第二十四天 多线程-多线程&线程安全悟空教程

Posted 2021-04-21 Java帮帮

第二十四天 多线程-多线程&线程安全【悟空教程】

第24天 多线程

第1章 多线程

1.1 多线程介绍

学习多线程之前，我们先要了解几个关于多线程有关的概念。

进程：进程指正在运行的程序。确切的来说，当一个程序进入内存运行，即变成一个进程，进程是处于运行过程中的程序，并且具有一定独立功能。

 

线程：线程是进程中的一个执行单元，负责当前进程中程序的执行，一个进程中至少有一个线程。一个进程中是可以有多个线程的，这个应用程序也可以称之为多线程程序。

简而言之：一个程序运行后至少有一个进程，一个进程中可以包含多个线程

 

什么是多线程呢？即就是一个程序中有多个线程在同时执行。

通过下图来区别单线程程序与多线程程序的不同：

• 单线程程序：即，若有多个任务只能依次执行。当上一个任务执行结束后，下一个任务开始执行。如，去网吧上网，网吧只能让一个人上网，当这个人下机后，下一个人才能上网。

• 多线程程序：即，若有多个任务可以同时执行。如，去网吧上网，网吧能够让多个人同时上网。

 

1.2 程序运行原理

• 分时调度

所有线程轮流使用 CPU 的使用权，平均分配每个线程占用 CPU 的时间。

• 抢占式调度

优先让优先级高的线程使用 CPU，如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个(线程随机性)，Java使用的为抢占式调度。

 

1.2.1 抢占式调度详解

大部分操作系统都支持多进程并发运行，现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。比如：现在我们上课一边使用编辑器，一边使用录屏软件，同时还开着画图板，dos窗口等软件。此时，这些程序是在同时运行，”感觉这些软件好像在同一时刻运行着“。

 

实际上，CPU(中央处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换。对于CPU的一个核而言，某个时刻，只能执行一个线程，而 CPU的在多个线程间切换速度相对我们的感觉要快，看上去就是在同一时刻运行。

其实，多线程程序并不能提高程序的运行速度，但能够提高程序运行效率，让CPU的使用率更高。

1.3 主线程

回想我们以前学习中写过的代码，当我们在dos命令行中输入java空格类名回车后，启动JVM，并且加载对应的class文件。虚拟机并会从main方法开始执行我们的程序代码，一直把main方法的代码执行结束。如果在执行过程遇到循环时间比较长的代码，那么在循环之后的其他代码是不会被马上执行的。如下代码演示：

class Demo{

String name;

Demo(String name){

this.name = name;

}

void show() {

for (int i=1;i<=10000 ;i++ )  {

System.out.println("name="+name+",i="+i);

}

}

}

 

class ThreadDemo {

public static void main(String[] args) {

    Demo d = new Demo("小强");

         Demo d2 = new Demo("旺财");

d.show();  

d2.show();

System.out.println("Hello World!");

}

} 

若在上述代码中show方法中的循环执行次数很多，这时在d.show();下面的代码是不会马上执行的，并且在dos窗口会看到不停的输出name=小强,i=值，这样的语句。为什么会这样呢？

原因是：jvm启动后，必然有一个执行路径(线程)从main方法开始的，一直执行到main方法结束，这个线程在java中称之为主线程（main线程）。当程序的主线程执行时，如果遇到了循环而导致程序在指定位置停留时间过长，则无法马上执行下面的程序，需要等待循环结束后能够执行。

那么，能否实现一个主线程负责执行其中一个循环，再由另一个线程负责其他代码的执行，最终实现多部分代码同时执行的效果？

能够实现同时执行，通过Java中的多线程技术来解决该问题。

1.4 Thread类

该如何创建线程呢？通过API中搜索，查到Thread类。通过阅读Thread类中的描述。Thread是程序中的执行线程。Java 虚拟机允许应用程序并发地运行多个执行线程。

 

• 构造方法

• 常用方法

 

继续阅读，发现创建新执行线程有两种方法。

• 一种方法是将类声明为 Thread 的子类。该子类应重写 Thread 类的 run 方法。创建对象，开启线程。run方法相当于其他线程的main方法。

• 另一种方法是声明一个实现 Runnable 接口的类。该类然后实现 run 方法。然后创建Runnable的子类对象，传入到某个线程的构造方法中，开启线程。

1.5 创建线程方式一继承Thread类

创建线程的步骤：

1 定义一个类继承Thread。

2 重写run方法。

3 创建子类对象，就是创建线程对象。

4 调用start方法，开启线程并让线程执行，同时还会告诉jvm去调用run方法。

• 测试类

public class Demo01 {

public static void main(String[] args) {

//创建自定义线程对象

MyThread mt = new MyThread("新的线程！");

