黑马程序员_Java基础：多线程总结

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一、多线程的概念

　　进程和线程经常会被人混淆，那是因为对它们的概念不明确。就拿我们平时使用的操作系统来说，它是多任务的操作系统，而多线程就是实现多任务的一种方式。
　　进程是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有自己独立的一块内存空间，一个进程中可以启动多个线程。比如在Windows系统中，一个运行的exe就是一个进程。
 　　线程是指进程中的一个执行流程，一个进程中可以运行多个线程。比如平时下载的软件迅雷进程中可以运行很多线程。线程总是属于某个进程，进程中的多个线程共享进程的内存。
 　　说起多线程，给很多人得印象就是“同时”执行。但是多线程在并发执行的时候，其实是在线程之间快速轮换执行的，只不过轮换的速度很快，所以有“同时”执行的效果。

 

二、多线程的优缺点

　　优点：
　　（1）资料利用率更好。
　　（2）部分程序设计更加简单。
　　（3）程序响应更快。
　　（4）简化异步时间的处理（服务器）。

　　缺点：
　　（1）部分程序设计更复杂。
　　（2）增加cpu上下文切换开销。
　　（3）增加资源消耗。

 

三、多线程的创建和使用

　　在java中提供了对象线程这类事物的描述,该类是Thread。线程的常用创建和启动方式有两种：

　　1.继承Thread类，子类覆盖父类中的run方法，把需要多线程执行的代码存放在run方法中。然后创建子类的对象同时线程也会被创建起来。最后通过子类调用start方法开启线程。

具体如下面代码：

class Demo extends Thread {　　//继承Thread类。
    public void run() {　　　　//覆盖run方法。
        for(int x=0; x<60; x++)
            System.out.println("线程1----"+x);
    }
}

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Demo d = new Demo();//创建好一个线程。
        d.start();    //开启线程并执行该线程的run方法。
        //d.run();    //注意，这里仅仅是对象调用方法。而线程创建了，并没有运行。
        
        for(int x=0; x<60; x++)
            System.out.println("主线程--"+x);    
    }
}

 

　　2.实现Runnable接口，子类覆盖接口中的run方法，把需要多线程执行的代码存放在run方法中。然后通过Thread创建线程，并将实现了Runnable接口的子类对象作为参数传递给Thread类的构造函数。最后Thread类对象调用Start方法开启线程。

具体如下代码：

class Demo_2 implements Runnable {
    private  int x = 100;
    public void run() {
        while(true) {
            if(x>0)
//                Thread.currentThread().getName()获取当前线程的名称。
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....x : "+ x--);
        }
    }
}

public class  ThreadDemo_2 {
    public static void main(String[] args) {
        Demo_2 d = new Demo_2();

        Thread t1 = new Thread(d);//创建了一个线程；
        Thread t2 = new Thread(d);//创建了一个线程；
        Thread t3 = new Thread(d);//创建了一个线程；
        Thread t4 = new Thread(d);//创建了一个线程；
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
    }
}

 

　　以上两种创建方式的区别：
　　（1）继承Thread:线程代码存放Thread子类run方法中。
　　（2）实现Runnable：线程代码存在接口的子类的run方法，使用起来更加灵活，可以避免单继承局限性，因为java中的对象是单继承多实现的。

　　另外通过以上的运行可以发现，运行结果每一次都不同，这是因为线程需要获取cpu的执行权时才能执行。在多个线程中，cpu执行到谁，谁就运行。我们可以把形象的把多个线程在抢夺cpu的资源，这也是多线程随机性的体现。需要明确的一点是，在某一个时刻，只能有一个线程在运行(多核除外)。

 

四、线程的状态转换

　　下面是线程状态转换示意图：

　　

　　从上图可以看出，一个线程从执行到结束，会经历几种状态，下面对这几种状态进行解释。

　　1.创建线程：也可以说叫new状态，就是把线程建立起来。
　　2.阻塞状态：当线程start开启后，不一定马上进入运行状态，而是可能先进入阻塞状态，阻塞状态表示程序准备就绪，等待系统的调度。也可以说是具有运行权，但没有执行权。
　　3.运行状态：线程接收到系统的调度，执行起来。也就是说线程具有执行权。
　　4.冻结状态：当线程处于处于sleep，wait等状态时，即是冻结状态，表示线程还是活的，但是没有运行权。另外当一个线程休眠或者被唤醒结束时，不一定马上进入运行状态，而是可能先进入阻塞状态，等待系统调度，当被调度具有执行权时，再进入运行状态。
　　5.消亡状态：就是线程结束。

　　当我们对线程各种状态有了基本了解后，设计多线程时才能更加效率准确。

 

