基本概念

• 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，或是正在运行中的一个程序。是一个动态的过程：有它自身产生、存在和消亡的过程。——声明周期

  • 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，系统运行时回味每个线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的内存单元 / 内存地址→它们从同一堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这就是的线程间通信更简便、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 的理解

  • 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

• 多线程程序的优点

  1. 提应用程序的相应。对图形化界面更有意义，可增强用户体验
  2. 提高计算机系统 CPU 的利用率
  3. 改善程序结构。将即长又复杂的进程分多个线程，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

线程的创建和使用

创建线程

方式一

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 子类对象
4. 通过此对象调用 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 < 10; i++) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

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

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

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(i + "main()");
        }
    }
}

输出结果：

0main()
1main()
2main()
3main()
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
4main()
5main()
6main()
7main()
8main()
9main()

Thread 类的有关方法

• void start()：启动线程，并执行对象的 run() 方法
• run()：线程在被调用时执行的操作
• String getName()：返回线程的名称
• void setName(String name)：设置该线程的名称
• static Thread currentThread()：返回当前线程。在 Thread 子类中就是 this，通常用于主线程和 Runnable 实现类

• static void yield()：线程让步

  • 暂停当前正在执行的线程，把执行机会让给优先级相同或更高的线程
  • 若队列中没有同优先级的线程，忽略此方法

• join()：当某个程序执行流中调用其他线程的 join() 方法时，调用线程将会被阻塞，直到 join() 方法加入的 join 线程执行完为止

  • 低优先级的线程也可以获得执行

• static void sleep(long millis)：（指定时间：毫秒）

  • 令当前活动线程在指定时间内放弃对 CPU 控制，使其他线程有机会被执行，时间到后重排队
  • 抛出 InterruptedExcption 异常
• stop()：强制线程生命期结束，不推荐使用
• boolean isAlive()：返回 boolean，判断是线程是否还活着

线程的调度

• 调度策略

  • 时间片
  • 抢占式：高优先级的线程抢占 CPU

• Java 的调度方法

  • 同优先级线程组成先进先出队列（先到先服务），使用时间片策略
  • 对高优先级，使用优先调度的抢占模式

线程的优先级

• 线程的优先级等级

  • MAX_PRIORITY：10
  • MIN_PRIORITY：1
  • NORM_PRIORITY：5

• 涉及的方法

  • getPriority()：返回线程的优先级
  • 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
  • 低优先级知识获取调度的概率低，并非一定是在高优先级线程之后才被调用

方式二

1. 创建一个实现了 Runnable 接口的类
2. 实现类去实现 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. 创建一个实现了 Runnable 接口的类
class MThread implements Runnable {
    // 2. 实现类去实现 Runnable 中的抽象方法：run()
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            }
        }
    }
}

public class ThreadTest1 {
    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.setName("线程一");
        t1.start();

        // 再启动一个线程，遍历 10 内的偶数
        Thread t2 = new Thread(mThread);
        t2.setName("线程二");
        t2.start();
    }
}

输出结果：

线程二:0
线程一:0
线程二:2
线程一:2
线程一:4
线程一:6
线程一:8
线程二:4
线程二:6
线程二:8

比较创建线程的方式

• 开发中：优先选择：实现 Runnable 接口的方式

• 原因：

  • 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方式
• 联系：public class Thread implements Runnable
• 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

练习

创建三个窗口售票，总票数为 100 张

1. 使用继承 Thread 类的方式

class Window extends Thread {
    private static int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (ticket > 0) {
                System.out.println(getName() + "；卖票，票号为：" + ticket);
                ticket--;
            } else {
                break;
            }
        }
    }
}

public class WindowTest {
    public static void main(String[] args) {
        Window t1 = new Window();
        Window t2 = new Window();
        Window t3 = new Window();

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

2. 使用实现 Runnable 接口的方式

class Window implements Runnable {
    private int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (ticket > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":买票，票号为:" + ticket);
                ticket--;
            } else {
                break;
            }
        }
    }
}

public class WindowTest {
    public static void main(String[] args) {
        Window1 w = new Window1();