//开启新线程

mt.start();

//在主方法中执行for循环

for (int i = 0; i < 10; i++) {

System.out.println("main线程！"+i);

}

}

}

l 自定义线程类

public class MyThread extends Thread {

//定义指定线程名称的构造方法

public MyThread(String name) {

//调用父类的String参数的构造方法，指定线程的名称

super(name);

}

/**

 * 重写run方法，完成该线程执行的逻辑

 */

@Override

public void run() {

for (int i = 0; i < 10; i++) {

System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);

}

}

}

 

思考：线程对象调用 run方法和调用start方法区别？

线程对象调用run方法不开启线程，仅是对象调用方法。线程对象调用start开启线程，并让jvm调用run方法在开启的线程中执行。

1.5.1 继承Thread类原理

我们为什么要继承Thread类，并调用其的start方法才能开启线程呢？

继承Thread类：因为Thread类用来描述线程，具备线程应该有功能。那为什么不直接创建Thread类的对象呢？如下代码：

Thread t1 = new Thread();

t1.start();//这样做没有错，但是该start调用的是Thread类中的run方法，而这个run方法没有做什么事情，更重要的是这个run方法中并没有定义我们需要让线程执行的代码。

 

创建线程的目的是什么？

是为了建立程序单独的执行路径，让多部分代码实现同时执行。也就是说线程创建并执行需要给定线程要执行的任务。

对于之前所讲的主线程，它的任务定义在main函数中。自定义线程需要执行的任务都定义在run方法中。

Thread类run方法中的任务并不是我们所需要的，只有重写这个run方法。既然Thread类已经定义了线程任务的编写位置（run方法），那么只要在编写位置（run方法）中定义任务代码即可。所以进行了重写run方法动作。

1.5.2 多线程的内存图解

多线程执行时，到底在内存中是如何运行的呢？

以上个程序为例，进行图解说明：

多线程执行时，在栈内存中，其实每一个执行线程都有一片自己所属的栈内存空间。进行方法的压栈和弹栈。

 

当执行线程的任务结束了，线程自动在栈内存中释放了。但是当所有的执行线程都结束了，那么进程就结束了。

1.5.3 获取线程名称（&获取当前执行线程）

开启的线程都会有自己的独立运行栈内存，那么这些运行的线程的名字是什么呢？该如何获取呢？既然是线程的名字，按照面向对象的特点，是哪个对象的属性和谁的功能，那么我们就去找那个对象就可以了。查阅Thread类的API文档发现有个方法是获取当前正在运行的线程对象。还有个方法是获取当前线程对象的名称。既然找到了，我们就可以试试。

 

• Thread.currentThread()获取当前线程对象

• Thread.currentThread().getName();获取当前线程对象的名称

class MyThread extends Thread {  //继承Thread

MyThread(String name){

super(name);

}

//复写其中的run方法

public void run(){

for (int i=1;i<=20 ;i++ ){

System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",i="+i);

}

}

}

class ThreadDemo {

public static void main(String[] args) {

//创建两个线程任务

MyThread d = new MyThread();

MyThread d2 = new MyThread();

d.run();//没有开启新线程, 在主线程调用run方法

d2.start();//开启一个新线程，新线程调用run方法

}

}

通过结果观察，原来主线程的名称：main；自定义的线程：Thread-0，线程多个时，数字顺延。如Thread-1......

进行多线程编程时，不要忘记了Java程序运行是从主线程开始，main方法就是主线程的线程执行内容。

1.6 创建线程方式—实现Runnable接口

创建线程的另一种方法是声明实现 Runnable 接口的类。该类然后实现 run 方法。然后创建Runnable的子类对象，传入到某个线程的构造方法中，开启线程。

为何要实现Runnable接口，Runable是啥玩意呢？继续API搜索。

查看Runnable接口说明文档：Runnable接口用来指定每个线程要执行的任务。包含了一个 run 的无参数抽象方法，需要由接口实现类重写该方法。

 

• 接口中的方法

 

• Thread类构造方法

 

创建线程的步骤。

1、定义类实现Runnable接口。

2、覆盖接口中的run方法。。

3、创建Thread类的对象

4、将Runnable接口的子类对象作为参数传递给Thread类的构造函数。

5、调用Thread类的start方法开启线程。

• 代码演示：

public class Demo02 {

public static void main(String[] args) {

//创建线程执行目标类对象

Runnable runn = new MyRunnable();

//将Runnable接口的子类对象作为参数传递给Thread类的构造函数

Thread thread = new Thread(runn);

Thread thread2 = new Thread(runn);

//开启线程

thread.start();

thread2.start();

for (int i = 0; i < 10; i++) {

System.out.println("main线程：正在执行！"+i);

