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java基础thread——多线程的纷争(循序渐进)

一、多线程概述

进程:

正在运行的程序,是系统进行资源分配和调用的独立单位。 每一个进程都有它自己的内存空间和系统资源。

多进程有什么意义呢?

单进程的计算机只能做一件事情,而我们现在的计算机都可以做多件事情。 举例:一边玩游戏(游戏进程),一边听音乐(音乐进程)。 也就是说现在的计算机都是支持多进程的,可以在一个时间段内执行多个任务。 并且呢,可以提高CPU的使用率。

那问题来了,一边玩游戏,一边听音乐是同时进行的吗?

不是。因为单CPU在某一个时间点上只能做一件事情。 而我们在玩游戏,或者听音乐的时候,是CPU在做着程序间的高效切换让我们觉得是同时进行的。

线程:

在同一个进程内又可以执行多个任务,而这每一个任务就可以看作是一个线程。 线程是程序的执行单元,执行路径。是程序使用CPU的最基本单位。

单线程: 如果程序只有一条执行路径。

多线程: 如果程序有多条执行路径。

多线程有什么意义呢?

多线程的存在,不是提高程序的执行速度。其实是为了提高应用程序的使用率。 程序的执行其实都是在抢CPU的资源,CPU的执行权。 多个进程是在抢这个资源,而其中的某一个进程如果执行路径比较多,就会有更高的几率抢到CPU的执行权。 我们是不敢保证哪一个线程能够在哪个时刻抢到,所以线程的执行有随机性。

Java程序运行原理

java 命令会启动 java 虚拟机,启动 JVM,等于启动了一个应用程序,也就是启动了一个进程。该进程会自动启动一个 “主线程” ,然后主线程去调用某个类的 main 方法。所以 main方法运行在主线程中。在此之前的所有程序都是单线程的。

思考一个问题, jvm虚拟机的启动是单线程的还是多线程的?

JVM的启动是多线程的,因为它最低有两个线程启动了,主线程和垃圾回收线程。

我们要如何实现多线程程序呢?

由于线程是依赖进程而存在的,所以我们应该先创建一个进程出来。而进程是由系统创建的,所以我们应该去调用系统功能创建一个进程。Java是不能直接调用系统功能的,所以,我们没有办法直接实现多线程程序。但是呢?Java可以去调用C/C++写好的程序来实现多线程程序。 由C / C ++去调用系统功能创建进程,然后由Java去调用这样的东西,然后提供一些类供我们使用。我们就可以实现多线程程序了。

二、多线程的实现(继承与实现)

继承Thread类(第一种方案)

MyThread.java

public class MyThread extends Thread {

    public MyThread() {
    }
    public MyThread(String name){
        super(name);
    }
    @Override
    public void run(){
        try {
            Thread.sleep(5000);
            for (int x = 0; x < 10; x++) {
                System.out.println(getName() + ":" + x);
                Thread.yield();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("线程中断");
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("结束");

    }
}

test1.java

public class test1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());//main
        MyThread my1 = new MyThread("线程一");
        MyThread my2 = new MyThread("线程二");
        my1.start();
        my2.start();
        //发现两个线程在抢着执行
    }
}
步骤:
  1. 自定义类MyThread 继承Thread
  2. 在MyThread 中重写run()
  3. 创建MyThread的对象
  4. 启动线程对象(start())
考虑几个小问题:
  • 为什么要重写run()方法?——因为run()里的代码才会被线程执行。
  • 启动线程使用的是那个方法? —— start()
  • 线程能不能多次启动?——不能。一个线程多次启动会报错,IllegalThreadStateException:非法的线程状态异常 为什么呢?因为这个相当于是my线程被调用了多次,而不是多个线程启动。
  • run()和start()方法的区别?——run() 仅仅是封装被线程执行的代码,就是普通的方法;start()首先启动了线程,然后再由jvm去调用该线程的run()方法。

如何获取和设置线程的名称?

Thread类的线程名获取和设置方法

public final String getName()
public final void setName(String name)

其实通过构造方法也可以给线程起名字

public Thread(String name) {
        init(null, null, name, 0);
    }

代码示意:

MyThread my1 = new MyThread("线程一");
MyThread my2 = new MyThread("线程二");
my1.setName("线程1");
my1.getName();
my1.start();
my2.start();

还有一种方式: 获得和设置当前线程的名字。

Thread.currentThread().getName()
Thread.currentThread().setName("主线程");

线程调度

线程有两种调度模型:
  • 分时调度模型: 所有线程轮流使用 CPU 的使用权,平均分配每个线程占用 CPU 的时间片
  • 抢占式调度模型: 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,优先级高的线程获取的 CPU 时间片相对多一些。

Java使用的是抢占式调度模型

设置和获取优先级

我们的线程没有设置优先级,肯定有默认优先级。 那么,默认优先级是多少呢?