五、多线程的同步

　　当多个线程间通讯，也就是多个线程的同时操作同一资源时，如果一个线程正在访问修改一些数据的同时，另一个线程也在修改这些数据，那么前一个线程的修改操作后就得到错误数据，造成安全隐患。

　　解决办法：
　　当有多条对共享数据进行操作的语句时，要让一个线程都执行完，而在执行过程中，其他线程不可以参与执行，也就是实现同步。

　　实现同步的方法：
　　java中对于实现同步提供了解决方法。

　　1.synchronized同步代码块:　

　　使用同步代码块的前提，是具有两个或以上的线程，而且多个线程必须使用同一把锁。当线程持有锁时可以在同步中执行，而没有持有锁的线程即使获取cpu的执行权，也无法执行同步代码块里的代码。同时，也因为同步的特性，当多个线程判断锁时，有较为消耗资源的缺点。以下是同步代码块的应用：　

/*
多个窗口销售1000张票，票号不重复。
 */
class Ticket implements Runnable {
    private  int tick = 1000;
    Object obj = new Object();
    public void run() {
        while(true) {
            synchronized(obj) {    //同步代码块，需要传递一个对象参数，可以把对象看成是锁。
                //此处两条语句操作tick，多个线程执行时，可能出现安全隐患，需要同步
                if(tick>0)
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....sale : "+ tick--);
            }
        }
    }
}


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

        Ticket t = new Ticket();

        Thread t1 = new Thread(t);
        Thread t2 = new Thread(t);
        Thread t3 = new Thread(t);
        Thread t4 = new Thread(t);
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
    }
} 

从结果可以看出没有错票，实现同步。

 

　　2.synchronized同步函数：

　　synchronized同步函数和synchronized同步代码块的功能是一样的，不同的是在同步函数中，synchronized修饰的是函数。

　　另外要注意，synchronized同步函数的锁对象有两种情况：
　　（1）当synchronized修饰的函数不是静态函数时，那么synchronized对应的锁对象是this，即是调用方法的对象。看以下代码验证：

/*
非静态同步函数用的是哪一个锁呢？
非静态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。
所以非静态同步函数使用的锁是this。

通过该程序进行验证。
使用两个线程来买票。
一个线程在同步代码块中。
一个线程在同步函数中。
都在执行买票动作。
*/
class Ticket implements Runnable {
    private  int tick = 1000;
    Object obj = new Object();
    boolean flag = true;    //定义标记，不同标记执行不同的代码。
    public  void run() {
        if(flag) {
            while(true) {
                synchronized(this) {
                    if(tick>0) {
                        //让线程停顿，方便验证结果。
                        try{Thread.sleep(10);}catch(Exception e){}
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....code : "+ tick--);
                    }
                }
            }
        }
        else
            while(true)
                show();
    }
    public synchronized void show(){　　//非静态同步代函数
        if(tick>0) {
            try{Thread.sleep(10);}catch(Exception e){}
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....show.... : "+ tick--);
        }
    }
}


public class  ThisLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Ticket t = new Ticket();

        Thread t1 = new Thread(t);
        Thread t2 = new Thread(t);
        t1.start();
        try{Thread.sleep(10);}catch(Exception e){}    //这里让线程停顿，方便验证同步。
        t.flag = false;    //通过修改标记，t2线程执行不同的语句。
        t2.start();
    }
}

从结果可以看出没有错票，实现同步。

　　（2）当synchronized修饰的函数是静态函数时，那么synchronized对应的锁对象是函数所在类的字节码对象（xxx.class），因为静态方法是属于类，不属于对象。看以下代码验证：

/*
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。
静态进内存是，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。

类名.class  该对象的类型是Class
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
*/
class Ticket implements Runnable {
    private static  int tick = 1000;
    //Object obj = new Object();
    boolean flag = true;
    public  void run() {
        if(flag) {
            while(true) {
                synchronized(Ticket.class) {
                    if(tick>0) {
                        try{Thread.sleep(10);}catch(Exception e){}
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....code : "+ tick--);
                    }
                }
            }
        }
        else
            while(true)
                show();
    }
    public static synchronized void show() {　　//静态同步代函数
        if(tick>0) {
            try{Thread.sleep(10);}catch(Exception e){}
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....show.... : "+ tick--);
        }
    }
}


class  StaticMethodDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Ticket t = new Ticket();

        Thread t1 = new Thread(t);
        Thread t2 = new Thread(t);
        t1.start();
        try{Thread.sleep(10);}catch(Exception e){}
        t.flag = false;
        t2.start();
    }
}

从结果可以看出没有错票，实现同步。

 

