通知生产者继续生产；如果店中没有产品了，店员会告诉消费者等一下，如果店中有产品了再通知消费者来取走产品。

这里可能出现两个问题：

生产者比消费者快时，消费者会漏掉一些数据没有取到。

消费者比生产者快时，消费者会取相同的数据。

/**售货员*/
public class Clerk {
    private int product = 0;
    public synchronized void addProduct(){
        if(product >= 20){
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }else{
            product++;
            System.out.println("生产者生产了第"+product+"个产品");
            notifyAll();
        }
    }

    public synchronized void getProduct(){
        if(this.product <= 0){
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }}else{
            System.out.println("消费者取走了第"+product+"个产品");
            product--;
            notifyAll();
        }
    }
}

/**消费者*/
public class Consumer implements Runnable{

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

    @Override
    public void run(){
        System.out.println("消费者开始取走产品");
        while(true){
            try {
                Thread.sleep((int)Math.random()*1000);
            } catch (InterruptedException e) {
            }
            clerk.getProduct();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Clerk cc=new Clerk();
       Productor p=new Productor(cc);
       Consumer c=new Consumer(cc);
       Thread t1=new Thread(p);
       Thread t2 =new Thread(c);
        t1.start();
        t2.start();

    }
}

/**生产者*/
public class Productor implements Runnable{
    Clerk clerk;
    public Productor(Clerk clerk){
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run(){
        System.out.println("生产者开始生产产品");
        while(true){
            try {
                Thread.sleep((int)Math.random()*1000);
            } catch (InterruptedException e) {
            }
            clerk.addProduct();
        }
    }
}

模拟银行取钱的问题

1.定义一个Account类

1）该Account类封装了账户编号（String）和余额（double）两个属性

2）设置相应属性的getter和setter方法

3）提供无参和有两个参数的构造器

4）系统根据账号判断与用户是否匹配，需提供hashCode()和equals()方法的重写

2.提供一个取钱的线程类

1）提供了Account类的account属性和double类的取款额的属性

2）提供带线程名的构造方法

3）run()方法中提供取钱的操作

3.在主类中创建线程进行测试。考虑线程安全问题。

public class Account {
private String accountId;
private double balance;
public Account(){
}
public Account(String accountId,double balance){
this.accountId = accountId;
this.balance = balance;}
public String getAccountId() {
return accountId;}
public void setAccountId(String accountId) {
this.accountId = accountId;}
public double getBalance() {
return balance;}
public void setBalance(double balance) {
this.balance = balance;}
public String toString() {
return "Account [accountId=" + accountId + ", balance=" + balance + "]";
}
public int hashCode() {
final int prime = 31;
int result = 1;
result = prime * result
+ ((accountId == null) ? 0 : accountId.hashCode());
long temp;
temp = Double.doubleToLongBits(balance);
result = prime * result + (int) (temp ^ (temp >>> 32)); return result;}
public boolean equals(Object obj) {
if (this == obj) return true;
if (obj == null)
return false;
if (getClass() != obj.getClass())
return false;
Account other = (Account) obj;
if (accountId == null) {
if (other.accountId != null) return false;
} else if (!accountId.equals(other.accountId))
return false;
if (Double.doubleToLongBits(balance) != Double
.doubleToLongBits(other.balance))
return false;
return true;}}

 

public class WithDrawThread extends Thread{
Account account;
//要取款的额度
double withDraw;
public WithDrawThread(String name,Account account,double amt){
super(name);
this.account = account;
this.withDraw = amt;}
public void run(){
synchronized (account) {
if (account.getBalance() > withDraw) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ ":取款成功，取现的金额为：" + withDraw);
try {Thread.sleep(50);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();}
account.setBalance(account.getBalance() - withDraw);
} else {
System.out.println("取现额度超过账户余额，取款失败");}
System.out.println("现在账户的余额为：" + account.getBalance());
}}}

 

public class WithDrawThreadTest {
public static void main(String[] args) {
Account account = new Account("1234567",10000);
Thread t1 = new WithDrawThread("小明",account,8000);
Thread t2 = new WithDrawThread("小明's wife",account,2800);
t1.start();
t2.start();
}
}

 线程池

类似：数据库连接池

1系统启动一个新线程的成本是比较高的，因为它涉及与os交互。这种情况下，系统启动时即创建大量空闲的线程，就可以很好地提高性能，尤其是当程序需要创建大量生存期很短暂的线程时。

2除此之外，使用线程池可以有效地控制系统中并发线程的数量。避免因并发创建的线程过多，导致系统性能下降，JVM崩溃。

3Java 5以前，需要手动创建自己的线程池；Java 5开始，新增了Executors工厂类产生线程池。

4使用线程池执行线程任务的步骤如下：

1.调用Executors 类的静态方法newFixedThreadPool(int nThreads)，创建一个可重用的、具有固定线程数的线程池ExecutorService对象

2.创建Runnable实例，作为线程执行任务

3.调用ExecutorService对象的submit()提交Runnable实例

4.调用ExecutorService对象的shutDown()方法关闭线程池。