无奈夜长人不寐,数声和月到帘栊。
——李煜《捣练子令》
JavaSE-多线程基础知识
我们在之前,学习的程序在没有跳转语句的前提下,都是由上至下依次执行,那现在想要设计一个程序,边打游戏边听歌,怎么设计?要解决上述问题,咱们得使用多进程或者多线程来解决。
1. 多线程知识储备
1.1 并发与并行
并行:指两个或多个事件在
同一时刻
发生(同时发生)。并发:指两个或多个事件在
同一个时间段内
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。
注意:
单核处理器的计算机肯定是不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,从宏观角度上理解线程是并行运行的,但是从微观角度上分析却是串行运行的,即一个线程一个线程的去运行,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。
1.2 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:
进程内部的一个独立执行单元;一个进程可以同时并发的运行多个线程,可以理解为一个进程便相当于一个单CPU
操作系统,而线程便是这个系统中运行的多个任务。- 我们可以再电脑底部任务栏—->右键—–>打开任务管理器,可以查看当前任务的进程和线程:
- 进程
- 线程
进程与线程的区别
进程:有独立的内存空间,进程中的数据存放空间(堆空间和栈空间)是独立的,至少有一个线程。
线程:堆空间是共享的,栈空间是独立的,线程消耗的资源比进程小的多。
因为一个进程中的多个线程是并发运行的,那么从微观角度看也是有先后顺序的,哪个线程执行完全取决于CPU 的调度,程序员是干涉不了的。
而这也就造成的多线程的随机性。
Java 程序的进程里面至少包含两个线程,主进程也就是 main()方法线程,另外一个是垃圾回收机制线程。每当使用 java 命令执行一个类时,实际上都会启动一个 JVM,每一个 JVM 实际上就是在操作系统中启动了一个线程,java 本身具备了垃圾的收集机制,所以在 Java 运行时至少会启动两个线程。
由于创建一个线程的开销比创建一个进程的开销小的多,那么我们在开发多任务运行的时候,通常考虑创建多线程,而不是创建多进程。
线程调度
计算机通常只有一个
CPU
时,在任意时刻只能执行一条计算机指令,每一个进程只有获得CPU
的使用权才能执行指令。所谓多进程并发运行,从宏观上看,其实是各个进程轮流获得CPU
的使用权,分别执行各自的任务。那么,在可运行池中,会有多个线程处于就绪状态等到CPU
,JVM
就负责了线程的调度。JVM采用的是抢占式调度,没有采用分时调度,因此可以能造成多线程执行结果的的随机性。
线程的优先级等级:
MAX_PRIORITY :10
MIN _PRIORITY :1
NORM_PRIORITY :5
涉及的方法:
getPriority() :
返回线程优先值;setPriority(int newPriority) :
改变线程的优先级;说明:
- 线程创建时继承父线程的优先级;
- 低优先级只是获得调度的概率低,并非一定是在高优先级线程之后才被调用;
1.3 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:
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
。
1 | public class Demo { |
2. 线程☆
2.1 多线程原理☆
1 | public class MyThread extends Thread{ |
测试类:
1 | public class Demo { |
流程图:
程序启动运行
main
时候,java虚拟机启动一个进程,主线程main在main()调用时候被创建。
随着调用mt的对象的start方法,另外一个新的线程也启动了,这样,整个应用就在多线程下运行。
通过这张图我们可以很清晰的看到多线程的执行流程,那么为什么可以完成并发执行呢?我们再来讲一讲原理。
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。
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。
2.2 Thread类
- 在前面我们已经可以完成最基本的线程开启,那么在我们完成操作过程中用到了
java.lang.Thread
类,API中该类中定义了有关线程的一些方法,具体如下:- 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。- 创建线程的方式总共有三种:
- 第一种是继承
Thread类
方式,上面我们已经使用过了。- 第二种是实现
Runnable接口
方式- 第三种种是是实现
Callable接口
和Future
创建线程。
2.3 实现Runnable接口创建线程
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。
- 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。
- 代码如下:
1 | public class MyRunnable implements Runnable{ |
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,不管是继承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,熟悉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。
public class Thread implements Runnable { //.... } <!--4-->
1 | /** |
2.5 Thread和Runnable的区别
- 如果一个类继承
Thread
,则不适合资源共享。但是如果实现了Runnable
接口的话,则很容易的实现资源共享。- 通过下面的例子就可以理解实现Runnable,很容易实现资源的共享。
1 | /** |
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Runnable或Callable类线程,不能直接放入继承Thread的类。
- 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。
2.6 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:
1 | public class NoNameInnerClassThread { |
2.7 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。
它们在几乎每个方面都是相同的,唯一的区别是判断JVM何时离开。==守护线程是用来服务用户线程的,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。
