Java基础-线程

一、线程概述

　　进程与线程：

　　进程：进程指正在运行的程序。确切的来说，当一个程序进入内存运行，即变成一个进程，进程是处于运行过程中的程序，并且具有一定独立功能。

　　线程：线程是进程中的一个执行单元，负责当前进程中程序的执行，一个进程中至少有一个线程。一个进程中是可以有多个线程的，这个应用程序也可以称之为多线程程序。

　　简而言之：一个程序运行后至少有一个进程，一个进程中可以包含多个线程。

　　什么是多线程呢？即就是一个程序中有多个线程在同时执行。

　　单线程程序：即，若有多个任务只能依次执行。当上一个任务执行结束后，下一个任务开始执行。如，去网吧上网，网吧只能让一个人上网，当这个人下机后，下一个人才能上网。

　　多线程程序：即，若有多个任务可以同时执行。如，去网吧上网，网吧能够让多个人同时上网。

　　程序的运行原理：

　　分时调度：

　　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。

　　抢占式调度：

　　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(线程随机性)，Java使用的为抢占式调度。

　　大部分操作系统都支持多进程并发运行，现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。比如：现在我们上课一边使用编辑器，一边使用录屏软件，同时还开着画图板，dos窗口等软件。此时，这些程序是在同时运行，”感觉这些软件好像在同一时刻运行着“。

　　实际上，CPU(中央处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换。对于CPU的一个核而言，某个时刻，只能执行一个线程，而 CPU的在多个线程间切换速度相对我们的感觉要快，看上去就是在同一时刻运行。

　　其实，多线程程序并不能提高程序的运行速度，但能够提高程序运行效率，让CPU的使用率更高。

　　主线程：

　　jvm启动后，必然有一个执行路径(线程)从main方法开始的，一直执行到main方法结束，这个线程在java中称之为主线程。当程序的主线程执行时，如果遇到了循环而导致程序在指定位置停留时间过长，则无法马上执行下面的程序，需要等待循环结束后能够执行。

　　那么，能否实现一个主线程负责执行其中一个循环，再由另一个线程负责其他代码的执行，最终实现多部分代码同时执行的效果？

　　Thread类是程序中的执行线程。Java 虚拟机允许应用程序并发地运行多个执行线程。

　　创建新执行线程有两种方法:　　　　　　　　　　　　　　　　

　　一种方法是将类声明为 Thread 的子类。该子类应重写 Thread 类的 run 方法。创建对象，开启线程。run方法相当于其他线程的main方法。

　　一种方法是声明一个实现 Runnable 接口的类。该类然后实现 run 方法。然后创建Runnable的子类对象，传入到某个线程的构造方法中，开启线程。

　　1.继承Thread类

　　构造方法：

　　常用方法：

public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建自定义线程对象
        MyThread mt = new MyThread("新的线程！");
        //开启新线程
        mt.start();
        //在主方法中执行for循环
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("main线程！"+i);
        }
    }
}

//自定义线程类
public class MyThread extends Thread {
    //定义指定线程名称的构造方法
    public MyThread(String name) {
        //调用父类的String参数的构造方法，指定线程的名称
        super(name);
    }
    /**
     * 重写run方法，完成该线程执行的逻辑
     */
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(getName()+"：正在执行！"+i);
        }
    }
}

　　2. 实现Runnable接口

　　创建线程的另一种方法是声明实现 Runnable 接口的类。该类然后实现 run 方法。然后创建Runnable的子类对象，传入到某个线程的构造方法中，开启线程。

　　Runnable接口用来指定每个线程要执行的任务。包含了一个 run 的无参数抽象方法，需要由接口实现类重写该方法。

　　构造方法：

　　常用方法：

public class Demo02 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程执行目标类对象
        Runnable runn = new MyRunnable();
        //将Runnable接口的子类对象作为参数传递给Thread类的构造函数
        Thread thread = new Thread(runn);
        Thread thread2 = new Thread(runn);
        //开启线程
        thread.start();
        thread2.start();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("main线程：正在执行！"+i);
        }
    }
}
//自定义线程执行任务类
public class MyRunnable implements Runnable{
    //定义线程要执行的run方法逻辑
    @Override
    public void run() {
        
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("我的线程：正在执行！"+i);
        }
    }
}