　　在synchronized同步代码块和同步函数中，可以使用wait(),notify(),notifyAll()来控制线程，这三个方法的使用前提就是必须使用在同步中，而且使用它们的时候要标识它们所属的同步的锁，它们的作用是：
　　①wait():释放cpu执行权，释放锁。也就是说，当线程wait后就处于冻结状态。
　　②notify():唤醒第一个wait的线程。
　　③notify():唤醒全部等待的线程。

　　使用这三种方法可以实现等待唤醒机制，以下是使用的实例代码：

/*
等待唤醒机制。
也就是常见的生产者消费者问题，举个例子，生产者没生产一个商品，就要被消费者消费。

1，当多个生产者消费者出现时。
需要让获取执行权的线程判断标记。
通过while完成。

2，需要将对方的线程唤醒。
仅仅notify，是不可以的。
因为有可能出现只唤醒本方，导致所有线程都在等待。
所以要通过notifyAll形式来完成。


对于多个生产者和消费者。
为什么要定义while判断标记。
原因：让被唤醒的线程再一次判断标记。
*/

class Resource {
    private String name;
    private int count = 1;
    private boolean flag = false;

    public synchronized void set(String name) {
        while(flag)
            try{this.wait();}catch(Exception e){}　　//当线程执行到这里会进入等待状态，释放锁。
        this.name = name+"--"+count++;
        //注意下面输出语句name前必须加this，否则会直接访问局部变量中的name。
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"生产者:"+this.name);
        flag = true;
        this.notifyAll();　　//唤醒所有等待的线程。
    }

    public synchronized void out() {
        while(!flag)
            try{this.wait();}catch(Exception e){}
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"消费者:--"+this.name);
        flag = false;
        this.notifyAll();
    }
}

class Producer implements Runnable {
    private Resource r;

    Producer(Resource r) {
        this.r = r;
    }

    public void run() {
        while(true)
            r.set("+商品+");
    }
}


class Consumer implements Runnable {
    private Resource r;
    Consumer(Resource r) {
        this.r = r;
    }

    public void run() {
        while(true)
            r.out();
    }
}


class ProducerConsumerDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Resource r = new Resource();

        Producer pro = new Producer(r);
        Consumer con = new Consumer(r);

        Thread t1 = new Thread(pro);
        Thread t2 = new Thread(pro);
        Thread t3 = new Thread(con);
        Thread t4 = new Thread(con);

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();    
    }
}

运行结果是不停的生产和消费，但生产和消费的数目总是一样的。说明程序通过标记成功控制每生产一个商品就消费一个，并且实现了多线程的同步。

 

　　同时，等待唤醒机制要避免死锁的出现。所谓死锁就是同步中嵌套同步，然后多线程在执行时相互取得不同的锁后不释放，造成程序一致等待。请看下面例子：

class Test implements Runnable {
    private boolean flag;
    Test(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }

    public void run() {
        if(flag) {
            while(true) {
                synchronized(MyLock.locka) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...if locka ");
                    synchronized(MyLock.lockb) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..if lockb");                    
                    }
                }
            }
        } else {
            while(true) {
                synchronized(MyLock.lockb) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..else lockb");
                    synchronized(MyLock.locka) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+".....else locka");
                    }
                }
            }
        }
    }
}


class MyLock {
    static Object locka = new Object();
    static Object lockb = new Object();
}

class  DeadLockTest {
    public static void main(String[] args)  {
        Thread t1 = new Thread(new Test(true));
        Thread t2 = new Thread(new Test(false));
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

运行结果是程序一直等待不动。

 

　　另外需要注意的，wait()和sleep()的区别：
　　①wait()是Object类中的方法；sleep()是Thread类中的方法。
　　②它们两个都可以让线程冻结，wait()需要被唤醒；而sleep在冻结一定时间后会自动唤醒。
　　③wait()释放cpu执行权的同时，会释放锁；而sleep()只释放执行权，不会释放锁。

 

　　（3）在JDk1.5中提供了更加灵活的多线程同步方法：Lock。相应地在使用Lock同步时，也可以使用Condition中的await(),signal();signalAll();来实现多线程等待唤醒机制。以下是具体使用例子：

import java.util.concurrent.locks.*;

/*
JDk1.5中提供了多线程升级解决方案。
将同步隐式锁Syncronized替换成显式Lock操作。
将Object中的wait，notify,notifyAll,替换成Condition对象。
该对象可以通过Lock锁进行获取。
该示例中，实现了本方只唤醒对方的操作。

Lock：替换了synchronized
    lock;
    unlock;
    newCondition();