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。
形象理解:兔死狗烹,鸟尽弓藏
3. 线程安全
3.1 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。
我们通过一个案例,演示线程的安全问题:电影院要卖票,我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “葫芦娃大战奥特曼”,本次电影的座位共100个,即本场电影只能卖100张票。
我们来模拟电影院的售票窗口,实现多个窗口同时卖 “葫芦娃大战奥特曼”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)
需要窗口,采用线程对象来模拟;
需要票,
Runnable
接口子类来模拟。
1 | public class Ticket implements Runnable { |
测试类:
1 | public class Demo { |
结果中有一部分这样现象:
发现程序出现了两个问题:
相同的票数,比如5这张票被卖了两回。
不存在的票,比如0票与-1票,是不存在的
。
这种问题,几个窗口(线程)票数不同步了,这种问题称为线程不安全。
==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。
3.2 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。根据案例简述:
- 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。
为了保证每个线程都能正常执行原子操作,
Java引入了线程同步机制。那么怎么去使用呢?有三种方式完成同步操作:
同步代码块。
同步方法。
锁机制。
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行互斥访问。格式:
1
2
3 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。
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(BLOCKED)
。使用同步代码块解决买票出现的线程安全问题:
1 | public class Ticket implements Runnable{ |
当使用了同步代码块后,上述的线程的安全问题,解决了。
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:
1
2
3 public synchronized void method(){
// 可能会产生线程安全问题的代码
}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)。
使用同步方法解决买票出现的线程安全问题:
1 | public class Ticket implements Runnable{ |
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。
1 | public class Ticket implements Runnable{ |
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。
不会释放锁的操作
- 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
线程的死锁问题
死锁:
- 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
- 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
解决方法:
- 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
4. 线程状态☆
4.1 线程状态概述
- 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。
在线程的生命周期中,有几种状态呢?
- 在
API
中java.lang.Thread.State
这个枚举中给出了六种线程状态:
1 | public enum State { |
这里先列出各个线程状态发生的条件,下面将会对每种状态进行详细解析
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。 |
TimedWaiting(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TimedWaiting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。 |
线程创建之后它将处于 NEW(新建) 状态,调用 start() 方法后开始运行,线程这时候处于 READY(可运行)状态。可运行状态的线程获得了 cpu 时间片(timeslice)后就处于 RUNNING(运行) 状态。
- 操作系统隐藏 Java虚拟机(JVM)中的 RUNNABLE 和 RUNNING 状态,它只能看到 RUNNABLE 状态,所以 Java 系统一般将这两个状态统称为RUNNABLE(运行中) 状态 。
TimedWaiting(计时等待)
Timed Waiting
在API
中的描述为:一个正在限时等待另一个线程执行一个(唤醒)动作的线程处于这一状态。- 其实当我们调用了sleep方法之后,当前执行的线程就进入到“休眠状态”,其实就是所谓的Timed Waiting(计时等待)。
BLOCKED(锁阻塞)
Blocked
状态在API
中的介绍为:一个正在阻塞等待一个监视器锁(锁对象)的线程处于这一状态。- 我们已经学完同步机制,那么这个状态是非常好理解的了。比如,线程
A
与线程B
代码中使用同一锁,如果线程A
获取到锁,线程A
进入到Runnable
状态,那么线程B
就进入到Blocked
锁阻塞状态。
Waiting(无限等待)
Wating
状态在API
中介绍为:一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的(唤醒)动作的线程处于这一状态。- 一个调用了某个对象的
Object.wait
方法的线程会等待另一个线程调用此对象的Object.notify()
方法 或Object.notifyAll()
方法。
5. 等待唤醒机制
5.1 线程间通信
- 概念:多个线程在处理同一个资源,但是处理的动作(线程的任务)却不相同。
- 比如:线程A用来生成包子的,线程B用来吃包子的,包子可以理解为同一资源,线程A与线程B处理的动作,一个是生产,一个是消费,那么线程A与线程B之间就存在线程通信问题。
- 为什么要处理线程间通信?