　　3. 多线程内存图解

多线程执行时，到底在内存中是如何运行的呢？

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。

　　4. 获取线程名称

class MyThread extends Thread {  
//继承Thread
    MyThread(String name){
        super(name);
    }
    //复写其中的run方法
    public void run(){
        for (int i=1;i<=20 ;i++ ){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",i="+i);
        }
    }
}
class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args)     {
        //创建两个线程任务
        MyThread d = new MyThread();
        MyThread d2 = new MyThread();
        d.run();//没有开启新线程, 在主线程调用run方法
        d2.start();//开启一个新线程，新线程调用run方法
    }
}

　　5. 线程的匿名内部类的使用。

　　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。

//方式1：创建线程对象时，直接重写Thread类中的run方法
        new Thread() {
            public void run() {
                for (int x = 0; x < 40; x++) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + "...X...." + x);
                }
            }
        }.start();

//方式2：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
        Runnable r = new Runnable() {
            public void run() {
                for (int x = 0; x < 40; x++) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + "...Y...." + x);
                }
            }
        };
        new Thread(r).start();

二、多线程中线程的安全问题

　　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。

　　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 “功夫熊猫3”，本次电影的座位共100个(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 “功夫熊猫3”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。

//模拟窗口
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建票对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        
        //创建3个窗口
        Thread t1  = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2  = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3  = new Thread(ticket, "窗口3");
        
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}
//模拟票
public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            if (ticket > 0) {
                //模拟选坐的操作
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
            }
        }
    }

　　运行得到的结果会出现卖重票或者负数的情况。

　　其实，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。

　　使用线程同步来解决线性安全问题：线程同步的方式有两种

　　方式1：同步代码块

　　方式2：同步方法

　　同步代码块方式：

　　同步代码块: 在代码块声明上 加上synchronized

　　　　synchronized (锁对象) {

　　　　　　可能会产生线程安全问题的代码

　　　　}

同步代码块中的锁对象可以是任意的对象；但多个线程时，要使用同一个锁对象才能够保证线程安全。

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    //定义锁对象
    Object lock = new Object();
    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            //同步代码块
            synchronized (lock){
                if (ticket > 0) {
                    //模拟电影选坐的操作
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
                }
            }
        }
    }
}

　　同步方法方式：

　　在方法声明上加上synchronized：同步方法中的锁对象是 this

　　public synchronized void method(){

    　　可能会产生线程安全问题的代码

　　}

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    //定义锁对象
    Object lock = new Object();
    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            //同步方法
            method();
        }
    }

//同步方法,锁对象this
    public synchronized void method(){
        if (ticket > 0) {
            //模拟选坐的操作
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
        }
    }
}

//静态同步方法: 在方法声明上加上static synchronized
public static synchronized void method(){
　　可能会产生线程安全问题的代码
}
静态同步方法中的锁对象是 类名.class

 三、死锁问题

　　同步锁使用的弊端：当线程任务中出现了多个同步(多个锁)时，如果同步中嵌套了其他的同步。这时容易引发一种现象：程序出现无限等待，这种现象我们称为死锁。这种情况能避免就避免掉。

synchronzied(A锁){
    synchronized(B锁){
         
    }
}

//死锁情况演示
//定义锁对象类
public class MyLock {
    public static final Object lockA = new Object();
    public static final Object lockB = new Object();
}

//线程任务类
public class ThreadTask implements Runnable {
    int x = new Random().nextInt(1);//0,1
    //指定线程要执行的任务代码
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            if (x%2 ==0) {
                //情况一
                synchronized (MyLock.lockA) {
                    System.out.println("if-LockA");
                    synchronized (MyLock.lockB) {
                        System.out.println("if-LockB");
                        System.out.println("if大口吃肉");
                    }
                }
            } else {
                //情况二
                synchronized (MyLock.lockB) {
                    System.out.println("else-LockB");
                    synchronized (MyLock.lockA) {
                        System.out.println("else-LockA");
                        System.out.println("else大口吃肉");
                    }
                }
            }
            x++;
        }
    }
}

//测试类
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程任务类对象
        ThreadTask task = new ThreadTask();
        //创建两个线程
        Thread t1 = new Thread(task);
        Thread t2 = new Thread(task);
        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

四、Lock接口

　　Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。

 