获取线程对象的优先级:

public final int getPriority():返回线程对象的优先级

设置线程对象的优先级:

public final void setPriority(int newPriority):更改线程的优先级。

线程默认优先级是5。

线程优先级的范围是:1-10。

线程优先级高仅仅表示线程获取的 CPU时间片的几率高,但是要在次数比较多,或者多次运行的时候才能看到比较好的效果。

MyThread my1 = new MyThread("线程一");
MyThread my2 = new MyThread("线程二");
MyThread my3 = new MyThread("线程三");
System.out.println(my1.getPriority());//默认调度5
my2.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);//1 最小
my3.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);//10 最大
my1.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);//5  默认

线程控制

  • 线程休眠 public static void sleep(long millis)
  • 线程加入 public final void join()
  • 线程礼让 public static void yield()
  • 后台线程 public final void setDaemon(boolean on)
  • 中断线程 public final void stop()、 public void interrupt()

sleep() 线程休眠就是模拟阻塞,把调用cpu的机会交给其他线程。

public class ThreadSleep extends Thread {
    @Override
    public void run() {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
    }
}

join() 当某个线程被join()后,其他线程必须等这个线程执行完毕,才能执行其他线程。

 MyThread my1 = new MyThread("线程一");
 MyThread my2 = new MyThread("线程二");
 my2.start();
 my2.join();
 my1.start();
 //线程二执行完了,线程一才执行

yield() 暂停当前正在执行的线程对象,并执行其他线程。让多个线程的执行更和谐,但是不能靠它保证一人一次。

@Override
    public void run(){
        for (int x = 0; x < 10; x++) {
            System.out.println(getName() + ":" + x);
            Thread.yield();
            }
    }

setDaemon(boolean on) 将该线程标记为守护线程或用户线程。当正在运行的线程都是守护线程时,Java 虚拟机退出。 该方法必须在启动线程前调用。

当主线程main结束后,守护线程也就停止了。

public class ThreadDaemonDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDaemon td1 = new ThreadDaemon();
        ThreadDaemon td2 = new ThreadDaemon();

        td1.setName("关羽");
        td2.setName("张飞");

        // 设置收获线程
        td1.setDaemon(true);
        td2.setDaemon(true);

        td1.start();
        td2.start();

        Thread.currentThread().setName("刘备");
        for (int x = 0; x < 5; x++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + x);
        }
    }
}

守护线程的栗子:坦克大战

坦克大战图解.jpg

stop()、interrupt() stop()官方已经弃用,终止线程推荐interrupt()

public final void stop():让线程停止,过时了,但是还可以使用。

public void interrupt():中断线程。 把线程的状态终止,并抛出一个InterruptedException。

代码演示:

public class MyThreadStop extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("开始执行:" + new Date());

        // 我要休息10秒钟,亲,不要打扰我哦
        try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            // e.printStackTrace();
            System.out.println("线程被终止了");
        }

        System.out.println("结束执行:" + new Date());
    }
}

public class test3 {
    public static void main(String[] args) {
        MyThreadStop mys = new MyThreadStop();
        mys.start();
        try {
            Thread.sleep(3000);
            mys.stop();
            //mys.interrupt();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //发现两个线程在抢着执行
    }
}

//stop() 运行打印:
开始执行:Wed May 30 20:29:34 CST 2018

//run里没执行就暴力的终止了

//interrupt() 运行打印

开始执行:Wed May 30 20:31:49 CST 2018
线程被终止了
结束执行:Wed May 30 20:31:52 CST 2018

注:终止线程推荐interrupt()

线程的生命周期:

线程.png

实现Runnable接口(第二种方案)

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i <10 ; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-"+i);
        }
    }
}


public class test1 {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable mr = new MyRunnable();
        Thread t1 = new Thread(mr,"线程一");
        Thread t2 = new Thread(mr,"线程二");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
步骤:
  1. 自定义类MyRunnable实现Runnable接口
  2. 重写run()方法
  3. 创建MyRunnable类的对象
  4. 创建Thread类的对象,并把C步骤的对象作为构造参数传递
@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

从源码看出,Runnable是一个接口,只有一个run(),并没有name参数,所以我们该怎么获得和设置线程的名字呢。

Thread.currentThread().getName()
Thread.currentThread().setName("线程名")

