java多线程

Posted 2020-10-16 青山不改，绿水长流

转载自：https://www.cnblogs.com/lwbqqyumidi/p/3804883.html  和  http://www.cnblogs.com/lwbqqyumidi/p/3821389.html

多线程作为Java中很重要的一个知识点，在此还是有必要总结一下的。

一.线程的生命周期及五种基本状态

关于Java中线程的生命周期，首先看一下下面这张较为经典的图：

上图中基本上囊括了Java中多线程各重要知识点。掌握了上图中的各知识点，Java中的多线程也就基本上掌握了。主要包括：

Java线程具有五中基本状态

新建状态（New）：当线程对象对创建后，即进入了新建状态，如：Thread t = new MyThread();

就绪状态（Runnable）：当调用线程对象的start()方法（t.start();），线程即进入就绪状态。处于就绪状态的线程，只是说明此线程已经做好了准备，随时等待CPU调度执行，并不是说执行了t.start()此线程立即就会执行；

运行状态（Running）：当CPU开始调度处于就绪状态的线程时，此时线程才得以真正执行，即进入到运行状态。注：就     绪状态是进入到运行状态的唯一入口，也就是说，线程要想进入运行状态执行，首先必须处于就绪状态中；

阻塞状态（Blocked）：处于运行状态中的线程由于某种原因，暂时放弃对CPU的使用权，停止执行，此时进入阻塞状态，直到其进入到就绪状态，才 有机会再次被CPU调用以进入到运行状态。根据阻塞产生的原因不同，阻塞状态又可以分为三种：

1.等待阻塞：运行状态中的线程执行wait()方法，使本线程进入到等待阻塞状态；

2.同步阻塞 -- 线程在获取synchronized同步锁失败(因为锁被其它线程所占用)，它会进入同步阻塞状态；

3.其他阻塞 -- 通过调用线程的sleep()或join()或发出了I/O请求时，线程会进入到阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时，线程重新转入就绪状态。

死亡状态（Dead）：线程执行完了或者因异常退出了run()方法，该线程结束生命周期。

 

二. Java多线程的创建及启动

Java中线程的创建常见有如三种基本形式

1.继承Thread类，重写该类的run()方法。

 1 class MyThread extends Thread {
 2     
 3     private int i = 0;
 4 
 5     @Override
 6     public void run() {
 7         for (i = 0; i < 100; i++) {
 8             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
 9         }
10     }
11 }

 1 public class ThreadTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         for (int i = 0; i < 100; i++) {
 5             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
 6             if (i == 30) {
 7                 Thread myThread1 = new MyThread();     // 创建一个新的线程  myThread1  此线程进入新建状态
 8                 Thread myThread2 = new MyThread();     // 创建一个新的线程 myThread2 此线程进入新建状态
 9                 myThread1.start();                     // 调用start()方法使得线程进入就绪状态
10                 myThread2.start();                     // 调用start()方法使得线程进入就绪状态
11             }
12         }
13     }
14 }

如上所示，继承Thread类，通过重写run()方法定义了一个新的线程类MyThread，其中run()方法的方法体代表了线程需要完成的任务，称之为线程执行体。当创建此线程类对象时一个新的线程得以创建，并进入到线程新建状态。通过调用线程对象引用的start()方法，使得该线程进入到就绪状态，此时此线程并不一定会马上得以执行，这取决于CPU调度时机。

2.实现Runnable接口，并重写该接口的run()方法，该run()方法同样是线程执行体，创建Runnable实现类的实例，并以此实例作为Thread类的target来创建Thread对象，该Thread对象才是真正的线程对象。

 1 class MyRunnable implements Runnable {
 2     private int i = 0;
 3 
 4     @Override
 5     public void run() {
 6         for (i = 0; i < 100; i++) {
 7             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
 8         }
 9     }
10 }

 1 public class ThreadTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         for (int i = 0; i < 100; i++) {
 5             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
 6             if (i == 30) {
 7                 Runnable myRunnable = new MyRunnable(); // 创建一个Runnable实现类的对象
 8                 Thread thread1 = new Thread(myRunnable); // 将myRunnable作为Thread target创建新的线程
 9                 Thread thread2 = new Thread(myRunnable);
10                 thread1.start(); // 调用start()方法使得线程进入就绪状态
11                 thread2.start();
12             }
13         }
14     }
15 }

