第8章多线程

发表于 2021-12-14 分类于程序设计， Java 阅读次数：本文字数： 15k 阅读时长 ≈ 14 分钟

第8章、多线程

一、基本概念：程序、进程、线程
二、线程的创建和使用（重点，JDK5.0 前 2 种创建多线程方式）
三、线程的生命周期
四、线程的同步（重难点，3 种方法解决线程安全问题）
五、线程的通信
六、JDK5.0 新增的 2 种线程创建方式
面试
每日一考
创建多线程有哪些方式：4 种

一、基本概念：程序、进程、线程

程序(program)是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码，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
- 如：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
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。

单核CPU和多核CPU

单核CPU，其实是一种假的多线程，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。

并行和并发

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（多个线程同作一件事）

使用多线程的优点

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（cpu需要切换时间），为何仍需多线程呢？

多线程程序优点：

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

何时需要多线程

程序需要同时执行两个或多个任务。
程序需要实现一些需要等待的任务时，如用户输入、文件读写操作、网络操作、搜索等。
需要一些后台运行的程序时

二、线程的创建和使用（重点，JDK5.0前2种创建多线程方式）

多线程的创建，方式一：继承于Thread类（存在线程安全问题）

创建一个继承于Thread类的子类
重写Thread类的run()，将此线程执行的操作声明在run()方法中
创建Thread类子类对象
调用子类对象的start()方法:
- 启动当前线程
- 调用当前线程的run()方法

问题一：不能通过直接调用对象的run()方法的方式启动线程

问题二：不可以让已经start()的线程去执行。会报IllegalThreadStateException。需要重新创建一个线程的对象

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 3. 创建Thread类子类对象
        // 4. 调用子类对象的start()方法
        new MyThread().start();
        
        // 如下操作仍在main线程中进行
        for(int i = 0; i < 100; i++){
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(i + "...");
            }
        }
        
        // 匿名子类的匿名对象
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                for(int i = 0; i < 100; i++){
                    if(i % 2 == 0){
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
                    }
                }
            }
        }.start();
    }
}

// 1. 创建一个继承于Thread类的子类
class MyThread 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);
            }
        }
    }
}

Thread类的常用方法

start(): 启动当前线程；调用当前线程的run方法
run(): 通常需要重写Thread类中的此方法，将创建的线程要执行的操作声明在此方法中
currentThread(): 静态方法，返回执行当前代码的线程
getName(): 获取当前线程的名字
setName(): 设置当前线程的名字
yield(): 静态方法，释放当前cpu的执行权
join(): 在线程A中调用线程B的join方法，此时线程a进入阻塞状态，直到线程B完全执行完后，线程A才结束阻塞状态
stop(): 已过时；当执行此方法时，强制结束当前线程
sleep(long millis): 让当前线程睡眠指定的millis毫秒。载指定的millis毫秒时间内，当前线程是阻塞状态
isAlive(): 判断当前线程是否存活

线程的调度

调度策略
- 时间片
- 抢占式：高优先级线程抢占CPU
Java的调度方法
- 同优先级线程组成先进先出队列，使用时间片策略
- 高优先级使用优先调度的抢占式策略

线程的优先级

线程的优先等级
- MAX_PRIORITY：10
- MIN _PRIORITY：1
- NORM_PRIORITY：5；线程的默认优先级
线程优先级方法
- getPriority() ：返回线程优先值
- setPriority(int newPriority) ：改变线程的优先级
高优先级的线程要抢占低优先级线程的CPU执行权。但只是从概率上讲，高优先级的线程高概率的情况下先被执行。并不意味着只有当高优先级的线程执行完后，低优先级的线程才执行。

创建多线程的方式二：实现Runnable接口（存在线程安全问题）

创建一个实现了Runnable接口的类
实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
创建实现类的对象
将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类对象
通过Thread类的对象调用strat()：①启动线程；②调用当前线程的run()方法 --> Java源码内，传入Thread的构造器的实参传给了 Runnable类型的target，实际上调用的target的run()方法

创建多线程的2种方式区别

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形式
联系
- Thread也实现了Runnable接口
- 两种方式都需要重写run()，将线程执行的逻辑声明在run()中

补充：线程的分类

Java中的线程分为两类：一种是守护线程，一种是用户线程。

用户线程在的时候，守护线程用来服务用户线程
通过在start()方法前调用thread.setDaemon(true)可以把一个用户线程变成一个守护线程
当用户线程退出后，守护线程也将退出；java垃圾回收就是一个典型的守护线程
若JVM中都是守护线程，当前JVM将退出

三、线程的生命周期

线程的完整生命周期通常要经历如下五个状态：

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0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

说明

生命周期关注的两个概念：状态、相应的方法
关注
- 从状态a到状态b哪些方法执行了（回调方法）
- 通过手动调用那些方法实现从状态a到状态b
阻塞是临时状态，不可做为最终状态。

