多线程

• 多线程
  • 前言
  • 1. 基本概念
    • 1.1 什么是线程
    • 1.2 多线程程序的优点
  • 2.创建多线程
    • 2.1 方式一：继承于Thread类
    • 2.2 方式二：实现Runnable接口
    • 2.3 比较两种创建线程的方式
    • 2.4 方式三：实现Callable接口
    • 2.5 方式四：线程池
  • 3. 多线程的常用方法
  • 4. 多线程的优先级
  • 5. 线程的生命周期
  • 6. 线程安全问题
    • 6.1 方式一：同步代码块
      • 6.1.1 处理实现Runnable的线程安全问题
      • 6.1.2 处理继承Thread类的线程安全问题
      • 6.1.3 注意事项
    • 6.2 方式二：同步方法
      • 6.2.1 处理实现Runnable的线程安全问题
      • 6.2.2 处理继承Thread类的线程安全问题
      • 6.2.3 注意事项
    • 6.3 方式三：Lock锁
    • 6.4 死锁问题
  • 7. 线程通信

前言

本文为B站Java教学视频BV1Kb411W75N的相关笔记，主要用于个人记录与分享，如有错误欢迎留言指出。
本章笔记涵盖视频内容P406~P446

1. 基本概念

1.1 什么是线程

• 程序(program)：是为完成特定任务，用某种语言编写的指令的集合。即一段静态的代码，静态对象。
• 进程(process)：是程序 的一次执行过程，或正在运行的一个程序。是一个动态 的过程。
  • 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
• 线程(thread)：进程可以进一步细化为线程，是一个程序内部的一条执行路径。
  • 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
• 并行与并发：
  • 并行：多个CPU同时执行多个任务
  • 并发：一个CPU同时执行多个任务

1.2 多线程程序的优点

1. 提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义，可以增强用户体验
2. 提高计算机系统CPU的利用率
3. 改善程序结构，将长而复杂的进程分为多个线程，独立运行，利于理解和修改

2.创建多线程

2.1 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() （start()是Thread类内的方法）

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

public class Test{
    public static void main(String[] args) {
        //3.创建Thread类的子类的对象
        MyThread t1 = new MyThread();

        //4.通过此对象调用start()
        t1.start();
    }
}

• 注意事项：

  1. 不能通过直接调用run()的方式启动线程
  2. 不可以让已经start()的线程再去执行其它线程，会报错IllegalThreadExecption；若要执行其它线程，需要重新创建一个线程的对象

• Thread类的匿名子类

  new Thread(){
      public void run(){
          //执行体
      }
  }.start();
  

2.2 方式二：实现Runnable接口

1. 创建一个实现Runnable接口的类
2. 实现类实现Runnable中的抽象方法：run()
3. 创建实现类的对象
4. 将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
5. 通过Thread类的对象调用start()

//1.创建一个实现Runnable接口的类
class MThread implements Runnable{
    
    //2.实现类实现Runnable中的抽象方法：run()
    public void run(){
        //......
    }
}

public class ThreadTest{
    public static void main(String[] args){
        //3.创建实现类的对象
        MThread mThread = new MThread();
        //4.将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
        Thread t1 = new Thread(mThread);
        //5.通过Thread类的对象调用start()
        t1.start();
    }
}

/*
Runnable接口创建和Thread直接创建有诸多不同
Runnable本质只是一个接口，内部没有Thread的诸多方法，所以调用Runnable的对象不能使用Thread内的方法
比如上面的MThread，但是t1可以，此处用mThread作为构造器参数创建了一个Thread对象
同时由于Runnable不是Thread的子类，此处run()也不应该是被"重写"了，但一些特殊的设置使得其效果等同于被重写
*/

2.3 比较两种创建线程的方式

• 开发中优先选择：实现Runnable接口的方式
  • 实现的方式没有类的单继承性的局限性
  • 实现的方式更适合来处理多个线程有共享数据的情况
• 两种方式的相同点：
  • 两种方式都需要重写run()，将线程要执行的逻辑声明在run()中

2.4 方式三：实现Callable接口

1. 创建一个实现Callable的实现类
2. 实现call方法，将此线程所需要执行的操作声明在call()中
3. 创建Callable接口实现类的对象
4. 将此Callable接口实现类的对象,作为创建FutureTask的参数,传递到FutureTask构造器中
5. 将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中,创建Thread对象,并调用start()
6. 获取Callable中call方法的返回值（可选）

