Java 多线程
Posted 康先森
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java 多线程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
文章较长，给大家提供索引：
7.等待（wait()）、唤醒（notify()、notifyAll()）、休眠(sleep())
8.消费者-生产者问题（consumer-producter）
1.多线程的概念
首先明确两个概念：进程与线程。
进程：一个进程对应了一个应用程序。进程是某个数据集合的一次执行过程，也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。比如我们打开QQ，QQ在系统中就是一个进程，我们打开任务管理器，每一个大项就是一个进程。
线程：线程是进程的具体执行场景，一个进程可以包含多个线程。最简单的例子，我们用Chrome浏览器打开多个网页，在任务管理器里面可以看见一个Chrome进程包含了多个线程，每个线程就是我们具体的使用场景（网页）。
进程与进程间的内存是独立的，也就是说，每个进程都有自己的一块专属空间。但是线程间会共享堆内存与方法区（栈内存每个进程都有一个）。
并行和并发：
并行：多个CPU同时干一个事儿，或者是多台电脑，是真正的同时。
并发：CPU在多个任务间进行快速切换，切换规则根据CPU的调度算法指定。因为CPU执行速度太快，我们看上去像是在同时运行。
2.我们为什么要应用多线程？
多线程可以提高应用程序的利用率。事实上，所有的多线程都可以通过单线程写出来。
3.多线程的定义方式
第一种：通过继承Thread类。
1 class Demo extends Thread 2 { 3 public void run() 4 { 5 for (int i = 0; i < 10; i++) 6 System.out.print("a+"+i+" "); 7 } 8 } 9 10 class ThreadDemo 11 { 12 public static void main(String args[]) 13 { 14 15 Demo d = new Demo(); 16 d.start(); 17 for(int i=0;i<10;i++) 18 { 19 System.out.print("b+"+i+" "); 20 } 21 } 22 }
运行结果：
我们发现两个输出是交替运行的，说明多线程具有随机性。
具体步骤：
1.定义一个类，继承Thread；
2.覆盖Thread类中的run()方法；
run()方法里面写你想多线程执行的代码。
3.调用线程的start()方法。
start()两个作用：启动线程，调用run()方法。
向下面这样的是不行的:
1 class Demo extends Thread 2 { 3 public void run() 4 { 5 for (int i = 0; i < 10; i++) 6 System.out.print("a+"+i+" "); 7 } 8 } 9 10 class ThreadDemo 11 { 12 public static void main(String args[]) 13 { 14 15 Demo d = new Demo(); 16 d.run(); 17 for(int i=0;i<10;i++) 18 { 19 System.out.print("b+"+i+" "); 20 } 21 } 22 }
对比输出我们发现，如果只调用run()就跟一般的对象建立与方法调用无二了。
所以要调用start()而不是去自己调用run()。
第二种：实现Runnable接口
1 class Demo implements Runnable 2 { 3 public void run() 4 { 5 System.out.println("Thread Running!"); 6 } 7 } 8 9 class ThreadDemo 10 { 11 public static void main(String args[]) 12 { 13 14 Demo d=new Demo(); 15 Thread t=new Thread(d); 16 t.run(); 17 } 18 }
步骤：
1.定义类实现Runnable接口；
2.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；
3.通过Thread类建立线程对象。
4.将Runnable接口的子类对象作为实际参数传递给Thread类的构造函数。
为什么要将Runnable接口的子类对象作为实际参数传递给Thread的构造函数？
因为，自定义的run方法所属的对象是Runnable接口的子类对象，所以要让线程去指定对象的run方法的话，就必须明确该run方法所属对象。
5.调用Thread类的start方法开启线程并调用Runnable接口子类的run()方法
一般来说，我们是推荐Runnable方式来定义的。因为可以避免单继承的局限性。
4.线程的运行状态
不多说，直接上图。
一个线程被创建（new()）之后，会进入准备（start()）状态。然后CPU通过调度使线程进入运行（run()）状态，也就是说，线程被执行有且只有一个机会，就是进入start()状态，才有机会执行。
5.线程的安全问题，同步