相信以上两种创建新线程的方式大家都很熟悉了，那么Thread和Runnable之间到底是什么关系呢？我们首先来看一下下面这个例子。

 1 public class ThreadTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         for (int i = 0; i < 100; i++) {
 5             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
 6             if (i == 30) {
 7                 Runnable myRunnable = new MyRunnable();
 8                 Thread thread = new MyThread(myRunnable);
 9                 thread.start();
10             }
11         }
12     }
13 }
14 
15 class MyRunnable implements Runnable {
16     private int i = 0;
17 
18     @Override
19     public void run() {
20         System.out.println("in MyRunnable run");
21         for (i = 0; i < 100; i++) {
22             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
23         }
24     }
25 }
26 
27 class MyThread extends Thread {
28 
29     private int i = 0;
30     
31     public MyThread(Runnable runnable){
32         super(runnable);
33     }
34 
35     @Override
36     public void run() {
37         System.out.println("in MyThread run");
38         for (i = 0; i < 100; i++) {
39             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
40         }
41     }
42 }

同样的，与实现Runnable接口创建线程方式相似，不同的地方在于

1 Thread thread = new MyThread(myRunnable)

那么这种方式可以顺利创建出一个新的线程么？答案是肯定的。至于此时的线程执行体到底是MyRunnable接口中的run()方法还是MyThread类中的run()方法呢？通过输出我们知道线程执行体是MyThread类中的run()方法。其实原因很简单，因为Thread类本身也是实现了Runnable接口，而run()方法最先是在Runnable接口中定义的方法。

1 public interface Runnable {
2    
3     public abstract void run();
4     
5 }

我们看一下Thread类中对Runnable接口中run()方法的实现：

　　@Override
    public void run() {
        if (target != null) {
            target.run();
        }
    }

也就是说，当执行到Thread类中的run()方法时，会首先判断target是否存在，存在则执行target中的run()方法，也就是实现了Runnable接口并重写了run()方法的类中的run()方法。但是上述给到的列子中，由于多态的存在，根本就没有执行到Thread类中的run()方法，而是直接先执行了运行时类型即MyThread类中的run()方法。

3.使用Callable和Future接口创建线程。具体是创建Callable接口的实现类，并实现call()方法。并使用FutureTask类来包装Callable实现类的对象，且以此FutureTask对象作为Thread对象的target来创建线程。

 看着好像有点复杂，直接来看一个例子就清晰了。

 1 public class ThreadTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4 
 5         Callable<Integer> myCallable = new MyCallable();    // 创建MyCallable对象
 6         FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<Integer>(myCallable); //使用FutureTask来包装MyCallable对象
 7 
 8         for (int i = 0; i < 100; i++) {
 9             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
10             if (i == 30) {
11                 Thread thread = new Thread(ft);   //FutureTask对象作为Thread对象的target创建新的线程
12                 thread.start();                      //线程进入到就绪状态
13             }
14         }
15 
16         System.out.println("主线程for循环执行完毕..");
17         
18         try {
19             int sum = ft.get();            //取得新创建的新线程中的call()方法返回的结果
20             System.out.println("sum = " + sum);
21         } catch (InterruptedException e) {
22             e.printStackTrace();
23         } catch (ExecutionException e) {
24             e.printStackTrace();
25         }
26 
27     }
28 }
29 
30 
31 class MyCallable implements Callable<Integer> {
32     private int i = 0;
33 
34     // 与run()方法不同的是，call()方法具有返回值
35     @Override
36     public Integer call() {
37         int sum = 0;
38         for (; i < 100; i++) {
39             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
40             sum += i;
41         }
42         return sum;
43     }
44 
45 }

首先，我们发现，在实现Callable接口中，此时不再是run()方法了，而是call()方法，此call()方法作为线程执行体，同时还具有返回值！在创建新的线程时，是通过FutureTask来包装MyCallable对象，同时作为了Thread对象的target。那么看下FutureTask类的定义：

1 public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
2     
3     //....
4     
5 }

1 public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
2     
3     void run();
4     
5 }

于是，我们发现FutureTask类实际上是同时实现了Runnable和Future接口，由此才使得其具有Future和Runnable双重特性。通过Runnable特性，可以作为Thread对象的target，而Future特性，使得其可以取得新创建线程中的call()方法的返回值。

