Java多线程概述

程序员文章站 2022-05-05 22:10:19

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1. 并发与并行

并发：指两个或多个事件在同一个时间段内发生。
并行：指两个或多个事件在同一时刻发生（同时发生）。

在操作系统中，安装了多个程序，并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行，这在单 CPU 系统中，每一时刻只能有一道程序执行，即微观上这些程序是分时的交替运行，只不过是给人的感觉是同时运行，那是因为分时交替运行的时间是非常短的。

而在多个 CPU 系统中，则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上（CPU），实现多任务并行执行，即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序，这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核 CPU，便是多核处理器，核越多，并行处理的程序越多，能大大的提高电脑运行的效率。

2.线程与进程

进程：是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有一个独立的内存空间，一个应用程序可以同时运行多个进程；进程也是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位；系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。
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

线程调度:

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。

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(*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。

3.Java使用多线程的方式

3.1创建Thread子类

Java使用java.lang.Thread类代表线程，所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例。每个线程的作用是完成一定的任务，实际上就是执行一段程序流即一段顺序执行的代码。Java使用线程执行体来代表这段程序流。Java中通过继承Thread类来创建并启动多线程的步骤如下：

定义Thread类的子类，并重写该类的run()方法，该run()方法的方法体就代表了线程需要完成的任务,因此把run()方法称为线程执行体。
创建Thread子类的实例，即创建了线程对象
调用线程对象的start()方法来启动该线程
自定义线程类

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: zmq
 * Date: 2020/1/6
 */
public class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        String name = getName();
        System.out.println(name);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("run"+"-->"+i);
        }
    }
}

测试类

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: zmq
 * Date: 2020/1/6
 */
/*
创建多线程程序的第一种方式，创建Thread的子类
实现步骤：
1、创建Thread子类
2、在Thread类的子类中重写run方法，设置线程任务（开启线程要做什么）
3、创建Thread类的子类对象
4、调用Thread类的start方法，开启新的线程，执行run方法
 */
public class Demo1Thread {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread mt = new MyThread();
        mt.start();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("main"+"-->"+i);
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

运行原理：
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。
Java多线程概述

3.2 实现Runnable接口，重写run方法

步骤如下：

定义Runnable接口的实现类，并重写该接口的run()方法，该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。
创建Runnable实现类的实例，并以此实例作为Thread的target来创建Thread对象，该Thread对象才是真正的线程对象。
调用线程对象的start()方法来启动线程。

 /**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: zmq
 * Date: 2020/1/6
 */
public class Demo3Runnable implements Runnable {

    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: zmq
 * Date: 2020/1/6
 */
public class MyRunnable {
    public static void main(String[] args) {
        Demo3Runnable d = new Demo3Runnable();
        Thread t = new Thread(d);
        t.start();
    }
}

3.3 实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势：

适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。
可以避免java中的单继承的局限性。
增加程序的健壮性，实现解耦操作，代码可以被多个线程共享，代码和线程独立。
线程池只能放入实现Runable或Callable类线程，不能直接放入继承Thread的类。

3.4 匿名内部类方式实现线程的创建

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: zmq
 * Date: 2020/1/6
 */
public class Demo4InnerClassThread {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(getName());
            }
        }.start();
        Runnable r = new Runnable(){
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            }
        };
        new Thread(r).start();
    }
}

4.线程安全

4.1 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。

我们可以通过电影卖票的案例，来演示线程安全问题：
假设有100张电影票，三个窗口同时卖票。

模拟票：

**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: zmq
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 */
/*
实现卖票案例
 */
public class RunnableImpl implements Runnable {
	//总票数
    private int ticket = 100;
    //卖票
    public void run() {
        while (true){
            if(ticket>0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                ticket--;
            }else{
                break;
            }
        }
    }
}

测试类

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
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 */
public class Demo1Ticket {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = new RunnableImpl();
        Thread t0 = new Thread(r);
        Thread t1 = new Thread(r);
        Thread t2 = new Thread(r);
        //三个窗口同时卖票
        t0.start();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

Java多线程概述
可以看到，出现了卖同样的票的问题，这样几个线程不同步，这种问题称为线程安全问题

4.2 线程同步

当我们使用多个线程访问同一资源的时候，且多个线程中对资源有写的操作，就容易出现线程安全问题。
要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题，Java中提供了同步机制 (synchronized)来解决。
为了保证每个线程都能进行原子操作，Java引入了线程同步的机制，下面是实现线程同步的三种方式

同步代码块

synchronized(同步锁){
      需要同步操作的代码
}

同步锁:
对象的同步锁只是一个概念,可以想象为在对象上标记了一个锁.