我们知道，CPU的运行、切换速度是极快的。这样就会产生一个问题：两个线程操作同一个数据（共享数据）时，A线程向里面存放数据，B从里面取出数据，A的数据还没放完B就取走了。这样就导致取出的数据重复。又或者，A存数据时B还没来得及取，A就继续向里面存了，这样导致少取了几个数据。这两种情况都会导致数据错乱，所以我们必须去解决这个问题。Java为我们提供了同步（synchronized）来解决问题。
不加同步，我们进行下面的操作：
1 class Res 2 { 3 private String name; 4 private String sex; 5 6 public String getName() 7 { 8 return name; 9 } 10 11 public String getSex() 12 { 13 return sex; 14 } 15 16 public void setName(String name) 17 { 18 this.name = name; 19 } 20 21 public void setSex(String sex) 22 { 23 this.sex = sex; 24 } 25 } 26 27 class In implements Runnable 28 { 29 private Res res; 30 private boolean flag; 31 32 public In(Res res) 33 { 34 this.res = res; 35 } 36 37 @Override 38 public void run() 39 { 40 while (true) 41 { 42 if (flag) 43 { 44 res.setName("小红!!!"); 45 res.setSex("女!!!!"); 46 } 47 else 48 { 49 res.setName("小明"); 50 res.setSex("男"); 51 } 52 flag = !flag; 53 } 54 55 56 } 57 } 58 59 class Out implements Runnable 60 { 61 private Res res; 62 63 public Out(Res res) 64 { 65 this.res = res; 66 } 67 68 @Override 69 public void run() 70 { 71 while (true) 72 { 73 System.out.println("姓名是：" + res.getName()); 74 System.out.println("性别是：" + res.getSex()); 75 } 76 77 } 78 } 79 80 class synchronizedDemo 81 { 82 public static void main(String[] args) 83 { 84 Res res = new Res(); 85 Thread thread1 = new Thread(new In(res)); 86 Thread thread2 = new Thread(new Out(res)); 87 thread1.start(); 88 thread2.start(); 89 } 90 }
代码很简单，就是一个存数据一个取数据。
当我们运行之后：
也很好理解，原因就像上面说过的那样，数据错乱了。
同步：在一个线程运行的时候，只能等该线程运行完毕之后才能让其他线程参与操作，这就保证了线程对数据操作的唯一性。
方式1：同步代码块：
我们在循环外加上：
1 public void run() 2 { 3 while (true) 4 { 5 synchronized (res)//修改代码 6 { 7 if (flag) 8 { 9 res.setName("小红!!!"); 10 res.setSex("女!!!!"); 11 } 12 else 13 { 14 res.setName("小明"); 15 res.setSex("男"); 16 } 17 flag = !flag; 18 } 19 } 20 } 21 //只保留了修改的代码 22 @Override 23 public void run()//修改代码 24 { 25 while (true) 26 { 27 synchronized (res) 28 { 29 System.out.println("姓名是：" + res.getName()); 30 System.out.println("性别是：" + res.getSex()); 31 } 32 } 33 }
这样我们的打印结果就是正确的了。
原理：
synchronized相当于一个锁，每一个线程进去之后会持有该锁。只有这个线程将同步代码块内的代码执行完毕之后，这个锁才会被释放。在执行过程中，如有其他线程也要去执行被同步的代码，因为该锁已经被占有，所以就不会去执行里面的代码而是进入了锁定（block()）状态。只有锁被释放，这些被锁定的线程才回去争抢执行资格。可以很形象的类比高铁上的厕所，因为只有一个位置，所以一次只能进一个人。这个人进去之后为防流氓会把门锁上（持有锁），只有等他解决完才能开门（释放锁）。然后门口等待的人就可以争抢这个位置了。
但是我们要注意三点：
1.一定是多线程环境。
2.多线程涉及到了共享数据且进行了修改。
3.同步的锁必须唯一。
也就是说，我们这里面传入的是res而不是this，就因为this不唯一。res我们只建立了一个对象当然是唯一的。其实，我们传入In.class，Out.class等等都可以，唯一就行。
方式2：同步函数
上面的方式是在需要被同步的函数外面套了一层同步代码块，我们还有另一种方式来实现，就是同步函数。
实现也很简单，就是在函数的返回值前面加上synchronized关键字就可以了，这个函数就是同步函数了。效果与同步代码块无二。