再看看源码,发现Thread也实现了Runnable这个接口。

问题来了,为什么有了继承Thread实现线程的方式,还要有实现Runnable接口的方式。

原因如下:

  • 避免由于java单继承带来的局限性
  • 适合多个相同程序的代码去处理同一个资源的情况,把线程同程序的代码,数据有效分离,较好的体现了面向对象的设计思想。

举个栗子:

某电影院目前正在上映贺岁大片,共有100张票,而它有3个售票窗口售票,请设计一个程序模拟该电影院售票。

方式一:用继承Thread来模拟

public class SellTickets extends Thread {
    public SellTickets(){

    }
    public SellTickets(String name){
        super(name);
    }
    private static int ticket = 20;//为了让三个窗口共享,设置为static的
    @Override
    public void run(){
            try {
                while (true) {
                    if (ticket<=0){
                        break;
                    }
                    System.out.println(getName()+"正在售卖第" + (ticket--) + "票");
                    Thread.sleep(3000);//模拟网络延时
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

    }
}

public class test1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SellTickets st1 = new SellTickets("窗口一");
        SellTickets st2 = new SellTickets("窗口二");
        SellTickets st3 = new SellTickets("窗口三");
        st1.start();
        st2.start();
        st3.start();
    }
}

//运行结果你会发现,三个窗口可以卖同一张票。并且会出现负票

另一种方式模拟:

public class SellTicket2 implements Runnable {
    private int ticket = 20;
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            if (ticket<=0){
                break;
            }
            //卖票这个动作不安全。
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在售卖第" + (ticket--) + "票");
        }
    }
}


public class test2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       SellTicket2 st = new SellTicket2();
       Thread t1 = new Thread(st,"一");
       Thread t2 = new Thread(st,"二");
       Thread t3 = new Thread(st,"三");
       t1.start();
       t2.start();
       t3.start();
    }
}

同样的问题出现了,出现多个窗口买同一张票,出现负票。

这足以说明,以上两种方式是线程不安全的。(推荐实现接口Runnable 的模拟)

三、解决线程安全问题的基本思想

出现线程安全问题的情况
  • 多线程环境
  • 有共享数据
  • 有多条语句操作共享数据

解决方案:

同步代码块
synchronized(对象){

需要同步的代码;
    
}

两个问题:

  • 对象是什么呢? ——测试所得 任意对象做锁
  • 需要同步的代码是哪些呢?——把多条语句操作共享数据的代码的部分给包起来

注意:同步可以解决安全问题的根本原因就在那个对象上。该对象如同锁的功能。

多个线程必须是同一把锁。同一把锁,对象必须只有一个。

卖票升级:

public class SellTicket3 implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    //定义同一把锁对象
    private Object obj = new Object();
    @Override
    public void run() {
            while (true) {
                synchronized (obj) {
                if (ticket <= 0) {
                    break;
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在售卖第" + (ticket--) + "票");
            }
        }
    }
}

解释:当窗口一进入同步代码块,就相当于上锁,在这期间别的窗口只能在外面等待,等窗口一把自己的事做完了,离开了代码块,这时三个窗口又重新竞争进入同步代码块的机会。

同步方法:

就是把同步关键字加到方法上。

//如果一个方法一进去就看到了代码被同步了,那么我就再想能不能把这个同步加在方法上呢?,
    public synchronized void pay(){
        if (ticket > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在售卖第" + (ticket--) + "票");    }
    }

而我们想同步方法的锁对象是谁?经测试是this,所以我们一般也把同步代码块的对象也设置为this。

方法有静态方法,那么同步静态方法的锁对象又是谁?

经测试是类的字节码文件对象,就是.class。

总结:
同步的前提
  • 多个线程
  • 多个线程使用的是同一个锁对象
同步的好处

同步的出现解决了多线程的安全问题。

同步的弊端

当线程相当多时,因为每个线程都会去判断同步上的锁,这是很耗费资源的,无形中会降低程序的运行效率。

同步的锁对象
  • 同步代码块——任意对象可以做锁对象(推荐this)
  • 同步方法——this
  • 同步静态方法——类.class

回顾java源码里线程安全的类

// 线程安全的类
StringBuffer sb = new StringBuffer();
Vector<String> v = new Vector<String>();
Hashtable<String, String> h = new Hashtable<String, String>();

我们之前经常用到的集合都是不安全的。java给我们提供了线程安全的集合

List<String> list1 = new ArrayList<String>();// 线程不安全
        List<String> list2 = Collections
                .synchronizedList(new ArrayList<String>()); // 线程安全

image

源码码云地址: https://gitee.com/stefanpy/java

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