Java基础：多线程的具体介绍与使用

Posted 2021-05-23 ABin-阿斌

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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基础：多线程的具体介绍与使用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

我是 ABin-阿斌：写一生代码，创一世佳话，筑一揽芳华。如果小伙伴们觉得我的文章有点 feel ，那就点个赞再走哦。

文章目录

一、基本概念：线程、进程
二、线程的创建与使用
三、线程的生命周期
四、线程的同步
五、线程的通信
- - - 5.1、方法介绍与注意事项：
六、JDK5.0新增的线程创建方式

一、基本概念：线程、进程

1.1、进程与线程的具体介绍

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。

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

运行中的QQ，运行中的MP3播放器
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

1.2、对于CPU而言的理解

单核CPU和多核CPU的理解
- 单核CPU，其实是因为在一个时间单元内，也只能执行一个线程的任务。例如：虽然有多车道，但是一种假的多线程，收费站只有一个工作人员在收费，只有收了费才能通过，那么CPU就好比收费人员。如果有某个人不想交钱，那么收费人员可以把他“挂起”（晾着他，等他想通了，准备好了钱，再去收费）。但是因为CPU时间单元特别短，因此感觉不出来。
- 如果是多核的话，才能更好的发挥多线程的效率。（现在的服务器都是多核的）
- 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。
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。

1.3、为什么要使用多线程

背景：以单核CPU 为例，只使用单个线程先后完成多个任务（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：
- 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

二、线程的创建与使用

2.1、如何去创建和启动一个线程

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()

2.2、Thread类的具体分析

构造器：
- Thread()：创建新的 Thread 对象
- Thread(String threadname)：创建线程并指定线程实例名
- Thread(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
- Thread(Runnable target, String name)：创建新的 Thread 对象

创建线程的两种方式:
- JDK1.5 之前创建新执行线程有两种方法：
  - 继承 Thread 类的方式
  - 实现 Runnable 接口的方式
方式一：继承 Thread 类
- 定义子类继承 Thread 类。
- 子类中重写 Thread 类中的 run 方法。
- 创建 Thread 子类对象，即创建了线程对象。
- 调用线程对象 start 方法：启动线程，调用 run 方法。

代码演示：

 * 多线程的创建，方式一：继承于Thread类
 * 1. 创建一个继承于Thread类的子类
 * 2. 重写Thread类的run() --> 将此线程执行的操作声明在run()中
 * 3. 创建Thread类的子类的对象
 * 4. 通过此对象调用start()
 * 例子：遍历100以内的所有的偶数

//1、创建一个继承于Thread类的子类
class Thread01 extends Thread {
    //2、重写Thread类的run()
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            }
        }
    }
}

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        //3、创建Thread类的子类的对象
        Thread01 thread01 = new Thread01();
        //4.通过此对象调用start()
        thread01.start();

        //创建第二个线程
        Thread01 thread02 = new Thread01();

        //注意：这里我们不能直接手动调用 run()方法
        //thread01.run();

        //注意：当我们再次调用start()时会直接报错：IllegalThreadStateException,所以一个线程只能用一次
        //thread01.start();

        thread02.start();


        //当前操作仍然是在main线程中执行
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i + "主线程被执行了");
            }

        }
    }
}

方式二：实现 Runnable 接口
- 定义子类，实现 Runnable 接口。
- 子类中重写 Runnable 接口中的 run 方法。
- 通过 Thread 类含参构造器创建线程对象。
- 将 Runnable 接口的子类对象作为实际参数传递给 Thread 类的构造器中。
- 调用 Thread 类的 start 方法：开启线程，调用 Runnable 子类接口的 run 方法。

2.3、两种实现方式的联系与区别

联系：
- Thread 内部其实也是实现了 Runnable 接口
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。

2.4、注意事项：

如果自己手动调用 run() 方法，那么就只是普通方法，没有启动多线程模式。
run() 方法由 JVM 调用，什么时候调用，执行的过程控制都有操作系统的 CPU 调度决定。
想要启动多线程，必须调用 start 方法。
一个线程对象只能调用一次 start() 方法启动，如果重复调用了，则将抛出以上的异常 IllegalThreadStateException。

2.5、代码测试

需求：创建两个分线程，让其中一个线程输出1-100之间的偶数，另一个线程输出1-100之间的奇数。

public class ThreadTest01 {
    public static void main(String[] args) {

        //线程一：偶数
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 100; i++) {
                    if (i % 2 == 0) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程一偶数的执行数：" + i);
                    }
                }
            }
        }.start();


