Java生涯——Java基础---多线程

    xiaoxiao2021-03-25  12

    一、多线程概述

            要理解多线程,就必须理解线程。而要理解线程,就必须知道进程。

    1、 进程

            是一个正在执行的程序。

            每一个进程执行都有一个执行顺序。该顺序是一个执行路径,或者叫一个控制单元。

    2、线程

             就是进程中的一个独立的控制单元。线程在控制着进程的执行。只要进程中有一个线程在执行,进程就不会结束。

            一个进程中至少有一个线程。

    3、多线程

            java虚拟机启动的时候会有一个java.exe的执行程序,也就是一个进程。该进程中至少有一个线程负责java程序的执行。而且这个线程运行的代码存在于main方法中。该线程称之为主线程。JVM启动除了执行一个主线程,还有负责垃圾回收机制的线程。像种在一个进程中有多个线程执行的方式,就叫做多线程。

    4、多线程存在的意义

            多线程的出现能让程序产生同时运行效果。可以提高程序执行效率。

             例如:在java.exe进程执行主线程时,如果程序代码特别多,在堆内存中产生了很多对象,而同时对象调用完后,就成了垃圾。如果垃圾过多就有可能是堆内存出现内存不足的现象,只是如果只有一个线程工作的话,程序的执行将会很低效。而如果有另一个线程帮助处理的话,如垃圾回收机制线程来帮助回收垃圾的话,程序的运行将变得更有效率。

    5、计算机CPU的运行原理

             我们电脑上有很多的程序在同时进行,就好像cpu在同时处理这所以程序一样。但是,在一个时刻,单核的cpu只能运行一个程序。而我们看到的同时运行效果,只是cpu在多个进程间做着快速切换动作。

             cpu执行哪个程序,是毫无规律性的。这也是多线程的一个特性:随机性。哪个线程被cpu执行,或者说抢到了cpu的执行权,哪个线程就执行。而cpu不会只执行一个,当执行一个一会后,又会去执行另一个,或者说另一个抢走了cpu的执行权。至于究竟是怎么样执行的,只能由cpu决定。

     

    二、创建线程的方式

            创建线程共有两种方式:继承方式和实现方式(简单的说)。

    1、 继承方式

            通过查找java的帮助文档API,我们发现java中已经提供了对线程这类事物的描述的类——Thread类。这第一种方式就是通过继承Thread类,然后复写其run方法的方式来创建线程。

    创建步骤:

            a,定义类继承Thread

            b,复写Thread中的run方法。

                 目的:将自定义代码存储在run方法中,让线程运行。

            c,创建定义类的实例对象。相当于创建一个线程。

            d,用该对象调用线程的start方法。该方法的作用是:启动线程,调用run方法。

    注:如果对象直接调用run方法,等同于只有一个线程在执行,自定义的线程并没有启动。

    覆盖run方法的原因:

            Thread类用于描述线程。该类就定义了一个功能,用于存储线程要执行的代码。该存储功能就run方法。也就是说,Thread类中的run方法,用于存储线程要运行的代码。

    程序示例:

    [java]  view plain  copy /*  小练习  创建两线程,和主线程交替运行。  */      //创建线程Test   class Test extends Thread   {   //  private String name;       Test(String name)       {           super(name);   //      this.name=name;       }       //复写run方法       public void run()       {           for(int x=0;x<60;x++)           System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..run..."+x);   //      System.out.println(this.getName()+"..run..."+x);       }   }      class  ThreadTest   {       public static void main(String[] args)        {           new Test("one+++").start();//开启一个线程              new Test("tow———").start();//开启第二线程              //主线程执行的代码           for(int x=0;x<170;x++)           System.out.println("Hello World!");       }   }  

    结果:

          如图,执行是随机、交替执行的,每一次运行的结果都会不同。

           

    2、 实现方式

            使用继承方式有一个弊端,那就是如果该类本来就继承了其他父类,那么就无法通过Thread类来创建线程了。这样就有了第二种创建线程的方式:实现Runnable接口,并复习其中run方法的方式。

    创建步骤:

            a,定义类实现Runnable的接口。

            b,覆盖Runnable接口中的run方法。目的也是为了将线程要运行的代码存放在该run方法中。

            c,通过Thread类创建线程对象。

            d,将Runnable接口的子类对象作为实参传递给Thread类的构造方法。

           为什么要将Runnable接口的子类对象传递给Thread的构造函数?