}

}

}

• 自定义线程执行任务类

public class MyRunnable implements Runnable{

 

//定义线程要执行的run方法逻辑

@Override

public void run() {

for (int i = 0; i < 10; i++) {

System.out.println("我的线程：正在执行！"+i);

}

}

}

 

1.6.1 实现Runnable的原理

为什么需要定一个类去实现Runnable接口呢？继承Thread类和实现Runnable接口有啥区别呢？

实现Runnable接口，避免了继承Thread类的单继承局限性。覆盖Runnable接口中的run方法，将线程任务代码定义到run方法中。

创建Thread类的对象，只有创建Thread类的对象才可以创建线程。线程任务已被封装到Runnable接口的run方法中，而这个run方法所属于Runnable接口的子类对象，所以将这个子类对象作为参数传递给Thread的构造函数，这样，线程对象创建时就可以明确要运行的线程的任务。

1.6.2 实现Runnable的好处

第二种方式实现Runnable接口避免了单继承的局限性，所以较为常用。实现Runnable接口的方式，更加的符合面向对象，线程分为两部分，一部分线程对象，一部分线程任务。

第一种方式继承Thread类，线程对象和线程任务耦合在一起。一旦创建Thread类的子类对象，既是线程对象，有又有线程任务。

实现runnable接口，将线程任务单独分离出来封装成对象，类型就是Runnable接口类型。Runnable接口对线程对象和线程任务进行解耦。

1.7 两种方式区别

方式一：直接自定义了一种线程。同时规定了线程中要执行的逻辑

方式二：直接创建了普通的Thread线程，自定义了线程要执行的目标，将线程与线程执行目标分离。方便了多线程共享数据、躲避了不能多继承的业务实现，提高了代码复用性，优化了代码。

1.8 线程的匿名内部类使用

使用线程的内匿名内部类方式，可以方便的实现每个线程执行不同的线程任务操作。

• 方式1：创建线程对象时，直接重写Thread类中的run方法

new Thread() {

public void run() {

for (int x = 0; x < 40; x++) {

System.out.println(Thread.currentThread().getName()

+ "...X...." + x);

}

}

}.start();

 

• 方式2：使用匿名内部类的方式实现Runnable接口，重新Runnable接口中的run方法

Runnable r = new Runnable() {

public void run() {

for (int x = 0; x < 40; x++) {

System.out.println(Thread.currentThread().getName()

+ "...Y...." + x);

}

}

};

new Thread(r).start();

 

第2章 线程安全

2.1 线程安全

如果有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

• 我们通过一个案例，演示线程的安全问题：

电影院要卖票，我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “功夫熊猫3”，本次电影的座位共100个(本场电影只能卖100张票)。

我们来模拟电影院的售票窗口，实现多个窗口同时卖 “功夫熊猫3”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)

需要窗口，采用线程对象来模拟；需要票，Runnable接口子类来模拟

• 测试类

public class ThreadDemo {

public static void main(String[] args) {

//创建票对象

Ticket ticket = new Ticket();

//创建3个窗口

Thread t1  = new Thread(ticket, "窗口1");

Thread t2  = new Thread(ticket, "窗口2");

Thread t3  = new Thread(ticket, "窗口3");

t1.start();

t2.start();

t3.start();

}

}

• 模拟票

public class Ticket implements Runnable {

//共100票

int ticket = 100;

 

@Override

public void run() {

//模拟卖票

while(true){

if (ticket > 0) {

//模拟选坐的操作

try {

Thread.sleep(1);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);

}

}

}

}

运行结果发现：上面程序出现了问题

• 票出现了重复的票

• 错误的票 0、-1

 

其实，线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

 

2.2 线程同步（线程安全处理Synchronized）

java中提供了线程同步机制，它能够解决上述的线程安全问题。

线程同步的方式有两种：

• 方式1：同步代码块

• 方式2：同步方法

2.2.1 同步代码块

同步代码块: 在代码块声明上 加上synchronized

synchronized (锁对象) {

可能会产生线程安全问题的代码

}

同步代码块中的锁对象可以是任意的对象；但多个线程时，要使用同一个锁对象才能够保证线程安全。

 

使用同步代码块，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable {

//共100票

int ticket = 100;

//定义锁对象

Object lock = new Object();

@Override

public void run() {

//模拟卖票

while(true){

//同步代码块

synchronized (lock){

if (ticket > 0) {

//模拟电影选坐的操作

try {

Thread.sleep(10);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);

}

}

}

}

}

当使用了同步代码块后，上述的线程的安全问题，解决了。

2.2.2 同步方法

• 同步方法：在方法声明上加上synchronized

public synchronized void method(){

    可能会产生线程安全问题的代码

}

同步方法中的锁对象是 this

使用同步方法，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable { 

//共100票

int ticket = 100;