//创建一个实现Callable的实现类
class NumThread implements Callable{
    //实现call方法，将此线程所需要执行的操作声明在call()中(相当于run())
    public Object call() throws Exception{
        //......
    }
}

public class ThreadNew{
    public static void main(String[] ards){
        //创建Callable接口实现类的对象
        NumThread numThread = new NumThread();
      	//将此Callable接口实现类的对象,作为创建FutureTask的参数,传递到FutureTask构造器中
        FutureTask futuretask = new FutureTask(numThread);
     	//将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中,创建Thread对象,并调用start()
        new Thread(futuretask).start();
        //获取Callable中call方法的返回值
        //get()返回值即为FutureTask构造器参数——Callable实现类重写的call()的返回值
        try {
            Object sum = futuretask.get();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

• Callable()相较于Runnable()优点
  • 相比run()方法，可以有返回值
  • 方法可以抛出异常
  • 支持泛型的返回值

2.5 方式四：线程池

• 定义：提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁线程，实现重复利用。

public class ThreadPool{
    public static void main(String[] args){
        //1.提供指定线程数量的线程池
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //2.执行指定的线程的操作，需要提供实现Runnable接口或Callable接口实现类的对象
        service.execute(...);//适用于Runnable
        service.submit(...);//适用于Callable
        //3.关闭线程池
        service.shutdown();
    }
}

• 线程池的优点：
  • 提高响应速度，减少了创建新线程的时间
  • 降低资源消耗，重复利用线程池中的线程，不需要重复创建
  • 便于线程管理
    • corePoolSize：核心池的大小
    • maximumPoolSize：最大线程数
    • keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会中止

3. 多线程的常用方法

4. 多线程的优先级

1. MAX_PRIORITY：10

   MIN_PRIORITY：1

   NORM_PRIORITY：5（默认优先级）

2. 获取和设置当前线程的优先级

   getPriority()：获取线程的优先级

   setPriority(int p)：设置线程的优先级

3. 注意：高优先级的线程会抢占低优先级线程cpu的执行权，但这只是从概率上讲，高优先级的线程被执行的概率较高。并不意味着只有当高优先级的线程执行完后，低优先级的线程才会被执行。(和阻塞不同)

HelloThread h1 = new HelloThread("Thread:1"); //用构造器初始化线程名

//设置线程的优先级
h1.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);	//设置当前线程优先级为10
h1.setPriority(8);	//设置当前线程优先级为8
h1.getPriority();	//获取当前线程的优先级

5. 线程的生命周期

• 线程的一个完整的生命周期中通常要经历如下的五种状态：
  1. 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
  2. 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，此时它已经具备了运行的条件，只是没分配到CPU资源
  3. 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
  4. 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
  5. 死亡：线程完成了全部工作或线程被提前强制性中止或出现异常导致结束

6. 线程安全问题

• 定义：当某个线程操作过程中，尚未操作完成时，其它线程也参与进来进行操作，此时数据就会出现重复，溢出等问题。为了解决这个问题，需要当一个线程a在操作的时候，其它线程不能参与进来，直到线程a操作完成时，其它线程才可以开始操作。这种情况即便线程a出现了阻塞也不能被改变。Java中，通过同步机制来解决线程安全的问题。

6.1 方式一：同步代码块

• 格式：synchronized (同步监视器) { //需要被监视的代码 }

6.1.1 处理实现Runnable的线程安全问题

class Windows implements Runnable{
	//不需要static,接口实现类创建的多线程,内部属性天然就是共用的
    private int ticket = 100;

    public void run() {
        while(true){
            
			//使用自身充当锁,由于调用者是Windows且唯一所以可以用this指定;用obj做锁也可以
            synchronized (this){        
                if (ticket > 0){

                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    ticket--;
                }
            }
        }
    }
}

6.1.2 处理继承Thread类的线程安全问题

class Windows2 extends Thread{
	//必须要用static，继承类的内部变量默认是不共用的，每个对象内都有自己的ticket
    private static int ticket = 100;

    public void run() {
        while(true){
            //由于继承类创建的对象不唯一，所以不能做锁，此处使用特殊的方法将Window2作为一个对象做锁；当然Object obj = new Object;然后用obj做锁也可以
            synchronized (Windows2.class){   
                if (ticket > 0){
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    ticket--;
                }
            }
        }
    }
}