执行下此程序，我们发现sum = 4950永远都是最后输出的。而“主线程for循环执行完毕..”则很可能是在子线程循环中间输出。由CPU的线程调度机制，我们知道，“主线程for循环执行完毕..”的输出时机是没有任何问题的，那么为什么sum =4950会永远最后输出呢？

原因在于通过ft.get()方法获取子线程call()方法的返回值时，当子线程此方法还未执行完毕，ft.get()方法会一直阻塞，直到call()方法执行完毕才能取到返回值。

上述主要讲解了三种常见的线程创建方式，对于线程的启动而言，都是调用线程对象的start()方法，需要特别注意的是：不能对同一线程对象两次调用start()方法。

 

三. Java多线程的就绪、运行和死亡状态

就绪状态转换为运行状态：当此线程得到处理器资源；

运行状态转换为就绪状态：当此线程主动调用yield()方法或在运行过程中失去处理器资源。

运行状态转换为死亡状态：当此线程线程执行体执行完毕或发生了异常。

此处需要特别注意的是：当调用线程的yield()方法时，线程从运行状态转换为就绪状态，但接下来CPU调度就绪状态中的哪个线程具有一定的随机性，因此，可能会出现A线程调用了yield()方法后，接下来CPU仍然调度了A线程的情况。

由于实际的业务需要，常常会遇到需要在特定时机终止某一线程的运行，使其进入到死亡状态。目前最通用的做法是设置一boolean型的变量，当条件满足时，使线程执行体快速执行完毕。如：

 1 public class ThreadTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4 
 5         MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
 6         Thread thread = new Thread(myRunnable);
 7         
 8         for (int i = 0; i < 100; i++) {
 9             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
10             if (i == 30) {
11                 thread.start();
12             }
13             if(i == 40){
14                 myRunnable.stopThread();
　　　　　　　　　　　//这个方法也可以：thread.stop();//有横线，原因：他们的开发者在升级方法后，添加了@Deprecated注释，目的是为了提醒我们，这个方法现在已经有新的方法了，不建议继续使用！
15             }
16         }
17     }
18 }
19 
20 class MyRunnable implements Runnable {
21 
22     private boolean stop;
23 
24     @Override
25     public void run() {
26         for (int i = 0; i < 100 && !stop; i++) {
27             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
28         }
29     }
30 
31     public void stopThread() {
32         this.stop = true;
33     }
34 
35 }

 四、java多线程的并发安全问题

（一）取钱

 1  class Account {
 2 36 
 3 37     private String accountNo;//账户
 4 38     private double balance;//余额
 5 39 
 6 40     public Account() {
 7 41 
 8 42     }
 9 43 
10 44     public Account(String accountNo, double balance) {
11 45         this.accountNo = accountNo;
12 46         this.balance = balance;
13 47     }
14 48 
15 49     public String getAccountNo() {
16 50         return accountNo;
17 51     }
18 52 
19 53     public void setAccountNo(String accountNo) {
20 54         this.accountNo = accountNo;
21 55     }
22 56 
23 57     public double getBalance() {
24 58         return balance;
25 59     }
26 60 
27 61     public void setBalance(double balance) {
28 62         this.balance = balance;
29 63     }
30 64 
31 65 }

 1 class DrawMoneyRunnable implements Runnable {
 2 15 
 3 16     private Account account;
 4 17     private double drawAmount;
 5 18 
 6 19     public DrawMoneyRunnable(Account account, double drawAmount) {
 7 20         super();
 8 21         this.account = account;
 9 22         this.drawAmount = drawAmount;
10 23     }
11 24 
12 25     public void run() {
13 26         if (account.getBalance() >= drawAmount) {  //1
14 27             System.out.println("取钱成功， 取出钱数为：" + drawAmount);
15 28             double balance = account.getBalance() - drawAmount;
16 29             account.setBalance(balance);
17 30             System.out.println("余额为：" + balance);
18 31         }
19 32     }
20 33 }

 

 1 public class ThreadTest {
 2  2 
 3  3     public static void main(String[] args) {
 4  4         Account account = new Account("123456", 1000);
 5  5         DrawMoneyRunnable drawMoneyRunnable = new DrawMoneyRunnable(account, 700);
 6  6         Thread myThread1 = new Thread(drawMoneyRunnable);
 7  7         Thread myThread2 = new Thread(drawMoneyRunnable);
 8  8         Thread myThread2 = new Thread(drawMoneyRunnable);
 9  9         myThread1.start();
10  10       myThread2.start();
11  11       myThread3.start();
12 12     }
13 13 
14 14 }
15                 