1 public synchronized void add(){}
但是如果是静态函数呢？
我们知道，静态函数不依赖对象的存在而存在，所以用对象作为静态函数的同步代码块的锁是错误的且没有意义的。这时候，我们就要使用类（.class）作为锁，因为在编译的时候字节码文件是唯一的。
6.死锁
死锁也很好理解：你持有我的锁，我持有你的锁，两个锁都在等待对方锁的释放。死锁的结果就是程序停滞，无法继续。
死锁的出现，一般是不正确的同步嵌套。
1 class DeadLock implements Runnable 2 { 3 @Override 4 public void run() 5 { 6 synchronized (Lock.object1) 7 { 8 System.out.println("123"); 9 synchronized (Lock.object2) 10 { 11 System.out.println("456"); 12 } 13 } 14 } 15 } 16 class Lock 17 { 18 static Object object1 = new Object(); 19 static Object object2 = new Object(); 20 21 } 22 class sychronizedDemo 23 { 24 public static void main(String[] args) 25 { 26 Thread thread = new Thread(new DeadLock()); 27 thread.start(); 28 } 29 }
7.等待（wait()）、唤醒（notify()、notifyAll()）、休眠(sleep())
在线程的控制中有四个方法比较关键：
wait()：使一个线程进入等待阻塞状态（blocked），此时这个线程放弃了CPU的执行权，只有被唤醒才能重新参与争夺。这个方法必须在synchronzed内。
notify()：唤醒处于等待阻塞的线程。
notifyAll()：唤醒所有等待的线程。
（以上三个方法都会抛出异常。具体的异常这里不提，只需要知道如果使用了这些方法，或者try或者throws）
需要注意的是，这三个方法都是属于Objec类中的方法，也就说所有对象都具有这几个方法。这么做的用意是？
因为这些方法在操作同步中的线程是，都必须标示出他们所操作的线程持有的锁。只有同一个锁上的处于等待中的线程，才可以被同一个锁上的notify()唤醒。不可以对不同锁中的不同线程进行唤醒。但是，如果所有线程都在这个锁上等待，这时notify会随机唤醒其中一个线程。
sleep()：使线程进入休眠状态。需要注意的是，在休眠状态的线程并没有交出执行权。我们可以指定休眠时间，比如sleep(10)。
了解了这四个方法，我们就可以解决下面的经典问题了——
8.消费者-生产者问题（consumer-producter）
首先先简单的构建一个场景--
在一个采矿场，有两拨工人——一波负责挖煤，一波负责将煤运出去。挖煤的人会将挖好的煤放入一个大桶，然后运煤的会从桶里面将煤运走。假设两拨工人的效率是一样的，也就是挖和踩的速度是一样的。我们希望，桶内不要存煤，换句话说，挖了一块放在桶里，立刻就有人将桶内的煤运走。
这个问题，就涉及到了我们的生产者-消费者模型。我们会用三个方法来解决这个问题。
问题分析：
我们知道，不同线程会去争夺CPU的执行权。也就是说，如果第一次挖煤的抢到了执行权，然后下一次是挖煤还是运煤是不确定的。我们希望的是，当我们挖煤的时候，运煤的不去干扰我们，等我们把煤挖完之后，运煤的安心运煤同样不让挖煤的干扰，这样两个动作交替运行，就会有和谐的结果。
这里面引入两个概念：
等待池：假设一个线程执行了wait()方法，那么这个线程就会释放掉自己的锁（因为这个线程既然执行了wait方法，那么它一定实在synchornized内，也就是说这个线程一定持有锁），然后进入等待池中。等待池中的线程不会去竞争执行权。
同步锁池：在一个线程获得对象的锁的时候，其他线程就在同步锁池中等待。在这个线程释放掉自己的锁之后，就进入了等待池中。notify()方法会（随机）唤醒等待池中的一个方法进入到同步锁池中进行竞争，而notityAll()会唤醒所有的线程。
关于这俩概念，我这里有个比喻可能会帮助理解。
在古代，想进入官场（执行方法体）出人头地就必须去科举考试，谁第一谁当官（获取到锁，也就是持有锁）。而众所周知，有这个想法的人很多，大家都在考试（竞争CPU执行权），大家都在考场进行考试（同步锁池）。但是官场阴暗，现任官员被罢官（执行了对象的wait()方法），这个官员就去了深山老林（等待池）。这时候，有人对他进行了鼓舞（notify()），他很兴奋，但是想当官也是需要重新考的，于是和大家一起考试（进入了同步锁池）。当然，官位不能空缺，在他隐居深山的时候，自然有人通过竞争当了官。
介绍完概念，我们回到问题上。首先把问题简化，假设只有挖煤人A，运煤人B，一个挖一个运，效率相同。
解决方式1：
我们希望是这样的：
①A执行T对象的同步方法，此时对象持有T对象的锁，B在T的锁池中等待。
②A执行到了wait()方法，A释放锁，进入了T的等待池，此时A进入了同步锁池，与其他的线程一通参与竞争。
③在锁池中的B拿到锁，执行它自己的同步方法。
④B执行到了notify()，唤醒了在等待池中的A并将其移动到了T对象的锁池中等待获取锁。
⑤B执行完了同步方法，释放锁，A获取锁，继续①。
