【Java进阶】多线程（一）

【Java进阶】多线程

第一章：线程

1 并发与并行

• 🗡 并发：指两个或多个事件在同一时间段内发送
• ✈️ 并行：指两个或多个事件在同一时刻发生

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，这在但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在同时运行，其实是因为分时交替运行的事件是非常短的。(可能只有几十微秒)

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，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。

🍿 线程调度：单核处理器的计算机肯定是不饿能并行的处理多个任务的，只能是多个任务在单个CPU上并发运行。同理，线程也是一样的，从宏观角度上看线程是并行的，但是从微观角度上看确实串行的，当系统只有一个CPU时，线程会以某种顺序执行多个线程，我们把这种情况称之为线程调度。

2 进程与线程

🌶 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，也是系统运行程序的基本单位；系统运行一个程序是一个进程从创建、运行到消亡的过程。

我们打开任务管理器就可以看到系统中正在运行的各个进程。

🌭 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，这个应用程序也称之为多线程程序。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，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，Java语言中使用的是抢占式调度。

  • 设置线程的优先级

    我们可以去任务管理器中设置自己的优先级

    

  • 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直指同时运行多个程序，比如：同时使用QQ、微信、浏览器等等。此时，这些进程是在同时运行，但我们感觉这些软件好像在同一时刻运行着。

    实际上不是这样，CPU使用抢占式调度模式在多个线程间进行着告诉的切换，对于CPU的一个核而言，某个时刻，只能执行一个线程，而CPU在多个线程间切换速度非常快，看上去就像是在同一个时刻运行。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使用率更高。

    

3.Java 创建线程类

⭐️ 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：

1. 定义Thread类的子类，并重写改类的run方法，改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。
2. 创建Thread子类的实例，即创建了线程对象
3. 调用线程对象的start()方法来启动该线程

自定义继承类

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);
        }
    }
}
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测试类

public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread("小新");
        myThread.start();
    }
}
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测试结果

4.多线程原理

我们改写一些刚才的测试类，在测试类中加入main线程中的代码

public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("这里时Main线程");
        MyThread myThread = new MyThread("小新");
        myThread.start();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("Main + " + i);
        }
    }
}
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我们就会得到这样的结果

我们可以发现，这两个线程是交替执行的，谁抢到处理机谁执行。

程序启动main时候，java虚拟机启动一个进程，主线程在main()调用时被创建。随着调用myThread的对象的start方法，另外一个新的进程也启动了，这样，整个应用就在多线程下运行。

流程图如下所示：

我们可以看到多线程的执行流程，那么为什么可以完成并发执行呢？我们来讲一下原理：

多线程之u行时，在占内存中，其实每一个执行线程都有一篇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。

5 .Thread类

java.lang.Thread类的方法

构造方法：

• public Thread():分配一个新的线程对象
• public Thread(String name):分配一个指定名字的新的线程对象
• public Thread(Runnable target):分配一个带有指定目标新的线程对象。
• public Thread(Runnable target,String name):分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。

常用方法：

• public String getName():获取当前线程名称。
• public void start():导致此线程开始执行，java虚拟机调用此线程的run方法。
• public void run():此线程要执行的任务在此处定义代码
• public static void sleep(long millis):使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停（暂时停止执行）。
• public static Thread currentThread():返回对当前正在执行的线程对象的引用。

6 创建线程方式二

采用 java.lang.Runnable 也是非常常见的一种，我们只需要重写run方法即可。 步骤如下：

1. 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。
2. 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。
3. 调用线程对象的start()方法来启动线程。

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
        }
    }
}
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public class demo02 {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建自定义对象 线程任务对象
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
        // 创建线程对象
        Thread thread = new Thread(myRunnable, "小强");
        thread.start();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println("旺财 " + i);
        }
    }
}
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通过实现Runnable接口，使得该类有了多线程类的特征。run()方法是多线程程序的一个执行目标。所有的多线程代码都在run方法里。Thread类实际上也是实现了Runnable接口的类。

在启动的多线程的时候，需要先通过Thread类的构造方法Thrad(Runnable target)构造出对象，然后调用Thread对象的start方法里面。Thread类实际上也是实现了Runnable接口的类。

在启动的多线程的时候，需要先通过Thread类的构造方法Thread(Runnable target)构造出对象，然后调用Thread对象的start()方法来运行多线程代码。

实际上所有的多线程代码都是通过运行Thread的start()方法来运行的。因此，不管是几次Thread类还是实现Runnable接口来实现多线程，最终还是通过Thread的对象的API来控制线程的，数学Thread类的API是进行多线程编程的基础。

Runnable对象仅仅作为Thread对象的target，Runnable实现类里包含的run()方法仅作为线程执行体。 而实际的线程对象依然是Thread实例，只是该Thread线程负责执行其target的run()方法。

7 Thread和Runnable区别

如果一个类继承Thread，则不适合资源共享，但是如果实现Runnable接口的话，则很容易的实现资源共享。

实现Runnable接口比继承Thread类所具有的游戏：

1. 适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源
2. 可以避免java中的单继承的局限性
3. 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
4. 线程池只能放入实现Runnable或Callable类基础，不饿能直接放入基础Thread的累。