四、线程的同步（重难点，3种方法解决线程安全问题）

安全问题:

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

解决方法：Java中通过同步机制，来解决线程的安全问题

同步的方式，解决了线程的安全问题 -- 好处

操作同步代码时，只能有一个线程参与，其他线程等待。相当于一个单线程的过程，效率低 -- 局限性

方式一：同步代码块（synchronized）

格式

1
2
3

synchronized(同步监视器){
    // 需要被同步的代码
}

说明

操作共享数据的代码即为需要被同步的代码；多个线程共同操作的变量即为共享数据。同步代码块不能包少了，也不能包多了（逻辑会出问题）

同步监视器（俗称锁）任何一个类的对象都可充当锁。

要求多个线程共用同一把锁，即同一个对象

实现Runnable接口的类中，可直接创建一个新的任意类的对象作为同步监视器，或直接使用this

class MyThread2 implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        // 同步代码块
        synchronized (this){
            for(int i = 0; i < 100; i++){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
            }

        }
    }
}

继承Thread类的子类中，需创建一个static对象作为同步监视器，或直接使用“当前类.class"，即类也是一个对象

class MyThread1 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        synchronized(MyThread1.class){
            for(int i = 0; i < 100; i++){
                System.out.println(getName() + ": " + i);
            }

        }
    }
}

方式二：同步方法（synchronized）

如果操作共享数据的代码完整的声明在一个方法中，不妨将此方法声明为同步的

总结:

同步方法仍然涉及到同步监视器，只是不需要我们显式声明

非静态的同步方法，同步监视器为this；静态同步方法的同步监视器为当前类本身

实现Runnable接口的类中，可直接抽出部分代码作为方法，并将此方法声明为synchronized、在run()方法体中调用

class MyThread2 implements Runnable{

    private int i = 0;

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

    private synchronized void show(){ // 同步方法中的同步监视器：this
        if(i < 100) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            i++;
        }
    }
}

继承Thread类的子类中，抽出部分代码作为方法，并将此方法声明为synchronized，但需同时将此方法声明为static，此时使用的同步监视器为“当前类.class"，即类也是一个对象

class MyThread1 extends Thread{

    private static int i = 0;

    @Override
    public void run() {
        for(int j = 0; j < 100; j++){
            show();
        }
    }
    private static synchronized void show(){ // 同步监视器：MyThread1.class
        // private synchronized void show(){ // 同步监视器：this，指当前对象，所以锁不唯一
        if(i < 100) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            i++;
        }
    }
}

单例模式之懒汉式安全问题解决

class Bank{
    private Bank(){}

    private static Bank instance = null;

    public static synchronized Bank getInstance(){ // 同步方法
        if(instance == null){
            instance = new Bank();
        }
        return instance;
    }

    public static Bank getInstance2(){
        // 懒汉式同步代码块实现方式一: 效率稍差
        synchronized (Bank.class) { // 同步代码块
            if(instance == null){
                instance = new Bank();
            }
            return instance;
        }

        // 懒汉式同步代码块实现方式二【Double-checked locking 】: 效率较高
        // 原因：当同时来的多个线程取对象时，仍然相当于单线程判断和执行
        //      但当后面再来多个线程取对象时，直接return走了，无需进入单线程判断和执行
        if(instance == null) {
            synchronized (Bank.class) { // 同步代码块
                if (instance == null) {
                    instance = new Bank();
                }
            }
        }
        return instance;
        
    }
}

死锁问题

死锁的理解：不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃，都在等待对方放弃自己需要的同步资源，就形成了线程的死锁
说明
- 出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所有的线程都处于阻塞状态，无法继续
- 使用同步时，要避免出现死锁

方式三：Lock锁 --- JDK5.0新增

实例化ReentrantLock( 需保证多个线程的lock对象是相同的 )
调用上锁方法：lock()
调用解锁方法：unlock()

class Window implements Runnable{

    private int ticket = 100;
    // 1. 实例化
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    @Override
    public void run() {
        while (true){

            try{
                // 2. 调用上锁方法 lock
                lock.lock();

                if(ticket > 0){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": ID - " + ticket);
                    ticket--;
                }else {
                    break;
                }
            } finally {
                // 3. 调用解锁方法 unlock
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

优先使用顺序

Lock - 同步代码块 - 同步方法

小结：释放锁的操作

当前线程的同步方法、同步代码块执行结束。
当前线程在同步代码块、同步方法中遇到break、return终止了该代码块、该方法的继续执行。
当前线程在同步代码块、同步方法中出现了未处理的Error或Exception，导致异常结束。
当前线程在同步代码块、同步方法中执行了线程对象的wait()方法，当前线程暂停，并释放锁。