结果：

取钱成功，取出钱数为：700.0
取钱成功，取出钱数为：700.0
取钱成功，取出钱数为：700.0
余额为：-400.0
余额为：300.0
余额为：-1100.0

这是模拟三个人同时在银行取款，取款机进行取钱。也就是说，对于一张只有1000余额的银行卡，你们一共可以取出2100，这显然是有问题的。

经过分析，问题在于Java多线程环境下的执行的不确定性。CPU可能随机的在多个处于就绪状态中的线程中进行切换，因此，很有可能出现如下情况：当thread1执行到//1处代码时，判断条件为true，此时CPU切换到thread2，执行//1处代码，发现依然为真，然后执行完thread2，接着切换到thread1，接着执行完毕。此时，就会出现上述结果.

因此，讲到线程安全问题，其实是指多线程环境下对共享资源的访问可能会引起此共享资源的不一致性。因此，为避免线程安全问题，应该避免多线程环境下对此共享资源的并发访问。

解决办法：

1.synchronized

对共享资源进行访问的方法定义中加上synchronized关键字修饰，使得此方法称为同步方法。可以简单理解成对此方法进行了加锁，其锁对象为当前方法所在的对象自身。多线程环境下，当执行此方法时，首先都要获得此同步锁（且同时最多只有一个线程能够获得），只有当线程执行完此同步方法后，才会释放锁对象，其他的线程才有可能获取此同步锁，以此类推...

在上例中，共享资源为account对象，当使用同步方法时，可以解决线程安全问题。只需在run()方法前加上synshronized关键字即可。

1 public synchronized void run() {
2        
3     // ....
4  
5 }

2.同步代码快

正如上面所分析的那样，解决线程安全问题其实只需限制对共享资源访问的不确定性即可。使用同步方法时，使得整个方法体都成为了同步执行状态，会使得可能出现同步范围过大的情况，于是，针对需要同步的代码可以直接另一种同步方式——同步代码块来解决。

同步代码块的格式为：

1 synchronized (obj) {
2             
3     //...
4 
5 }

其中，obj为锁对象，因此，选择哪一个对象作为锁是至关重要的。一般情况下，都是选择此共享资源对象作为锁对象。

如上例中，最好选用account对象作为锁对象。（当然，选用this也是可以的，那是因为创建线程使用了runnable方式，如果是直接继承Thread方式创建的线程，使用this对象作为同步锁会其实没有起到任何作用，因为是不同的对象了。因此，选择同步锁时需要格外小心...）

3.Lock对象同步锁

上面我们可以看出，正因为对同步锁对象的选择需要如此小心，有没有什么简单点的解决方案呢？以方便同步锁对象与共享资源解耦，同时又能很好的解决线程安全问题。

使用Lock对象同步锁可以方便的解决此问题，唯一需要注意的一点是Lock对象需要与资源对象同样具有一对一的关系。Lock对象同步锁一般格式为：

 1 class X {
 2     
 3     // 显示定义Lock同步锁对象，此对象与共享资源具有一对一关系
 4     private final Lock lock = new ReentrantLock();
 5     
 6     public void m(){
 7         // 加锁
 8         lock.lock();
 9         
10         //...  需要进行线程安全同步的代码
11         
12         // 释放Lock锁
13         lock.unlock();
14     }
15     
16 }

（二）存钱+取钱

因为cup执行所有多线程资源是按等级有先后顺序的，所以在synchronized的情况（执行某线程时中间不会中断，或被其他线程抢占资源）下，存款和取款不会发生线程安全问题（比如存钱和取钱不能及时更新余额）

代码如下：

 1 package main.java;
 2 
 3 public class Account {
 4     
 5     private String accountNo;//账户
 6     private double balance;//余额
 7     
 8     
 9     public Account() {
10         super();
11     }
12     
13     public Account(String accountNo, double balance) {
14         super();
15         this.accountNo = accountNo;
16         this.balance = balance;
17     }
18     /**
19      * @return the accountNo
20      */
21     public String getAccountNo() {
22         return accountNo;
23     }
24     /**
25      * @param accountNo the accountNo to set
26      */
27     public void setAccountNo(String accountNo) {
28         this.accountNo = accountNo;
29     }
30     /**
31      * @return the balance
32      */
33     public double getBalance() {
34         return balance;
35     }
36     /**
37      * @param balance the balance to set
38      */
39     public void setBalance(double balance) {
40         this.balance = balance;
41     }
42     
43     
44 
45 }

