Java常用API_多线程

第十八章 多线程

18.1 基本概念

18.1.1 程序和进程的概念

• 程序 - 数据结构 + 算法，主要指存放在硬盘上的可执行文件。
• 进程 - 主要指运行在内存中的可执行文件。
• 目前主流的操作系统都支持多进程，为了让操作系统同时可以执行多个任务，但进程是重量级的，也就是新建一个进程会消耗CPU和内存空间等系统资源，因此进程的数量比较局限。

18.1.2 线程的概念

• 为了解决上述问题就提出线程的概念，线程就是进程内部的程序流，也就是说操作系统内部支持多进程的，而每个进程的内部又是支持多线程的，线程是轻量的，新建线程会共享所在进程的系统资源，因此目前主流的开发都是采用多线程。
• 多线程是采用时间片轮转法来保证多个线程的并发执行，所谓并发就是指宏观并行微观串行的机制。

18.2 线程的创建（重中之重）

18.2.1 Thread类的概念

• java.lang.Thread类代表线程，任何线程对象都是Thread类（子类）的实例。
• Thread类是线程的模板，封装了复杂的线程开启等操作，封装了操作系统的差异性。

18.2.2 创建方式

• 自定义类继承Thread类并重写run方法，然后创建该类的对象调用start方法。
• 自定义类实现Runnable接口并重写run方法，创建该类的对象作为实参来构造Thread类型的对象，然后使用Thread类型的对象调用start方法。

18.2.3 相关的方法

18.2.4 执行流程

• 执行main方法的线程叫做主线程，执行run方法的线程叫做新线程/子线程。
• main方法是程序的入口，对于start方法之前的代码来说，由主线程执行一次，当start方法调用成功后线程的个数由1个变成了2个，新启动的线程去执行run方法的代码，主线程继续向下执行，两个线程各自独立运行互不影响。
• 当run方法执行完毕后子线程结束，当main方法执行完毕后主线程结束。
• 两个线程执行没有明确的先后执行次序，由操作系统调度算法来决定。

18.2.5 方式的比较

• 继承Thread类的方式代码简单，但是若该类继承Thread类后则无法继承其它类，而实现
• Runnable接口的方式代码复杂，但不影响该类继承其它类以及实现其它接口，因此以后的开发中推荐使用第二种方式。

18.2.6 匿名内部类的方式

• 使用匿名内部类的方式来创建和启动线程。

18.3 线程的生命周期（熟悉）

 

 

 

 

• 新建状态 - 使用new关键字创建之后进入的状态，此时线程并没有开始执行。
• 就绪状态 - 调用start方法后进入的状态，此时线程还是没有开始执行。
• 运行状态 - 使用线程调度器调用该线程后进入的状态，此时线程开始执行，当线程的时间片执行完毕后任务没有完成时回到就绪状态。
• 消亡状态 - 当线程的任务执行完成后进入的状态，此时线程已经终止。
• 阻塞状态 - 当线程执行的过程中发生了阻塞事件进入的状态，如：sleep方法。阻塞状态解除后进入就绪状态。

18.4 线程的编号和名称（熟悉）

• 案例题目
  • 自定义类继承Thread类并重写run方法，在run方法中先打印当前线程的编号和名称，然后将线程的名称修改为"zhangfei"后再次打印编号和名称。要求在main方法中也要打印主线程的编号和名称。

18.5 常用的方法（重点）

• 案例题目
  • 编程创建两个线程，线程一负责打印1 ~ 100之间的所有奇数，其中线程二负责打印1 ~ 100之间的所有偶数。
  • 在main方法启动上述两个线程同时执行,主线程等待两个线程终止。

18.6 线程同步机制（重点）

18.6.1 基本概念

• 当多个线程同时访问同一种共享资源时，可能会造成数据的覆盖等不一致性问题，此时就需要对线程之间进行通信和协调，该机制就叫做线程的同步机制。
• 多个线程并发读写同一个临界资源时会发生线程并发安全问题。
• 异步操作:多线程并发的操作，各自独立运行。
• 同步操作:多线程串行的操作，先后执行的顺序。

18.6.2 解决方案

• 由程序结果可知：当两个线程同时对同一个账户进行取款时，导致最终的账户余额不合理。
• 引发原因：线程一执行取款时还没来得及将取款后的余额写入后台，线程二就已经开始取款。
• 解决方案：让线程一执行完毕取款操作后，再让线程二执行即可，将线程的并发操作改为串行操作。
• 经验分享：在以后的开发尽量减少串行操作的范围，从而提高效率。

