多线程Thread线程创建

Posted 2021-02-03 starsyh

微信公众号：菜鸟永恒

第13天 多线程
今日内容介绍
? Thread
? 线程创建
? 线程安全
? 线程状态
今日学习目标
? 能够描述Java中多线程运行原理
? 能够使用继承类的方式创建多线程
? 能够使用实现接口的方式创建多线程
? 能够说出实现接口方式的好处
? 能够解释安全问题的出现的原因
? 能够使用同步代码块解决线程安全问题
? 能够使用同步方法解决线程安全问题
? 能够说出线程5个状态的名称
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，并且每个进程都具有一定独立功能。

线程：线程是进程中的一个执行单元，来完成进程中的某个功能

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“r。

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[单线程程序]
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 Person{
    String name;
    Person(String name){
        this.name = name;
    }
    void music()    {
        for (int i=1;i<=20;i++ )        {
            System.out.println(name+"在听第"+i+"首歌");
        }
    }
    void eat()    {
        for (int i=1;i<=20;i++ )        {
            System.out.println(name+"在吃第"+i+"口饭");
        }
    }

}

class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args)  {
        Person p = new Person("宝宝");
        p.music();      
        p.eat();
        System.out.println("听完歌吃完饭了,该睡觉了zzZZ~~~");
    }
}

若在上述代码中music方法中的循环执行次数很多，这时在p.music();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”xx在吃第几口饭”，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);
        }
    }
}

? 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? 还要调用其的start方法开启线程呢？
1.Thread类：Thread类用来描述线程，具备线程应该有功能。
2.那为什么不直接创建Thread类的对象呢而要继承Thread类呢？如下代码：
Thread t1 = new Thread();
t1.start();//这样做没有错，开启一个线程,由线程自己去调用run方法,那么这个run方法就在新的线程中运行起来了,但是我们直接创建Thread对象,调用start方法,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。[java设计师认为他们不知道程序员会用run方法执行什么代码,所有没写run方法]
3.为什么线程对象调用 start方法而不调用run方法呢？
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。
所以想要一个新线程执行我们的任务,必须先要开启线程,调用start方法,再由线程自动去执行run方法,而不是我们自己调用run方法
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
每开启的线程都会有一个名字，那么这些运行的线程的名字是什么呢？
1.按照我们对象面向对象的理解,你说Thread对象的名字,应该保存在哪?
-------- 肯定在线程对象中,我们查阅一下Thread的API就发现有获取线程对象的方法

我们可以在使用线程对象 调用getName()获取线程的名字
2.那么主线程的名字我们怎么获取?
主线程的线程对象是你创建的吗? 很明显不是,是JVM创建并启动的
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

    //复写其中的run方法
    public void run(){
        for (int i=1;i<=20 ;i++ ){
            System.out.println(getName()+",i="+i);
        }
    }
}
class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args)  {
        //创建两个线程任务
        MyThread d1 = new MyThread();
        MyThread d2 = new MyThread();
        D1.start();//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
         //获取主线程对象,再通过主线程对象获取主线程的名字
              Thread.currentThread().getName();
    }
}

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的原理和好处
程序设计遵循的原则:开闭原则,对修改关闭,对扩展开放,减少线程本身和任务之间的耦合性
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 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
什么是线程安全问题?比如单人和多人上厕所案例
当有多个线程在同时运行，这些线程同时运行一段代码(即同一个任务,同一个run方法),操作同一个共享数据时,这时候可能就会出现线程的安全问题,即线程不安全的.

注意:如果是单线程,或者多线程操作的还是不同数据,那么一般是没有问题的
? 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(同步锁)
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 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

class X {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void run() {
lock.lock(); // block until condition holds
try {
// … method body
} finally {
lock.unlock()
}
}
}

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();
        //}
    }
  }
}

2.4 线程状态图

如果我们多次调用线程对象的start方法,那么久会出现一个异常,查阅API关于IllegalThreadStateException这个异常说明信息发现，这个异常的描述信息为：指示线程没有处于请求操作所要求的适当状态时抛出的异常。这里面说适当的状态，啥意思呢？难道是说线程还有状态吗？
每个线程是有自己状态的,就好比人的一生从出生到死亡一样,线程也有,具体状态可以查看Thread的一个内部枚举Thread.State.