小结：不释放锁的操作

线程执行同步代码块或同步方法时，程序调用Thread.sleep()、 Thread.yield()方法暂停当前线程的执行
线程执行同步代码块时，其他线程调用了该线程的suspend()方法将该线程挂起，该线程不会释放锁（同步监视器）。
- 应尽量避免使用suspend()和resume()来控制线程

五、线程的通信

涉及到的三个方法

wait(): 一旦执行此方法，当前线程就进入阻塞状态，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，就会唤醒所以被wait()的线程

说明

wait()、notify()、notifyAll()都必须使用在同步代码块或同步方法中
wait()、notify()、notifyAll()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
wait()、notify()、notifyAll()三个方法定义在java.lang.Object类中

经典问题（生产者/消费者问题）

生产者(Productor)将产品交给店员(Clerk)，而消费者(Customer)从店员处取走产品，店员一次只能持有固定数量的产品(比如:20），如果生产者试图生产更多的产品，店员会叫生产者停一下，如果店中有空位放产品了再通知生产者继续生产；如果店中没有产品了，店员会告诉消费者等一下，如果店中有产品了再通知消费者来取走产品。

这里可能出现两个问题：

生产者比消费者快时，消费者会漏掉一些数据没有取到。
消费者比生产者快时，消费者会取相同的数据。

// 共享数据：店员 / 产品数量
// 涉及线程安全问题：3种同步机制
// 涉及线程通信

public class ProductTest {
    public static void main(String[] args) {
        Clerk clerk = new Clerk();

        Producer producer = new Producer(clerk);
        producer.setName("生产者1");

        Customer customer = new Customer(clerk);
        customer.setName("消费者1");

        producer.start();
        customer.start();
    }

}

class Clerk {

    private int productNum = 0;

    public synchronized void produceProduct() {
        if (productNum < 20) {
            productNum++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 正在生产第" + productNum + "个产品");

            notify();
        } else {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public synchronized void consumeProduct() {

        if (productNum > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 正在购买第" + productNum + "个产品");
            productNum--;

            notify();
        } else {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

class Producer extends Thread {

    private final Clerk clerk;

    public Producer(Clerk clerk) {
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            clerk.produceProduct();

            try {
                sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

class Customer extends Thread {
    private final Clerk clerk;

    public Customer(Clerk clerk) {
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            clerk.consumeProduct();

            try {
                sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

六、JDK5.0新增的2种线程创建方式

创建线程方式三（JDK5.0新增方式一）：实现Callable接口

与使用Runnable相比， Callable功能更强大些
- 相比run()方法，Call()方法可以有返回值
- Call()方法可以抛出异常，被外面的操作捕获，获取异常信息
- Callable支持泛型，Call()支持泛型的返回值
- 需要借助FutureTask类，比如获取返回结果

过程

创建一个实现Callable的实现类
实现类中实现Call方法，将此线程需要执行的操作声明在Call方法中
创建Callable实现类的对象
将实现类对象作为参数传递到FutureTask构造器中，创建FutureTask的对象
将FutureTask的对象作为参数传递到Thread的构造器中，创建Thread对象，并调用start()方法
获取Callable中Call方法中的返回值，FutureTask对象的get()方法返回值即为FutureTask构造器参数Callable实现类重写的Call()的返回值

public class CallableTest {
    public static void main(String[] args) {
        NumThread numThread = new NumThread();
        FutureTask futureTask = new FutureTask(numThread);
        Thread thread = new Thread(futureTask);
        thread.start();

        try {
            Object sum = futureTask.get();
            System.out.println(sum);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class NumThread implements Callable{

    @Override
    public Object call() throws Exception {
        int sum = 0;

        for(int i = 0; i < 100; i++){
            sum += i;
        }

        return sum;
    }
}

创建线程方式四（JDK5.0新增方式二，开发常用）：线程池

背景：经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。思路：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、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。

好处：

提高响应速度（减少了创建新线程的时间）
降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）
便于线程管理（多于数据库可连接总数时，不再提供连接）
- 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终止
- …

面试

synchronized 与 Lock 的异同
- 相同点：两者都可解决线程的安全问题
- 不同点：
  - synchronized机制在执行完相应的同步代码块后，自动释放同步监视器
  - Lock需要手动启动同步lock()，同时结束同步也需要手动的实现unlock()
sleep()方法和wait()方法的异同？（重点）
- 相同点：执行后都可使当前线程进入阻塞状态
- 不同点：
  - 两方法声明位置不同：Thread类中声明sleep()，Object类中声明wait()
  - 调用要求不同：sleep()可在需要的场景下调用；wait()必须使用在同步代码块或同步方法中
  - 关于释放同步监视器：如两方法都使用在同步方法或同步代码块中，sleep()不会释放同步监视器，wait()会释放同步监视器
创建多线程有几种方式？
- 四种：
  - 继承Thread类并重写run方法，在main中创建对象并调用start()方法
  - 实现Runnable接口方式，实现接口run方法，在main中创建实现类对象，并将该对象作为参数传给Thread构造函数，通过Thread对象调用start()方法
  - 实现Callable接口方式，实现Call方法，在main中创建实现类对象，将该对象作为参数传给FutureTask构造函数，将FutureTask对象作为参数传给Thread构造函数，通过Thread对象调用start()方法
  - 使用线程池方式，响应速度提高、提高了资源重用率，便于管理
如何解决线程安全问题，有几种方式，对比几种方式的不同点