        //线程二：奇数
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {

                for (int i = 0; i < 100; i++) {
                    if (i % 2 != 0) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程二奇数的执行数：" + i);
                    }
                }
            }
        }.start();
    }
}

2.6、Thread类的相关方法

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
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
- 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

在这里插入图片描述

2.7、测试以上方法：

 * @description: 多线程具体方法的使用
 * @date 2021/4/16 18:32
 */


class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + Thread.currentThread().getPriority() + ":" + i);

                //设置线程睡眠时间
               /* try {
                    sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }*/
            }
            //当满足当前条件时，终止线程
            /*if (i % 20 == 0) {
                yield();
            }*/


        }

    }
}

public class ThreadMethodTest {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread = new MyThread();

        thread.start();
        //给主线程命名
        thread.setName("我是线程一号");
        //将分线程优先级设置成最大
        thread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);

        Thread.currentThread().setName("我是主线程");
        //将主线程的优先级设置成最小
        Thread.currentThread().setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + Thread.currentThread().getPriority() + ":" + i);
            }
            //join()表示：线程A中调用线程B的join()方法,那么此时线程A进入阻塞状态，直到线程B完全执行完以后，线程A才
            //结束阻塞状态。
            /*if (i == 20) {
                try {
                    thread.join();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }*/

        }
        //isAlive():判断当前线程是否存活
//        System.out.println("当前线程是否存活：" + thread.isAlive());


    }
}

结果：

使用 sleep() 方法时的结果

使用 Join方法时的结果

三、线程的生命周期

JDK中用Thread.State类定义了线程的几种状态：

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，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
生命周期结构图

四、线程的同步

4.1、为什么要线程同步

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

4.2、举例说明：

创建三个窗口卖票，总票数为100张.使用继承Thread类的方式

class Window extends Thread {

    private static int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (ticket > 0) {
                System.out.println(getName() + "买票编码号为：" + ticket);
                ticket--;
            } else {
                break;
            }
        }
    }
}

public class TicketWindowTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程
        Window w1 = new Window();
        Window w2 = new Window();
        Window w3 = new Window();

        //设置线程名字
        w1.setName("窗口一：");
        w2.setName("窗口二：");
        w3.setName("窗口三：");

        //开启线程
        w1.start();
        w2.start();
        w3.start();
    }
}

正常情况下的效果：
不正常的情况下的效果：
上段代码出现的漏洞：
- 问题： 卖票过程中，出现了重票、错票，出现了线程的安全问题
- 原因： 当某个线程操作车票的过程中，尚未操作完成时，其他线程参与进来，也操作车票
- 解决： 当一个线程 a 在操作 ticket 的时候，其他线程不能参与进来。直到线程 a 操作完 ticket 时，其他线程才可以开始操作 ticket。这种情况即使线程a出现了阻塞，也不能被改变

4.3、Synchronized的使用方法

Java对于多线程的安全问题提供了专业的解决方式：同步机制

 1、同步代码块：
    synchronized (对象){
          // 需要被同步的代码；
    }

2、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){ 
            ….
   }

4.3、同步机制中的锁

同步锁机制：

在《Thinking in Java》中，是这么说的： 对于并发工作，你需要某种方式来防止两个任务访问相同的资源（其实就是共享资源竞争）。防止这种冲突的方法就是当资源被一个任务使用时，在其上加锁。第一个访问某项资源的任务必须锁定这项资源，使其他任务在其被解锁之前，就无法访问它了，而在其被解锁之时，另一个任务就可以锁定并使用它了。

synchronized的锁是什么？

任意对象都可以作为同步锁，所有对象都自动含有单一的锁（监视器）
同步方法的锁： 静态方法（类名.class）、非静态方法（this）
同步代码块： 自己指定，很多时候也是指定为this或类名.class

注意：

必须确保使用同一个资源的多个线程共用一把锁，这个非常重要，否则就无法保证共享资源的安全
一个线程类中的所有静态方法共用同一把锁（类名.class），所有非静态方法共用同一把锁（this），同步代码块（指定需谨慎）

4.4、同步的范围

如何找问题，即代码是否存在线程安全？（非常重要）

明确哪些代码是多线程运行的代码
明确多个线程是否有共享数据
明确多线程运行代码中是否有多条语句操作共享数据

如何解决呢？（非常重要）

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。
即所有操作共享数据的这些语句都要放在同步范围中