　　Lock提供了一个更加面对对象的锁，在该锁中提供了更多的操作锁的功能。

　　Lock接口中常用的方法：

　　使用Lock接口，以及其中的lock()方法和unlock()方法替代同步，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    //创建Lock锁对象
    Lock ck = new ReentrantLock();
    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            //synchronized (lock){
            ck.lock();
                if (ticket > 0) {
                    //模拟选坐的操作
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
                }
            ck.unlock();
            //}
        }
    }
}

五、等待唤醒机制

　　在开始讲解等待唤醒机制之前，有必要搞清一个概念——线程之间的通信：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。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。

　　等待唤醒机制所涉及到的方法：

　　wait（） :等待，将正在执行的线程释放其执行资格 和 执行权，并存储到线程池中。

　　notify（）：唤醒，唤醒线程池中被wait（）的线程，一次唤醒一个，而且是任意的。

　　notifyAll（）： 唤醒全部：可以将线程池中的所有wait() 线程都唤醒。

　　其实，所谓唤醒的意思就是让 线程池中的线程具备执行资格。必须注意的是，这些方法都是在 同步中才有效。同时这些方法在使用时必须标明所属锁，这样才可以明确出这些方法操作的到底是哪个锁上的线程。

　　仔细查看JavaAPI之后，发现这些方法 并不定义在 Thread中，也没定义在Runnable接口中，却被定义在了Object类中，为什么这些操作线程的方法定义在Object类中？

　　因为这些方法在使用时，必须要标明所属的锁，而锁又可以是任意对象。能被任意对象调用的方法一定定义在Object类中。

输入线程向Resource中输入name ,sex , 输出线程从资源中输出，先要完成的任务是：

1.当input发现Resource中没有数据时，开始输入，输入完成后，叫output来输出。如果发现有数据，就wait();

2.当output发现Resource中没有数据时，就wait() ；当发现有数据时，就输出，然后，叫醒input来输入数据。

//实例演示
public class Resource {
    private String name;
    private String sex;
    private boolean flag = false;

    public synchronized void set(String name, String sex) {
        if (flag)
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        // 设置成员变量
        this.name = name;
        this.sex = sex;
        // 设置之后，Resource中有值，将标记该为 true ,
        flag = true;
        // 唤醒output
        this.notify();
    }

    public synchronized void out() {
        if (!flag)
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        // 输出线程将数据输出
        System.out.println("姓名: " + name + "，性别: " + sex);
        // 改变标记，以便输入线程输入数据
        flag = false;
        // 唤醒input，进行数据输入
        this.notify();
    }
}

//输入线程任务类
public class Input implements Runnable {
    private Resource r;

    public Input(Resource r) {
        this.r = r;
    }

    @Override
    public void run() {
        int count = 0;
        while (true) {
            if (count == 0) {
                r.set("小明", "男生");
            } else {
                r.set("小花", "女生");
            }
            // 在两个数据之间进行切换
            count = (count + 1) % 2;
        }
    }
}

//输出线程任务类
public class Output implements Runnable {
    private Resource r;

    public Output(Resource r) {
        this.r = r;
    }

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

//测试类
public class ResourceDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 资源对象
        Resource r = new Resource();
        // 任务对象
        Input in = new Input(r);
        Output out = new Output(r);
        // 线程对象
        Thread t1 = new Thread(in);
        Thread t2 = new Thread(out);
        // 开启线程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

六、线程池

　　线程池：其实就是一个容纳多个线程的容器，其中的线程可以反复使用，省去了频繁创建线程对象的操作，无需反复创建线程而消耗过多资源。

　　在java中，如果每个请求到达就创建一个新线程，开销是相当大的。在实际使用中，创建和销毁线程花费的时间和消耗的系统资源都相当大，甚至可能要比在处理实际的用户请求的时间和资源要多的多。除了创建和销毁线程的开销之外，活动的线程也需要消耗系统资源。如果在一个jvm里创建太多的线程，可能会使系统由于过度消耗内存或“切换过度”而导致系统资源不足。为了防止资源不足，需要采取一些办法来限制任何给定时刻处理的请求数目，尽可能减少创建和销毁线程的次数，特别是一些资源耗费比较大的线程的创建和销毁，尽量利用已有对象来进行服务。

　　线程池主要用来解决线程生命周期开销问题和资源不足问题。通过对多个任务重复使用线程，线程创建的开销就被分摊到了多个任务上了，而且由于在请求到达时线程已经存在，所以消除了线程创建所带来的延迟。这样，就可以立即为请求服务，使用应用程序响应更快。另外，通过适当的调整线程中的线程数目可以防止出现资源不足的情况。