每日一考

谈谈你对程序、进程、线程的理解
- 程序是静态的代码
- 进程是正在运行的程序，动态的
- 线程：进程可以细分为线程，线程是一个程序内部的一条执行路径

代码完成继承Thread的方式创建分线程，并遍历100以内的自然数

public class ThreadMethod {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread1 t1 = new MyThread1();
        t1.setName("Extends Thread 线程");
        t1.start();
    }
}

class MyThread1 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0; i < 100; i++){
            System.out.println(getName() + ": " + i);
        }
    }
}

代码完成实现Runnable接口的方法创建分线程，并遍历100以内的自然数

public class ThreadMethod {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread2 t2 = new MyThread2();
        Thread t = new Thread(t2);

        t.setName("implements Runnable 线程");
        t.start();
    }
}
class MyThread2 implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0; i < 100; i++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
        }
    }
}

对比两种创建方式
说说你对IDEA中Project和Module的理解
- 一个项目Project由多个相互联系的模块Module组成
画图说明线程的生命周期，以及各状态切换使用到的方法等
- 创建、就绪、运行、阻塞、死亡
同步代码块中涉及到同步监视器和共享数据，谈谈你对同步监视器和共享数据的理解，以及注意点
- 同步监视器是什么，
  - 需要同步的代码的同步监视器需要是同一个对象
  - 非静态同步方法的同步监视器是this，静态方法的同步监视器是当前类本身
- 共享数据是多个线程共同操作的数据，
  - 操作共享数据代码不能包多了，也不能包少了
sleep()和wait()的区别
- 声明的位置不同：
- 调用者不同
- 调用的位置不同
- 释放锁情况不同
写一个线程安全的懒汉式
创建多线程有哪些方式：4种

Hunt's Blog

第8章多线程

第8章、多线程

目录

一、基本概念：程序、进程、线程

单核CPU和多核CPU

并行和并发

使用多线程的优点

何时需要多线程

二、线程的创建和使用（重点，JDK5.0前2种创建多线程方式）

多线程的创建，方式一：继承于Thread类（存在线程安全问题）

Thread类的常用方法

线程的调度

线程的优先级

创建多线程的方式二：实现Runnable接口（存在线程安全问题）

创建多线程的2种方式区别

补充：线程的分类

三、线程的生命周期

四、线程的同步（重难点，3种方法解决线程安全问题）

方式一：同步代码块（synchronized）

方式二：同步方法（synchronized）

单例模式之懒汉式安全问题解决

死锁问题

方式三：Lock锁 --- JDK5.0新增

小结：释放锁的操作

小结：不释放锁的操作

五、线程的通信

涉及到的三个方法

说明

经典问题（生产者/消费者问题）

六、JDK5.0新增的2种线程创建方式

创建线程方式三（JDK5.0新增方式一）：实现Callable接口

创建线程方式四（JDK5.0新增方式二，开发常用）：线程池

面试

每日一考

第8章、多线程

目录

一、基本概念：程序、进程、线程

单核CPU和多核CPU

并行和并发

使用多线程的优点

何时需要多线程

二、线程的创建和使用（重点，JDK5.0前2种创建多线程方式）

多线程的创建，方式一：继承于Thread类（存在线程安全问题）

Thread类的常用方法

线程的调度

线程的优先级

创建多线程的方式二：实现Runnable接口（存在线程安全问题）

创建多线程的2种方式区别

补充：线程的分类

三、线程的生命周期

四、线程的同步（重难点，3种方法解决线程安全问题）

方式一：同步代码块（synchronized）

方式二：同步方法（synchronized）

单例模式之懒汉式 安全问题解决

死锁问题

方式三：Lock锁 --- JDK5.0新增

小结：释放锁的操作

小结：不释放锁的操作

五、线程的通信

涉及到的三个方法

说明

经典问题（生产者/消费者问题）

六、JDK5.0新增的2种线程创建方式

创建线程方式三（JDK5.0新增方式一）：实现Callable接口

创建线程方式四（JDK5.0新增方式二，开发常用）：线程池

面试

每日一考

单例模式之懒汉式安全问题解决