在java中，每次程序运行至少启动2个线程。一个是main线程，一个是垃圾收集线程。因为每当使用 java命令执行一个类的时候，实际上都会启动一个JVM，每一个JVM其实在就是在操作系统中启动了一个进 程。

使用匿名内部类方式实现线程的创建

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。 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：

public class demo03 {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 20; i++)
                    System.out.println(i);
            }
        };
        new Thread(r).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 20; i++)
                    System.out.println(i);
            }
        }).start();
    }
}
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第二章：线程安全

1线程安全

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，而其他的变量的值也是和预期的是一样的，就是线程安全的。

通过一个案例，演示线程的安全问题：

电影院要买票，我们模拟电影院的买票过程，假设当前总共有一百个作为，有多个售票窗口，这几个窗口同时卖票。

窗口用线程对象来模拟，票用Runnable接口子类来模拟。

模拟票

public class Ticket implements Runnable{
    private int ticket=100;
    /**
     * 执行卖票操作
     */
    @Override
    public void run() {
        //每个窗口卖票的操作
        // 窗口永远开启
        while(true)
        {
            if(ticket>0)// 还有票可以卖
            {
                // 出票操作
                // 使用sleep模拟一下出票时间
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 获取当前线程对象的名字
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在卖："+ticket--);
            }
        }
    }
}
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模拟窗口

public class demo04 {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程任务对象
        Runnable r = new Ticket();
        new Thread(r,"窗口1").start();
        new Thread(r,"窗口2").start();
        new Thread(r,"窗口3").start();
    }
}
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模拟结果

我们发现程序出现了两个问题：

1. 相同的票数被卖了两回
2. 出现了不存在的票，比如0和-1

这种问题，几个窗口票数不同步了，这种问题称为线程不安全。

出现这种问题的原因：

每一个线程卖票需要两种操作：

1. 读票
2. 票数减1

当某一个窗口执行完操作1正要执行操作2的时候，突然被别的线程抢占了处理机，导致当前线程处于就绪态。抢占的线程执行操作1票数就和之前那个线程读的票数一样，然后讲票数减1，这个线程处理完之后，原来那个线程抢占到了处理机，并把票数1减一，相当于一张票减了2次。所以造成了冲突问题，也就是线程不安全问题。

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.线程同步

当我们使用多个线程访问统一资源的时候，且多个线程对资源有写的操作，就容易出现线程安全问题。

要解决上诉多线程并发访问一个资源的安全性问题，也就是解决重复票和不存在票的问题，java中提供了同步机制（synchronized）来解决。

为了解决线程不安全问题，每一个线程要执行操作的时候，其他线程必须等待，直到当前线程执行完后才能进入。

窗口1线程进入操作的时候，窗口2和窗口3线程只能在外等着，窗口1操作结束，窗口1和窗口2和窗口3才有机会进入代码 去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候，其他线程不能修改该资源，等待修改完毕同步之后，才能去抢夺CPU 资源，完成对应的操作，保证了数据的同步性，解决了线程不安全的现象。

实现同步的三种操作

同步代码块

同步代码块：synchronized关键字可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实现互斥访问。

格式：

synchronized(同步锁){
    需要同步的代码
}
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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。

在任何时候，最多允许一个线程拥有同步锁，谁拿到锁就进入代码块，其他的线程只能在外等着。（阻塞）

代码

public class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    Object lock = new Object();

    /**
     * 执行卖票操作
     */
    @Override
    public void run() {
        //每个窗口卖票的操作
        // 窗口永远开启
        while (true) {
            synchronized (lock) {
                if (ticket > 0)// 还有票可以卖
                {
                    // 出票操作
                    // 使用sleep模拟一下出票时间
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    // 获取当前线程对象的名字
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖：" + ticket--);
                }
            }

        }
    }
}
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加入了同步锁之后就没有了线程不安全问题。

同步方法

同步方法:使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外 等着。

格式：

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

• 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).

代码

public class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    Object lock = new Object();

    /**
     * 执行卖票操作
     */
    @Override
    public void run() {
        //每个窗口卖票的操作
        // 窗口永远开启
        while (true) {
            sellTicket();
        }
    }
    // 锁对象是谁调用了这个方法就是谁
    // 这里隐含的锁对象就是this也就是创建Ticker类的这个对象
    public synchronized void sellTicket() {
        if (ticket > 0)// 还有票可以卖
        {
            // 出票操作
            // 使用sleep模拟一下出票时间
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 获取当前线程对象的名字
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖：" + ticket--);
        }
    }
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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锁也称为同步锁，加锁与释放锁方法话了，如下：

• public void lock():加同步锁
• public void unlock():释放同步锁

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    Lock lock = new ReentrantLock();

    /**
     * 执行卖票操作
     */
    @Override
    public void run() {
        //每个窗口卖票的操作
        // 窗口永远开启
        while (true) {
            lock.lock();
            if (ticket > 0)// 还有票可以卖
            {
                // 出票操作
                // 使用sleep模拟一下出票时间
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 获取当前线程对象的名字
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖：" + ticket--);
            }
            lock.unlock();
        }
    }
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