18.6.3 实现方式

• 在Java语言中使用synchronized关键字来实现同步/对象锁机制从而保证线程执行的原子性，具体方式如下：
• 使用同步代码块的方式实现部分代码的锁定，格式如下：
  • synchronized(类类型的引用) {
    • 编写所有需要锁定的代码；
  • }
• 使用同步方法的方式实现所有代码的锁定。
  • 直接使用synchronized关键字来修饰整个方法即可
  • 该方式等价于:
    • synchronized(this) { 整个方法体的代码 }

18.6.4 静态方法的锁定

• 当我们对一个静态方法加锁，如:
  • public synchronized static void xxx(){….}
• 那么该方法锁的对象是类对象。每个类都有唯一的一个类对象。获取类对象的方式:类名.class。
• 静态方法与非静态方法同时使用了synchronized后它们之间是非互斥关系的。
• 原因在于：静态方法锁的是类对象而非静态方法锁的是当前方法所属对象。

18.6.5 注意事项

• 使用synchronized保证线程同步应当注意:
  • 多个需要同步的线程在访问同步块时，看到的应该是同一个锁对象引用。
  • 在使用同步块时应当尽量减少同步范围以提高并发的执行效率。

18.6.6 线程安全类和不安全类

• StringBuffer类是线程安全的类，但StringBuilder类不是线程安全的类。
• Vector类和 Hashtable类是线程安全的类，但ArrayList类和HashMap类不是线程安全的类。
• Collections.synchronizedList() 和 Collections.synchronizedMap()等方法实现安全。

18.6.7 死锁的概念

• 线程一执行的代码：
  • public void run(){
    • synchronized(a){ //持有对象锁a，等待对象锁b
      • synchronized(b){
        • 编写锁定的代码;
      • }
    • }
  • }
• 线程二执行的代码：
  • public void run(){
    • synchronized(b){ //持有对象锁b，等待对象锁a
      • synchronized(a){
        • 编写锁定的代码;
      • }
    • }
  • }
• 注意：
  • 在以后的开发中尽量减少同步的资源，减少同步代码块的嵌套结构的使用！

18.6.8 使用Lock（锁）实现线程同步

（1）基本概念

• 从Java5开始提供了更强大的线程同步机制—使用显式定义的同步锁对象来实现。
• 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。
• 该接口的主要实现类是ReentrantLock类，该类拥有与synchronized相同的并发性，在以后的线程安全控制中，经常使用ReentrantLock类显式加锁和释放锁。

（2）常用的方法

 

 

 

（3）与synchronized方式的比较

• Lock是显式锁，需要手动实现开启和关闭操作，而synchronized是隐式锁，执行锁定代码后自动释放。
• Lock只有同步代码块方式的锁，而synchronized有同步代码块方式和同步方法两种锁。
• 使用Lock锁方式时，Java虚拟机将花费较少的时间来调度线程，因此性能更好。

18.6.9 Object类常用的方法

18.6.10 线程池（熟悉）

（1）实现Callable接口

• 从Java5开始新增加创建线程的第三种方式为实现java.util.concurrent.Callable接口。
• 常用的方法如下：
  • 

     

     

（2）FutureTask类

• java.util.concurrent.FutureTask类用于描述可取消的异步计算，该类提供了Future接口的基本实现，包括启动和取消计算、查询计算是否完成以及检索计算结果的方法，也可以用于获取方法调用后的返回结果。
• 常用的方法如下：
  • 

（3）线程池的由来

• 在服务器编程模型的原理，每一个客户端连接用一个单独的线程为之服务，当与客户端的会话结束时，线程也就结束了，即每来一个客户端连接，服务器端就要创建一个新线程。
• 如果访问服务器的客户端很多，那么服务器要不断地创建和销毁线程，这将严重影响服务器的性能。

（4）概念和原理

• 线程池的概念：首先创建一些线程，它们的集合称为线程池，当服务器接受到一个客户请求后，就从线程池中取出一个空闲的线程为之服务，服务完后不关闭该线程，而是将该线程还回到线程池中。
• 在线程池的编程模式下，任务是提交给整个线程池，而不是直接交给某个线程，线程池在拿到任务后，它就在内部找有无空闲的线程，再把任务交给内部某个空闲的线程，任务是提交给整个线程池，一个线程同时只能执行一个任务，但可以同时向一个线程池提交多个任务。

（5）相关类和方法

• 从Java5开始提供了线程池的相关类和接口：java.util.concurrent.Executors类和java.util.concurrent.ExecutorService接口。
• 其中Executors是个工具类和线程池的工厂类，可以创建并返回不同类型的线程池，常用方法如下：
• 其中ExecutorService接口是真正的线程池接口，主要实现类是ThreadPoolExecutor，常用方法如下：
•