 1 package main.java;
 2 
 3 public class TestThread {
 4     static Account acc = new Account("11111", 1000);
 5 
 6     public static void main(String[] args) {
 7 
 8         for (int i = 0; i < 5; i++) {
 9             Thread save = new Thread(new Runnable() {
10                 @Override
11                 public void run() {
12                     saveAmt(acc, 10.0);
13                     System.out.println(Thread.currentThread().getName());
14                 }
15             });
16             save.setName("i:" + i + "存钱");
17             save.start();
18         }
19         for (int j = 0; j < 5; j++) {
20             Thread get = new Thread(new Runnable() {
21 
22                 @Override
23                 public void run() {
24                     decAmt(acc, 10.0);
25                     System.out.println(Thread.currentThread().getName());
26                 }
27             });
28             get.setName("j:" + j + "消费");
29             get.start();
30         }
31         
32     }
33 
34     public synchronized static  void saveAmt(Account acc, Double amt) {
35         Double bal = acc.getBalance();
36         acc.setBalance(amt + bal);
37         System.out.println("存钱：" + amt);
38         System.out.println("余额" + acc.getBalance());
39     }
40 
41     public synchronized static Double decAmt(Account acc, Double amt) {
42         System.out.println("消费:" + amt);
43         acc.setBalance(acc.getBalance() - amt);
44         System.out.println("余额：" + acc.getBalance());
45         return acc.getBalance();
46     };
47 }

结果如下：

存钱：10.0
余额1010.0
i:0存钱
存钱：10.0
余额1020.0
i:4存钱
存钱：10.0
余额1030.0
i:3存钱
存钱：10.0
余额1040.0
i:2存钱
存钱：10.0
余额1050.0
i:1存钱
消费:10.0
余额：1040.0
j:0消费
消费:10.0
余额：1030.0
j:2消费
消费:10.0
余额：1020.0
j:1消费
消费:10.0
余额：1010.0
j:3消费
消费:10.0
余额：1000.0
j:4消费

 

五、wait()/notify()/notifyAll()线程通信

在博文《Java总结篇系列：java.lang.Object》中有提及到这三个方法，虽然这三个方法主要都是用于多线程中，但实际上都是Object类中的本地方法。因此，理论上，任何Object对象都可以作为这三个方法的主调，在实际的多线程编程中，只有同步锁对象调这三个方法，才能完成对多线程间的线程通信。

wait()：导致当前线程等待并使其进入到等待阻塞状态。直到其他线程调用该同步锁对象的notify()或notifyAll()方法来唤醒此线程。

notify()：唤醒在此同步锁对象上等待的单个线程，如果有多个线程都在此同步锁对象上等待，则会任意选择其中某个线程进行唤醒操作，只有当前线程放弃对同步锁对象的锁定，才可能执行被唤醒的线程。

notifyAll()：唤醒在此同步锁对象上等待的所有线程，只有当前线程放弃对同步锁对象的锁定，才可能执行被唤醒的线程。

由此，我们需要注意如下几点：

1.wait()方法执行后，当前线程立即进入到等待阻塞状态，其后面的代码不会执行；

2.notify()/notifyAll()方法执行后，将唤醒此同步锁对象上的（任意一个-notify()/所有-notifyAll()）线程对象，但是，此时还并没有释放同步锁对象，也就是说，如果notify()/notifyAll()后面还有代码，还会继续进行，知道当前线程执行完毕才会释放同步锁对象；

3.notify()/notifyAll()执行后，如果右面有sleep()方法，则会使当前线程进入到阻塞状态，但是同步对象锁没有释放，依然自己保留，那么一定时候后还是会继续执行此线程，接下来同2；

4.wait()/notify()/nitifyAll()完成线程间的通信或协作都是基于不同对象锁的，因此，如果是不同的同步对象锁将失去意义，同时，同步对象锁最好是与共享资源对象保持一一对应关系；

5.当wait线程唤醒后并执行时，是接着上次执行到的wait()方法代码后面继续往下执行的。