- 多个线程并发执行时, 在默认情况下CPU是随机切换线程的,当我们需要多个线程来共同完成一件任务,并且我们希望他们有规律的执行, 那么多线程之间需要一些协调通信,以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。
- 如何保证线程间通信有效利用资源?
- 多个线程在处理同一个资源,并且任务不同时,需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作。 就是多个线程在操作同一份数据时, 避免对同一共享变量的争夺。也就是我们需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。
而这种手段即——等待唤醒机制。
5.2 等待唤醒机制
这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争(race),比如去争夺锁,但这并不是故事的全部,线程间也会有协作机制。
就是在一个线程进行了规定操作后,就进入等待状态wait(), 等待其他线程执行完他们的指定代码过后再将其唤醒(notify());在有多个线程进行等待时, 如果需要,可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。
wait/notify 就是线程间的一种协作机制。
等待唤醒中的方法:
wait:
线程不再活动,不再参与调度,进入 wait set 中,因此不会浪费 CPU 资源,也不会去竞争锁了,这时的线程状态即是 WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作
,也即是“通知(notify)”
在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来,重新进入到调度队列(ready queue)中。
notify:
则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放;例如,餐馆有空位置后,等候就餐最久的顾客最先入座。notifyAll:
则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。、哪怕只通知了一个等待的线程,被通知线程也不能立即恢复执行,因为它当初中断的地方是在同步块内,而此刻它已经不持有锁,所以她需要再次尝试去获取锁(很可能面临其它线程的竞争),成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。
总结如下:
- 如果能获取锁,线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE 状态;
- 否则,从 wait set 出来,又进入 entry set,线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED 状态;
调用wait和notify方法需要注意的细节
wait方法与notify方法必须要由同一个锁对象调用。因为:对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。
wait方法与notify方法是属于Object类的方法的。因为:锁对象可以是任意对象,而任意对象的所属类都是继承了Object类的。
wait方法与notify方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用。因为:必须要通过锁对象调用这2个方法。
5.3 生产者与消费者问题
等待唤醒机制其实就是经典的“生产者与消费者”的问题。
就拿生产包子消费包子来说等待唤醒机制如何有效利用资源:
包子铺线程生产包子,吃货线程消费包子。当包子没有时(包子状态为false),吃货线程等待,包子铺线程生产包子(即包子状态为true),并通知吃货线程(解除吃货的等待状态),因为已经有包子了,那么包子铺线程进入等待状态。接下来,吃货线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。如果吃货获取到锁,那么就执行吃包子动作,包子吃完(包子状态为false),并通知包子铺线程(解除包子铺的等待状态),吃货线程进入等待。包子铺线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。代码演示:
包子资源类
1 | public class BaoZi { |
吃货线程类
1 | public class ChiHuo extends Thread{ |
包子铺线程类
1 | public class BaoZiPu extends Thread { |
测试类
1 | public class Demo { |