        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

线程的生命周期

• JDK 中用 Thread.State 定义了线程的几种状态

想要实现多线程。必须在主线程中创建新的线程对象。Java 语言使用 Thread 类及其子类的对象来表示线程，在它的一个完整的生命周期中通常要经历如下的五种状态：

• 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() 方法定义饿了线程的操作和功能
• 阻塞：在某种特殊情况下，被认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地中止或出现异常导致结束

线程的同步

问题的提出

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

线程的安全

以上面的练习举例

• 问题：买票的过程中出现了重票、错票
• 问题出现的原因：当某个线程操作车票的过程中，尚未操作完成时，其他线程参与进来，也操作车票
• 如何解决：当一个线程 a 在操作 ticket 的时候，其他线程不能参与进来。直到线程 a 操作玩 ticket 时，其他线程才可以操作 ticket。这种情况即使线程 a 出现了阻塞，也不能被改变
• 在 Java 中，我们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，只能由一个线程参与，其他线程等待。相当于时一个单线程的过程，效率低 --- 局限性

解决方式一：同步代码块

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

class Window implements Runnable {
    private int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (this) {// 此时的 this：唯一的window对象
                if (ticket > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为:" + ticket);
                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

public class WindowTest {
    public static void main(String[] args) {
        Window w = new Window();

        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

class Window extends Thread {
    private static int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (Window2.class) {
                if (ticket > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(getName() + "；卖票，票号为：" + ticket);
                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

public class WindowTest {
    public static void main(String[] args) {
        Window t1 = new Window();
        Window t2 = new Window();
        Window t3 = new Window();

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

说明

1. 操作共享数据的代码即为需要被同步的代码 => 不能包含多了，不能包含少了
2. 多个线程共同操作的变量
3. 同步监视器，俗称：锁。任何一个类的对象，都可以充当锁（要求多个线程必须要公用同一把锁）
4. 在实现 Runnable 接口创建多线程的方式中，我们可以考虑使用 this 充当同步监视器
5. 在继承 Thread 类创建多线程的方式中，慎用 this 充当监视器，考虑使用 this 充当监视器

解决方式二：同步方法

如果操作数据的代码完整的声明在一个方法中，我们不妨把此方法声明同步的

class Window implements Runnable {
    private int ticket = 100;

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

    private synchronized void show() {// 同步监视器：this
        if (ticket > 0) {
            try {
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为:" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}

public class WindowTest {
    public static void main(String[] args) {
        Window w = new Window();

        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

class Window extends Thread {

    private static int ticket = 100;

    private static synchronized void show() {
        if (ticket > 0) {
            try {
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "；卖票，票号为：" + ticket);
            ticket--;
        }
    }

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

public class WindowTest {
    public static void main(String[] args) {
        Window t1 = new Window();
        Window t2 = new Window();
        Window t3 = new Window();

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

说明

1. 同步方法仍然涉及到同步监视器，只是我们不需要显式的声明
2. 非静态的同步方法，同步监视器是：this
3. 静态的同步方法，同步监视器是：当前类本身

解决方式三：Lock(锁)

• 从 JDK 5.0 开始，Java 提供了更加强大的线程同步机制 — 通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用 Lock 对象充当
• java.util.concurrent.locks.Lock 接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对 Lock 对象加锁，线程开始访问共享之前的资源之前应先获得 Lock 对象
• ReentrantLock 类实现了 Lock，它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的时 ReenteantLock，可以实现显式加锁，释放锁

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

演示线程死锁问题

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {

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

        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (s1) {
                    s1.append("a");
                    s2.append("1");

                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    synchronized (s2) {
                        s1.append("b");
                        s2.append("2");

                        System.out.println(s1);
                        System.out.println(s2);
                    }
                }
            }
        }.start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (s2) {
                    s1.append("c");
                    s2.append("3");

                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    synchronized (s1) {
                        s1.append("d");
                        s2.append("4");

                        System.out.println(s1);
                        System.out.println(s2);
                    }
                }
            }
        }).start();
    }
}