锁对象可以是任意类型。
多个线程对象要使用同一把锁

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
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 * Date: 2020/1/6
 */
/*
实现卖票案例
 */
public class RunnableImpl implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    //卖票
    public void run() {
        while (true){
            synchronized (this){
                if(ticket>0){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                    ticket--;
                }else{
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

可以理解为只有一个线程可以拿到同步锁，当一个线程拿到同步锁后，其它线程运行到同步代码块，发现锁不在了，则不能往下执行，直到用友该锁的线程把锁归还了，其它线程才能进入此代码块中，以此类推。

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
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 */
public class Demo1Ticket {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = new RunnableImpl();
        Thread t0 = new Thread(r);
        Thread t1 = new Thread(r);
        Thread t2 = new Thread(r);
        t0.start();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

同步方法

public synchronized void method(){
 可能会产生线程安全问题的代码 
 }

同步锁：

对于非static方法,同步锁就是this。
对于static方法,我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: zmq
 * Date: 2020/1/6
 */
/*
实现卖票案例
 */
public class RunnableImpl implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    //卖票
    public void run() {
        while (true){
            payTicket();
            if(ticket<0){
                break;
            }
        }
    }

    /*
    定义一个同步方法
     */
    public synchronized void payTicket(){
        if(ticket>0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
            ticket--;
        }
    }
}

Lock锁
java.util.concurrent.locks.Lock 机制提供了比synchronized代码块和synchronized方法更广泛的锁定操作, 同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有,除此之外更强大,更体现面向对象。

Lock锁也称同步锁，加锁与释放锁方法化了，如下：
- public void lock() :加同步锁。
- public void unlock() :释放同步锁。

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: zmq
 * Date: 2020/1/6
 */
/*
实现卖票案例
 */
public class RunnableImpl implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    Lock l = new ReentrantLock();
    //卖票
    public void run() {
        while (true){
            l.lock();
            try {
                if(ticket>0){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                    ticket--;
                }else{
                    break;
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                l.unlock();
            }
        }
    }
}

其实最好是把unlolck()方法放到finally代码块中执行，这样无论try代码块有没有出现异常，都可以释放同步锁。

5.线程状态

当线程被创建并启动以后，它既不是一启动就进入了执行状态，也不是一直处于执行状态。

线程状态	导致状态发生条件
NEW(新建)	线程刚被创建，但是并未启动。还没调用start方法
Runnable(可运行)	线程可以在java虚拟机中运行的状态，可能正在运行自己代码，也可能没有，这取决于操作系统处理器。
Blocked(锁阻塞)	当一个线程试图获取一个对象锁，而该对象锁被其他的线程持有，则该线程进入Blocked状态；当该线程持有锁时，该线程将变成Runnable状态。
Waiting(无限等待)	一个线程在等待另一个线程执行一个（唤醒）动作时，该线程进入Waiting状态。进入这个状态后是不能自动唤醒的，必须等待另一个线程调用notify或者notifyAll方法才能够唤醒。
Timed Waiting(计时等待)	同waiting状态，有几个方法有超时参数，调用他们将进入Timed Waiting状态。这一状态将一直保持到超时期满或者接收到唤醒通知。带有超时参数的常用方法有Thread.sleep 、 Object.wait。
Teminated(被终止)	因为run方法正常退出而死亡，或者因为没有捕获的异常终止了run方法而死亡。

Java多线程概述

6.线程池

我们使用线程的时候就去创建一个线程，这样实现起来非常简便，但是就会有一个问题：

如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率，因为频繁创建线程和销毁线程需要时间。

那么有没有一种办法使得线程可以复用，就是执行完一个任务，并不被销毁，而是可以继续执行其他的任务？

在Java中可以通过线程池来达到这样的效果。

6.1 线程池概念

线程池：其实就是一个容纳多个线程的容器，其中的线程可以反复使用，省去了频繁创建线程对象的操作，无需反复创建线程而消耗过多资源。

6.2 线程池的使用

Java里面线程池的*接口是java.util.concurrent.Executor，但是严格意义上讲Executor并不是一个线程池，而只是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是java.util.concurrent.ExecutorService。

要配置一个线程池是比较复杂的，尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下，很有可能配置的线程池不是较优的，因此在java.util.concurrent.Executors线程工厂类里面提供了一些静态工厂，生成一些常用的线程池。官方建议使用Executors工程类来创建线程池对象。

Executors类中有个创建线程池的方法如下：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)：返回线程池对象。(创建的是有界线程池,也就是池中的线程个数可以指定最大数量)

获取到了一个线程池ExecutorService 对象，那么怎么使用呢，在这里定义了一个使用线程池对象的方法如下：

public Future<?> submit(Runnable task):获取线程池中的某一个线程对象，并执行

使用线程池中线程对象的步骤：

创建线程池对象。
创建Runnable接口子类对象。(task)
提交Runnable接口子类对象。(take task)
关闭线程池(一般不做)。

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: zmq
 * Date: 2020/1/7
 */
public class Demo1ThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        Runnable runnable=new Runnable(){
            public void run() {
                //Thread.currentThread().setName("我的线程");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            }
        };
        executorService.submit(runnable);
        executorService.submit(runnable);
        executorService.submit(runnable);
    }
}

运行结果
Java多线程概述
可以看到，我创建的线程池只有两个线程，但是我需要运行3个线程，其实它是把两个线程用完后，第三个线程发现线程池里面没有线程可用了，就等待其他任务把线程归还后，再把线程拿出来使用。这也体现了队列先进先出的思想。

Java多线程概述

1. 并发与并行

2.线程与进程

3.Java使用多线程的方式

3.1创建Thread子类

3.2 实现Runnable接口，重写run方法

3.3 实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势：

3.4 匿名内部类方式实现线程的创建

4.线程安全

4.1 线程安全

4.2 线程同步

5.线程状态

6.线程池

6.1 线程池概念

6.2 线程池的使用

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