6.1.3 注意事项

1. 操作共享数据的代码，即为需要被同步的代码
2. 共享数据：多个线程共同操作的变量（如上方代码中的ticket）
3. 理论上任何一个类的对象，都可以充当同步监视器(锁)。但要求多个线程必须共用同一把锁
4. 同步的方式，解决了线程的安全问题。但是操作同步代码时，只能有一个线程参与，其它线程等待。相当于是一个单线程的过程，效率低。
5. 使用synchronized时不能包含太多或太少的代码；少则线程不安全，多则全程一个线程执行任务

6.2 方式二：同步方法

• 格式：在方法中添加synchronized关键字

6.2.1 处理实现Runnable的线程安全问题

class Window1_ implements Runnable{

    private int ticket = 100;

    public void run() {
        while(true){
            show();
        }
    }

    //直接添加synchronized关键字即可，默认监视器是this
    public synchronized void show(){
            if (ticket > 0){
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                ticket--;
            }
    }
}

6.2.2 处理继承Thread类的线程安全问题

class Window2_ extends Thread{

    private static int ticket = 100;

    public synchronized void run() {
        while(true){
            show();
        }
    }

    //因为默认的是this,而继承类不能共用锁,所以必须要加static
    public static synchronized void show(){
        if (ticket > 0){
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            ticket--;
        }
    }
}

6.2.3 注意事项

1. 同步方法仍然涉及到同步监视器，只是不需要显式声明

2. 非静态的同步方法，同步监视器是：this

   静态的同步方法，同步监视是：当前类本身

6.3 方式三：Lock锁

• 格式：ReentrantLock 变量名 = new ReentrantLock();

class Window1 implements Runnable{
    private int ticket = 100;
	//实例化ReentrantLock
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
    public void run() {
        while(true){     
            	//调用锁定方法:lock()
            	lock.lock();
            
                if (ticket > 0){

                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    ticket--;
            }
            //调用解锁方法:unlock()
            lock.unlock();
        }
    }
}

• synchronized 与 Lock的异同

  • 相同：两者都可以解决线程安全问题

  • 不同：synchronized机制在执行完相应的同步代码以后，会自动释放同步监视器

    ​ Lock需要手动的启动同步监视器，同时结束同步也需要手动的实现

6.4 死锁问题

• 定义：不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃，都在等待对方释放自己需要的同步资源。出现死锁后，不会出现异常或提示，只是所有的线程都处于阻塞状态，无法继续。

StringBuffer s1 = new StringBuffer();
StringBuffer s2 = new StringBuffer();

new Thread(){
    public void run(){
        synchronized(s1){
            s1.append("a");
            s2.append("1");
            
            synchronized(s2){
                s1.append("b");
                s2.append("2");
            }
        }
    }
}.start();

new Thread(){
    public void run(){
        synchronized(s2){		//和上一个线程所需要的锁,顺序刚好相反
            s1.append("c");
            s2.append("3");
            
        synchronized(s1){
            s1.append("d");
            s2.append("4");
            }
        }
    }
}.start();
/*
线程1->s1->s2(等待线程2释放)
线程2->s2->s1(等待线程1释放)
这样就形成了死锁
*/

• 解决方法：
  • 设计专门的算法/原则
  • 尽量减少同步资源的定义
  • 尽量避免嵌套同步

7. 线程通信

• 关键字

  • wait()：一旦执行此方法，当前线程就会进入阻塞状态，并释放同步监视器
  • notify()：一旦执行此方法，就会唤醒被wait的一个线程。如果有多个线程被wait，就唤醒优先级高的线程
  • notifyAll()：一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程

• 注意事项

  1. wait()，notify()，notifyAll()三个方法必须使用在同步代码块或同步方法中
  2. wait()，notify()，notifyAll()三个方法的调用者必须是同步代码块或同步方法中的同步监视器；否则会出现IllegalMonitorStateException异常
  3. wait()，notify()，notifyAll()三个方法是定义在java.lang.Object类中
  4. wait()和notify()必须同时出现在代码中，否则阻塞的线程无法被唤醒

• sleep()和wait()的异同

  • 相同点
    • 一旦执行方法，都可以使当前线程进入阻塞状态
  • 不同点
    • 两个方法声明的位置不同：Thread类中声明sleep()，Object类中声明wait()
    • 调用的要求不同：sleep()可以在任何需要的场景下调用，wait()必须使用在同步代码块或同步方法中
    • 是否释放同步监视器：sleep()不会释放锁，wait()会释放锁