            因为,自定义的run方法所属的对象是Runnable接口的子类对象。所以要让线程去指定对象的run方法,就必须明确该run方法所属对象。

            e,调用Thread类中start方法启动线程。start方法会自动调用Runnable接口子类的run方法。

    实现方式好处:避免了单继承的局限性。在定义线程时,建议使用实现方式。 

    程序示例:

    [java]  view plain  copy /*  需求:简单的卖票程序。  多个窗口卖票。  */   class Ticket implements Runnable//extends Thread   {       private  int tick = 100;       public void run()       {           while(true)           {               if(tick>0)               {                   //显示线程名及余票数                   System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....sale : "+ tick--);               }           }       }   }         class  TicketDemo   {       public static void main(String[] args)        {           //创建Runnable接口子类的实例对象           Ticket t = new Ticket();              //有多个窗口在同时卖票,这里用四个线程表示           Thread t1 = new Thread(t);//创建了一个线程           Thread t2 = new Thread(t);           Thread t3 = new Thread(t);           Thread t4 = new Thread(t);              t1.start();//启动线程           t2.start();           t3.start();           t4.start();       }   }  

     

    三、两种方式的区别和线程的几种状态

    1、两种创建方式的区别

            继承Thread:线程代码存放在Thread子类run方法中。

            实现Runnable:线程代码存放在接口子类run方法中。      

    2、几种状态

            被创建:等待启动,调用start启动。

             运行状态:具有执行资格和执行权。

             临时状态(阻塞):有执行资格,但是没有执行权。

             冻结状态:遇到sleeptime)方法和wait()方法时,失去执行资格和执行权,sleep方法时间到或者调用notify()方法时,获得执行资格,变为临时状态。

             消忙状态:stop()方法,或者run方法结束。

    注:当已经从创建状态到了运行状态,再次调用start()方法时,就失去意义了,java运行时会提示线程状态异常。

    图解:

       

    四、线程安全问题

    1、导致安全问题的出现的原因:

            当多条语句在操作同一线程共享数据时,一个线程对多条语句只执行了一部分,还没用执行完,另一个线程参与进来执行。导致共享数据的错误。

    简单的说就两点:

            a、多个线程访问出现延迟。

            b、线程随机性    

    注:线程安全问题在理想状态下,不容易出现,但一旦出现对软件的影响是非常大的。

    2、解决办法——同步

            对多条操作共享数据的语句,只能让一个线程都执行完。在执行过程中,其他线程不可以参与执行。

            在java中对于多线程的安全问题提供了专业的解决方式——synchronized(同步)

            这里也有两种解决方式,一种是同步代码块,还有就是同步函数。都是利用关键字synchronized来实现。

             a、同步代码块

            用法:

                      synchronized(对象)

                      {需要被同步的代码}

            同步可以解决安全问题的根本原因就在那个对象上。其中对象如同锁。持有锁的线程可以在同步中执行。没有持有锁的线程即使获取cpu的执行权,也进不去,因为没有获取锁。

    示例:

    [java]  view plain  copy /*    给卖票程序示例加上同步代码块。  */   class Ticket implements Runnable   {       private int tick=100;       Object obj = new Object();       public void run()       {           while(true)           {               //给程序加同步,即锁               synchronized(obj)               {                   if(tick>0)                   {                       try                       {                              //使用线程中的sleep方法,模拟线程出现的安全问题                           //因为sleep方法有异常声明,所以这里要对其进行处理                           Thread.sleep(10);                       }                       catch (Exception e)                       {                       }                       //显示线程名及余票数                       System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..tick="+tick--);                   }               }              }       }   }  

            b,同步函数

            格式:

                    在函数上加上synchronized修饰符即可。

            那么同步函数用的是哪一个锁呢?

            函数需要被对象调用。那么函数都有一个所属对象引用。就是this。所以同步函数使用的锁是this

    拿同步代码块的示例:

    [java]  view plain  copy class Ticket implements Runnable   {       private int tick=100;       Object obj = new Object();       public void run()       {           while(true)           {               show();           }       }     //直接在函数上用synchronized修饰即可实现同步   public synchronized void show()   {           if(tick>0)           {           try           {                  //使用线程中的sleep方法,模拟线程出现的安全问题               //因为sleep方法有异常声明,所以这里要对其进行处理               Thread.sleep(10);           }           catch (Exception e)           {           }           //显示线程名及余票数           System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..tick="+tick--);       }   }      }  

    3、同步的前提

            a,必须要有两个或者两个以上的线程。

            b,必须是多个线程使用同一个锁。

    4、同步的利弊

            好处:解决了多线程的安全问题。

            弊端:多个线程需要判断锁,较为消耗资源。

    5、如何寻找多线程中的安全问题

            a,明确哪些代码是多线程运行代码。

            b,明确共享数据。

            c,明确多线程运行代码中哪些语句是操作共享数据的。

     

    五、静态函数的同步方式

            如果同步函数被静态修饰后,使用的锁是什么呢?