1 class Res //共享资源 2 { 3 int age = 0; 4 String name; 5 boolean isEmpty = true;//资源是否为空 6 7 public synchronized void In(String name, int age)//生产方法 8 { 9 try 10 { 11 while (!isEmpty)//如果资源非空 12 { 13 this.wait();//等待 14 } 15 this.name = name; 16 this.age = age; 17 isEmpty = false;//生产完毕，资源非空 18 this.notifyAll(); 19 } catch (Exception e) 20 { 21 e.printStackTrace(); 22 } 23 } 24 25 public synchronized void Out()//消费方法 26 { 27 try 28 { 29 while (isEmpty)//资源为空 30 { 31 this.wait();//等待 32 } 33 System.out.println("姓名：" + name + "年龄：" + age); 34 isEmpty = true; 35 this.notifyAll(); 36 } catch (Exception e) 37 { 38 e.printStackTrace(); 39 } 40 } 41 } 42 43 44 class Producer implements Runnable 45 { 46 private Res res; 47 private int i = 0; 48 49 public Producer(Res res) 50 { 51 this.res = res; 52 } 53 54 @Override 55 public void run() 56 { 57 while (true) 58 { 59 if (i % 2 == 0) 60 res.In("小红", 10); 61 else 62 res.In("老王", 70); 63 i++; 64 } 65 66 } 67 } 68 69 class Consumer implements Runnable 70 { 71 private Res res; 72 73 public Consumer(Res res) 74 { 75 this.res = res; 76 77 } 78 79 @Override 80 public void run() 81 { 82 while (true) 83 { 84 res.Out(); 85 } 86 87 88 } 89 } 90 91 class synchronizedDemo 92 { 93 public static void main(String[] args) 94 { 95 Res res = new Res();//分别创建了两个生产者两个消费者，更能突出现象 96 Thread thread1 = new Thread(new Consumer(res)); 97 Thread thread2 = new Thread(new Producer(res)); 98 Thread thread3 = new Thread(new Consumer(res)); 99 Thread thread4 = new Thread(new Producer(res)); 100 thread1.start(); 101 thread2.start(); 102 thread3.start(); 103 thread4.start(); 104 105 } 106 }
上面的代码就解决了问题——
稍加说明：
同步函数的锁是this，也就是当前对象。因为在main函数中我们只创建了一个Res对象，所以自始至终两个函数（In,Out）用的是同一个锁。
解决方式2：
在JDK升级到5.0之后，java为我们提供了一个新的解决方式：Lock包。
以往我们是使用sychronized关键字来隐式的建立锁、释放锁的（我们从没手动干涉过锁的建立，也没手动释放锁（wait是个例外，其实它也不算是正常释放锁，因为wait之后线程进入了等待池，而正常情况下应该进入锁池））。Java为我们提供了手动创建锁和释放锁的方式，并将我们上述的三个方法(wait,notify,notifyAll)与锁挂上了钩。下面详细说明。
我们将上面的“生产者消费者1”进行Lock的修改：
1 import java.util.concurrent.locks.Condition; 2 import java.util.concurrent.locks.Lock; 3 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; 4 5 class Res //共享资源 6 { 7 int age = 0; 8 String name; 9 boolean isEmpty = true;//资源是否为空 10 Lock lock = new ReentrantLock(); 11 private Condition conditionOfConusmer=lock.newCondition(); 12 private Condition conditionOfProducer=lock.newCondition(); 13 public void In(String name, int age)//生产方法 14 { 15 lock.lock(); 16 try 17以上是关于Java 多线程的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章