Condition:替代了Object中方法wait notify notifyAll
    await();
    signal();
    signalAll();
*/
class Resource {
    private String name;
    private int count = 1;
    private boolean flag = false;
    private Lock lock  = new ReentrantLock();    //创建同步锁。
    private Condition condition_pro = lock.newCondition();    //通过Lock建立不同的条件。
    private Condition condition_con = lock.newCondition();

    public void set(String name)throws InterruptedException {
        try {
            lock.lock();
            while (flag)
                condition_pro.await();
            this.name = name+"--"+count++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"生产者："+this.name);
            flag = true;
            condition_con.signal();    //实现只唤醒消费者。

        } finally {    //利用finally特性保证最后能释放锁。
            lock.unlock();
        }
    }

    public void out()throws InterruptedException {
        try {
            lock.lock();
            while(!flag)
                condition_con.await();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"----消费者："+this.name);
            flag = false;
            condition_pro.signal();     //实现只唤醒生产者。    
        } finally {    //利用finally特性保证最后能释放锁。
            lock.unlock();
        }
    }
}


class Producer implements Runnable {
    private Resource r;
    Producer(Resource r) {
        this.r = r;
    }

    public void run() {
        try {
            while(true)
                r.set("+商品+");            
        } catch (InterruptedException e){

        }

    }
}


class Consumer implements Runnable {
    private Resource r;
    Consumer(Resource r) {
        this.r = r;
    }

    public void run() {
        try {
            while(true)
                r.out();
        } catch (InterruptedException e) {

        }
    }
}


class ProducerConsumerDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        Resource r = new Resource();

        Producer pro = new Producer(r);
        Consumer con = new Consumer(r);

        Thread t1 = new Thread(pro);
        Thread t2 = new Thread(pro);
        Thread t3 = new Thread(con);
        Thread t4 = new Thread(con);
    
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
    }
}

运行结果是不停的生产和消费，但生产和消费的数目总是一样的。说明程序通过标记成功控制每生产一个商品就消费一个，并且实现了多线程的同步。

 

六、多线程的停止

　　多线程的stop()已过时，所以想要多线程停止的方法只有通过run方法结束。多线程的代码通常都是摆在循环结构中的，所以只要控制循环，就可以让run方法结束，也就是线程结束。

　　但是，如果线程处于冻结状态（等待，睡眠），读不到循环的标记，那么程序就无法停止。所以在没有指定方式让冻结的线程恢复到运行状态中时，可以使用Thread类中的interrupt()方法强行让线程恢复到运行状态中，这样线程就能继续执行读取到循环标记，从而停止线程。以下是例子：

class StopThread implements Runnable {
    private boolean flag = true;
    public synchronized void run() {
        while(flag) {
            try {
                wait();
            }
            catch (InterruptedException e) {
                //注意这里接收到的InterruptedException是t1.interrupt()和t2.interrupt()抛出的异常。
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+".........Exception");
                changeFlag();        //最后记住要改标记才能让线程恢复运行后停止。
            }
            
            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) {
//                st.changeFlag();
                t1.interrupt();        //清除线程中断状态，但是会抛出InterruptedException异常。
                t2.interrupt();
                break;
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..."+num);
        }
        System.out.println("over");
    }
}

运行结果是程序顺利结束。

 

七、线程中的其他常见方法

　　1.join:
　　当A线程执行到了B线程的.join()方法时，A机会等待。等B线程都执行完，A线程才会执行。
　　join可以用来临时加入线程执行。

　　2.setDaemon(boolean):
　　将线程标记为后台程序(守护线程)，后台线程和前台线程一样开启，一样抢执行权运行。
　　只有在结束时有区别。当前台线程都运行结束后，后台程序会自动结束。

　　3.setPriority:
　　更改线程优先级别：级别为（1~10），线程默认优先级别为5。
　　Thread.MAX_PRIORITY = 10；
　　Thread.NORM_PRIORITY = 5;
　　Thread.MIN_PRIORITY = 1。

　　4.yield:
　　暂停正在执行的线程，并执行其他线程。

 

　　以下是它们的使用例子：

class Demo implements Runnable {
    public void run() {
        for (int x= 0; x<70; x++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..."+x);
            Thread.yield();
        }
    }
}

class JoinDemo {
    public static void main(String[] args)throws Exception {
        Demo d = new Demo();
        
        Thread t1 = new Thread(d);
        Thread t2 = new Thread(d);
//        t1.setDaemon(true);        //设置为守护线程，一旦前台所有线程结束，守护线程会自动结束。
//        t1.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);    //设置线程优先级别，级别越大，线程得到cpu执行权概率就越大。
        t1.start();
        t1.join();
        t2.start();
    
        for (int x=0; x<80; x++)
            System.out.println("main..."+x);
        System.out.println("over");
    }
}

运行结果是t1的0线程全部要执行完后，再把执行主线程main执行完，最后才执行t2的1线程。

 

　　多线程总结完毕。