            通过验证,发现不在是this。因为静态方法中也不可以定义this。静态进内存时,内存中没有本类对象,但是一定有该类对应的字节码文件对象。如:

            类名.class 该对象的类型是Class

    这就是静态函数所使用的锁。而静态的同步方法,使用的锁是该方法所在类的字节码文件对象。类名.class

    经典示例:

    [java]  view plain  copy /*  加同步的单例设计模式————懒汉式  */   class Single   {       private static Single s = null;       private Single(){}       public static void getInstance()       {           if(s==null)           {               synchronized(Single.class)               {                   if(s==null)                       s = new Single();               }           }           return s;       }   }  

     

    六、死锁

            当同步中嵌套同步时,就有可能出现死锁现象。

    示例:

    [java]  view plain  copy /*  写一个死锁程序  */      //定义一个类来实现Runnable,并复写run方法   class LockTest implements Runnable   {       private boolean flag;       LockTest(boolean flag)       {           this.flag=flag;       }       public void run()       {           if(flag)           {               while(true)               {                   synchronized(LockClass.locka)//a锁                   {                       System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"------if_locka");                          synchronized(LockClass.lockb)//b锁                       {                       System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"------if_lockb");                       }                   }               }           }           else           {               while(true)               {                   synchronized(LockClass.lockb)//b锁                   {                     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"------else_lockb");                          synchronized(LockClass.locka)//a锁                       {                      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"------else_locka");                       }                   }               }           }       }   }      //定义两个锁   class LockClass   {       static Object locka = new Object();       static Object lockb = new Object();   }      class DeadLock   {       public static void main(String[] args)       {           //创建2个进程,并启动           new Thread(new LockTest(true)).start();           new Thread(new LockTest(false)).start();       }   }  

    结果:程序卡住,不能继续执行

           

     

    七、线程间通信

            其实就是多个线程在操作同一个资源,但是操作的动作不同。

    1、使用同步操作同一资源的示例:

    [java]  view plain  copy /*      有一个资源  一个线程往里存东西,如果里边没有的话  一个线程往里取东西,如果里面有得话  */      //资源   class Resource   {       private String name;       private String sex;       private boolean flag=false;              public synchronized void setInput(String name,String sex)       {           if(flag)           {               try{wait();}catch(Exception e){}//如果有资源时,等待资源取出           }           this.name=name;           this.sex=sex;              flag=true;//表示有资源           notify();//唤醒等待       }          public synchronized void getOutput()       {                  if(!flag)           {               try{wait();}catch(Exception e){}//如果木有资源,等待存入资源           }           System.out.println("name="+name+"---sex="+sex);//这里用打印表示取出                              flag=false;//资源已取出           notify();//唤醒等待       }   }         //存线程   class Input implements Runnable   {       private Resource r;       Input(Resource r)       {           this.r=r;       }       public void run()//复写run方法       {           int x=0;           while(true)           {               if(x==0)//交替打印张三和王羲之               {                   r.setInput("张三",".....man");               }               else               {                   r.setInput("王羲之","..woman");               }               x=(x+1)%2;//控制交替打印           }       }   }      //取线程   class Output implements Runnable   {       private Resource r;       Output(Resource r)       {           this.r=r;       }       public void run()//复写run方法       {           while(true)           {               r.getOutput();           }       }   }            class ResourceDemo2    {       public static void main(String[] args)        {           Resource r = new Resource();//表示操作的是同一个资源              new Thread(new Input(r)).start();//开启存线程              new Thread(new Output(r)).start();//开启取线程       }   }  

    结果:部分截图

     几个小问题:

            1)wait(),notify(),notifyAll(),用来操作线程为什么定义在了Object类中?

                    a,这些方法存在与同步中。

                    b,使用这些方法时必须要标识所属的同步的锁。同一个锁上wait的线程,只可以被同一个锁上的notify唤醒。

                    c,锁可以是任意对象,所以任意对象调用的方法一定定义Object类中。

            2)wait(),sleep()有什么区别?

                  wait():释放cpu执行权,释放锁。

                  sleep():释放cpu执行权,不释放锁。

            3)为甚么要定义notifyAll

            因为在需要唤醒对方线程时。如果只用notify,容易出现只唤醒本方线程的情况。导致程序中的所以线程都等待。

    2JDK1.5中提供了多线程升级解决方案。

            将同步synchronized替换成显示的Lock操作。将ObjectwaitnotifynotifyAll,替换成了Condition对象。该Condition对象可以通过Lock锁进行获取,并支持多个相关的Condition对象。

    升级解决方案的示例:

    [java]  view plain  copy /*  生产者生产商品,供消费者使用  有两个或者多个生产者,生产一次就等待消费一次  有两个或者多个消费者,等待生产者生产一次就消费掉    */      import java.util.concurrent.locks.*;      class Resource    {          private String name;       private int count=1;       private boolean flag = false;              //多态       private Lock lock=new ReentrantLock();          //创建两Condition对象,分别来控制等待或唤醒本方和对方线程       Condition condition_pro=lock.newCondition();       Condition condition_con=lock.newCondition();          //p1、p2共享此方法       public void setProducer(String name)throws InterruptedException       {           lock.lock();//锁           try           {               while(flag)//重复判断标识,确认是否生产                   condition_pro.await();//本方等待                  this.name=name+"......"+count++;//生产               System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...生产..."+this.name);//打印生产               flag=true;//控制生产\消费标识               condition_con.signal();//唤醒对方           }           finally           {               lock.unlock();//解锁,这个动作一定执行           }                  }          //c1、c2共享此方法       public void getConsumer()throws InterruptedException       {           lock.lock();           try           {               while(!flag)//重复判断标识,确认是否可以消费                   condition_con.await();                  System.out.println(Thread.currentThread().getName()+".消费."+this.name);//打印消费               flag=false;//控制生产\消费标识               condition_pro.signal();           }           finally           {               lock.unlock();           }          }   }      //生产者线程   class Producer implements Runnable    {       private Resource res;       Producer(Resource res)       {           this.res=res;       }       //复写run方法       public void run()       {           while(true)           {               try               {                   res.setProducer("商品");               }               catch (InterruptedException e)               {               }           }       }   }      //消费者线程   class Consumer implements Runnable   {       private Resource res;       Consumer(Resource res)       {           this.res=res;       }       //复写run       public void run()       {           while(true)           {               try               {                   res.getConsumer();               }               catch (InterruptedException e)               {               }           }       }      }      class  ProducerConsumer   {       public static void main(String[] args)        {           Resource res=new Resource();              new Thread(new Producer(res)).start();//第一个生产线程 p1           new Thread(new Consumer(res)).start();//第一个消费线程 c1              new Thread(new Producer(res)).start();//第二个生产线程 p2           new Thread(new Consumer(res)).start();//第二个消费线程 c2       }   }  

    运行结果:部分截图

           

     

    八、停止线程

            在JDK 1.5版本之前,有stop停止线程的方法,但升级之后,此方法已经过时。

    那么现在我们该如果停止线程呢?

            只有一种办法,那就是让run方法结束。

    1、开启多线程运行,运行代码通常是循环结构。只要控制住循环,就可以让run方法结束,也就是线程结束。

          如:run方法中有如下代码,设置一个flag标记。  

    [java]  view plain  copy public  void run()   {       while(flag)       {              System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....run");       }   }  

            那么只要在主函数或者其他线程中,在该线程执行一段时间后,将标记flag赋值false,该run方法就会结束,线程也就停止了。

    2、上面的1方法可以解决一般情况,但是有一种特殊情况:就是当线程处于冻结状态。就不会读取到标记。那么线程就不会结束。

            当没有指定的方式让冻结的线程恢复到运行状态时,这时需要对冻结进行清除。强制让线程恢复到运行状态中来。这样就可以操作标记让线程结束。Thread类提供该方法interrupt();

    如:

    [java]  view plain  copy class StopThread implements Runnable   {       private boolean flag =true;       public  void run()       {           while(flag)           {               System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....run");           }       }       public void changeFlag()       {           flag = false;       }   }      class  StopThreadDemo   {       public static void main(String[] args)        {           StopThread st = new StopThread();           Thread t1 = new Thread(st);           Thread t2 = new Thread(st);            t1.start();           t2.start();               int num = 0;           while(true)           {               if(num++ == 60)               {                   t1.interrupt();//清除冻结状态                   t2.interrupt();                   st.changeFlag();//改变循环标记                   break;               }               System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"......."+num);           }           System.out.println("over");       }   }  

    结果:

           

     

    九、什么时候写多线程?

            当某些代码需要同时被执行时,就用单独的线程进行封装。

    示例:

    [java]  view plain  copy class  ThreadTest   {       public static void main(String[] args)        {           //一条线程           new Thread()           {               public void run()               {                   for (int x=0;x<100 ;x++ )                   {                       System.out.println(Thread.currentThread().toString()+"....."+x);                   }               }           }.start();                  //又是一条线程           Runnable r= new Runnable()           {               public void run()               {                   for (int x=0;x<100 ;x++ )                   {                       System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....."+x);                   }               }           };           new Thread(r).start();                      //可以看作主线程           for (int x=0;x<1000 ;x++ )           {               System.out.println("Hello World!");           }                  }   }  

     

    扩展小知识:

    1join方法

            当A线程执行到了b线程的.join()方法时,A线程就会等待,等B线程都执行完,A线程才会执行。(此时B和其他线程交替运行。)join可以用来临时加入线程执行。

    2setPriority()方法用来设置优先级

            MAX_PRIORITY 最高优先级10

            MIN_PRIORITY   最低优先级1

            NORM_PRIORITY 分配给线程的默认优先级

    3yield()方法可以暂停当前线程,让其他线程执行。

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