//定义锁对象

Object lock = new Object();

@Override

public void run() {

//模拟卖票

while(true){

//同步方法

method();

}

}

//同步方法,锁对象this

public synchronized void method(){

if (ticket > 0) {

//模拟选坐的操作

try {

Thread.sleep(10);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);

}

}

}

 

• 静态同步方法: 在方法声明上加上static synchronized

public static synchronized void method(){

可能会产生线程安全问题的代码

}

静态同步方法中的锁对象是 类名.class

2.3 死锁

同步锁使用的弊端：当线程任务中出现了多个同步(多个锁)时，如果同步中嵌套了其他的同步。这时容易引发一种现象：程序出现无限等待，这种现象我们称为死锁。这种情况能避免就避免掉。

synchronzied(A锁){

synchronized(B锁){

         

}

}

 

我们进行下死锁情况的代码演示：

• 定义锁对象类

public class MyLock {

public static final Object lockA = new Object();

public static final Object lockB = new Object();

}

 

• 线程任务类

public class ThreadTask implements Runnable {

int x = new Random().nextInt(1);//0,1

//指定线程要执行的任务代码

@Override

public void run() {

while(true){

if (x%2 ==0) {

//情况一

synchronized (MyLock.lockA) {

System.out.println("if-LockA");

synchronized (MyLock.lockB) {

System.out.println("if-LockB");

System.out.println("if大口吃肉");

}

}

} else {

//情况二

synchronized (MyLock.lockB) {

System.out.println("else-LockB");

synchronized (MyLock.lockA) {

System.out.println("else-LockA");

System.out.println("else大口吃肉");

}

}

}

x++;

}

}

}

 

• 测试类

public class ThreadDemo {

public static void main(String[] args) {

//创建线程任务类对象

ThreadTask task = new ThreadTask();

//创建两个线程

Thread t1 = new Thread(task);

Thread t2 = new Thread(task);

//启动线程

t1.start();

t2.start();

}

}

2.4 Lock接口

查阅API，查阅Lock接口描述，Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。

• Lock接口中的常用方法

 

Lock提供了一个更加面对对象的锁，在该锁中提供了更多的操作锁的功能。

我们使用Lock接口，以及其中的lock()方法和unlock()方法替代同步，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable {

//共100票

int ticket = 100;

//创建Lock锁对象

Lock ck = new ReentrantLock();

@Override

public void run() {

//模拟卖票

while(true){

//synchronized (lock){

ck.lock();

if (ticket > 0) {

//模拟选坐的操作

try {

Thread.sleep(10);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);

}

ck.unlock();

//}

}

}

}

第3章 本日自习作业：

3.1 知识点相关题

3.1.1 什么是线程，什么是多线程？

3.1.2 线程的两种创建方式有什么区别？

3.1.3 熟练完成两种方式创建多线程，并试用匿名内部类完成。

3.1.4 完成多线程卖票案例，分别使用同步代码块与同步方法完成。

3.1.5 阅读Vector的add方法与ArrayList的add方法，描述为什么Vector运行效率低。

3.1.6 多线程是否提高了代码速度？

3.1.7 什么是主线程

3.2 代码题

3.2.1 编写程序，在主线程中，循环输出“主线程执行”；在一条新线程中，循环输出“子线程执行”

答案：

public class Test01 { public static void main(String[] args) { //创建一个子线程对象 Thread son = new Thread(new Son()); son.start();//开启子线程 while(true){ System.out.println("主线程执行"); } } }   //创建一个子线程类 class Son implements Runnable { public void run() { while(true){ System.out.println("子线程执行...."); } } }

 

3.2.2 编写程序，创建两个线程对象，一根线程循环输出“播放背景音乐”，另一根线程循环输出

“显示画面”，要求线程实现Runnable接口，且使用匿名内部类实现

答案：

public class Test02_Thread {   public static void main(String[] args) { new Thread(new Runnable(){   @Override public void run() { while(true){ System.out.println("播放背景音乐"); } } }).start(); new Thread(new Runnable(){ @Override public void run() { while(true){ System.out.println("显示画面"); } } }).start(); }   }

3.2.3 创建线程计算 1--100的和，并将结果返回给主线程

答案：

public class Test02 { public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException { ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor(); //创建的是Callable对象 Future<Integer> f = es.submit(new Callable<Integer>() {   @Override public Integer call() throws Exception { //求和并返回结果 int sum = 0; for(int i = 1; i <= 100; i++){ sum += i; } return sum; } }); //获取结果 System.out.println(f.get()); es.shutdown(); } }