线程的通信

例子：使用两个线程打印 1-100 线程1，线程2 交替打印

class Number implements Runnable {
    private int number = 1;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (number <= 100) {
                synchronized (this) {
                    this.notify();
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + number);
                    number++;
                    try {
                        // 使得调用如下 wait() 方法的线程进入阻塞状态
                        this.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            } else {
                break;
            }
        }
    }
}

public class CommunicationTest {
    public static void main(String[] args) {
        Number number = new Number();
        Thread t1 = new Thread(number);
        Thread t2 = new Thread(number);

        t1.setName("线程1");
        t2.setName("线程2");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

涉及到的方法

• wait()：一旦执行此方法，当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。如果有多个线程被 wait，就唤醒优先级高的那个
• notifyAll()：一旦此执行此方法，就会唤醒所有被 wait 的线程

说明

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

面试题：sleep() 和 wait() 的异同？

• 相同点

  • 一旦执行方法，都可以使得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
  • 关于是否释放同步监视器：如果两个方法都是用在同步代码块或同步方法中，sleep() 不会释放锁，wait() 会释放锁

经典例题：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，店员一次只能只有固定数量的产品（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，消费者会去相同的数据

class Clerk {

    private int productCount = 0;

    // 生产产品
    public synchronized void produceProduct() {

        if (productCount < 20) {
            productCount++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：开始生产第" + productCount + "个");
            notifyAll();
        } else {
            // 等待
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }

    // 消费产品
    public synchronized void consumeProduct() {
        if (productCount > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：开始消费第" + productCount + "个");
            productCount--;
            notifyAll();
        } else {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

class Producer extends Thread { // 生产者
    private Clerk clerk;

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

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(getName() + ":开始生产产品。。。");

        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            clerk.produceProduct();
        }
    }
}

class Consumer extends Thread { // 消费者
    private Clerk clerk;

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

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(getName() + ":开始消费产品。。。");

        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            clerk.consumeProduct();
        }
    }
}

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

        Producer p1 = new Producer(clerk);
        p1.setName("生产者1");

        Consumer c1 = new Consumer(clerk);
        c1.setName("消费者1");
        Consumer c2 = new Consumer(clerk);
        c2.setName("消费者2");

        p1.start();
        c1.start();
        c2.start();
    }
}

JDK 5.0 新增创建线程的方式

实现 Callable 接口

• 与使用 Runnable 相比，Callable 功能更加强大

  • 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
  • 需要借助 FutureTask 类，比如后去返回结果

• Future 接口

  • 可以对具体的 Runnable、Callable 任务的执行结果进行取消、查询时否完成、获取结果等
  • FutureTask 是 Future 接口的唯一实现类
  • FutureTask 同时实现了 Runnable，Future 接口。它既可以作为 Runnable 被线程执行，又可以作为 Future 得到 Callable 的返回值

1. 创建一个 Callable 的实现类
2. 实现 call() 方法，将此线程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 接口实现类的对象和传递到 FutureTask 构造器中，创建 FutureTask 的对象
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

class NewThread implements Callable {
    @Override
    public Object call() throws Exception {
        int sum = 0;
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(i);
                sum += i;
            }
        }
        return sum;
    }
}

public class ThreadNew {
    public static void main(String[] args) {
        NewThread newThread = new NewThread();
        FutureTask futureTask = new FutureTask(newThread);
        new Thread(futureTask).start();
        try {
            // get() 返回值即为 FutureTask 构造器参数 Callable 实现类重写的 call() 的返回值
            Object sum = futureTask.get();
            System.out.println("总和为：" + sum);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

使用线程池

• 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。类似于生活中的公共交通工具

• 好处：

  • 提高相应速度（减少了创建线程的时间）
  • 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

    • 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
    • ……

线程池相关 API

• JDK 5.0 起提供了线程池相关 API：ExceutorService 和 Excutors

• ExceutorService：真正的线程池接口。常见子类 ThreadPoolExecutor

  • void execute(Runnable command)：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行 Runnable
  • <T>Future<T> submit(Callable<T>task)：执行任务，有返回值，一般用来执行Callable

• Excutors：工具类、线程池的工厂类

  • Excutors.newCachedThreadPool()：创建一个可根据需要创建新线程的线程池
  • Excutors.newFixedThreadPool(n)：创建一个可重用固定线程数的线程池
  • Excutors.newSingleThreadExecutor()：创建一个只有一个线程的线程池
  • Excutors.newScheduledThreadPool()：创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或定期执行