　　1. 使用线程池方式—Runnable接口

　　通常，线程池都是通过线程池工厂创建，再调用线程池中的方法获取线程，再通过线程去执行任务方法。

　　Executors：线程池创建工厂类

　　public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)：返回线程池对象。

　　ExecutorService：线程池类。

　　Future<?> submit(Runnable task)：获取线程池中的某一个线程对象，并执行。

　　Future接口：用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用。

使用线程池中线程对象的步骤：
创建线程池对象
创建Runnable接口子类对象
提交Runnable接口子类对象
关闭线程池
//代码演示：
public class ThreadPoolDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程池对象
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象
        //创建Runnable实例对象
        MyRunnable r = new MyRunnable();
        
        //自己创建线程对象的方式
        //Thread t = new Thread(r);
        //t.start(); ---> 调用MyRunnable中的run()
        
        //从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run()
        service.submit(r);
        //再获取个线程对象，调用MyRunnable中的run()
        service.submit(r);
        service.submit(r);
//注意：submit方法调用结束后，程序并不终止，是因为线程池控制了线程的关闭。将使用完的线程又归还到了线程池中

//关闭线程池
        //service.shutdown();
    }
}
//Runnable接口实现类
public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("我要一个教练");
        
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("教练来了： " +Thread.currentThread().getName());
        System.out.println("教我游泳,交完后，教练回到了游泳池");
    }
}

　　2. 使用线程池方式—Callable接口

　　Callable接口：与Runnable接口功能相似，用来指定线程的任务。其中的call()方法，用来返回线程任务执行完毕后的结果，call方法可抛出异常。

　　ExecutorService：线程池类。

　　<T> Future<T> submit(Callable<T> task)：获取线程池中的某一个线程对象，并执行线程中的call()方法。

　　Future接口：用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用。

使用线程池中线程对象的步骤：
创建线程池对象
创建Callable接口子类对象
提交Callable接口子类对象
关闭线程池
代码演示：
public class ThreadPoolDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程池对象
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象
        //创建Callable对象
        MyCallable c = new MyCallable();
        
        //从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run()
        service.submit(c);
        
        //再获取个教练
        service.submit(c);
        service.submit(c);
//注意：submit方法调用结束后，程序并不终止，是因为线程池控制了线程的关闭。将使用完的线程又归还到了线程池中

//关闭线程池
        //service.shutdown();
    }
}
//Callable接口实现类,call方法可抛出异常、返回线程任务执行完毕后的结果
public class MyCallable implements Callable {
    @Override
    public Object call() throws Exception {
        System.out.println("我要一个教练:call");
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("教练来了： " +Thread.currentThread().getName());
        System.out.println("教我游泳,交完后,教练回到了游泳池");
        return null;
    }
}

七、其他：

　　1. 线程休眠

　　调用sleep()方法，该方法需要一个参数用于指定线程休眠时间，单位为ms，通常用在run()方法内的循环中被使用，注意要使用try···catch包围。语法格式如下：Thread.sleep();

　　使用了sleep()方法的线程在一段时间内会醒来，但是并不能保证它醒来后进入运行状态，只能保证它进入就绪状态。

　　2. 线程加入

　　假设有一个线程A，现在需要插入线程B，并要求线程B先执行完毕，然后再继续执行线程A，此时可以使用join()方法来完成。当某个线程使用join()方法加入到另一个线程时，另一个线程会等待该线程执行完毕再继续执行。语法格式如下：Thread.join();

　　3. 线程的中断(stop/interrupt)

　　stop()方法可以停止线程，但JDK早已废除，同时也不建议使用stop()方法来停止一个线程的运行。可在run()方法中使用无限循环的形式，然后使用一个布尔型标记控制循环的停止。

　　如果线程因为使用了sleep()或wait()方法进入了就绪状态，这时可以使用Thread类中的interrupt()方法使线程离开run()方法，同时结束线程，但会抛出InterruptedException异常。语法格式如下：Thread.interrupt();

　　4. 线程礼让

　　Thread类中提供了一种礼让方法yield()，用于给当前正处于运行状态下的线程一个提醒，告知它可以将资源礼让给其他线程。

　　yield()方法使具有同样优先级的线程有进入可执行状态的机会，当当前线程放弃执行权时会再度回到就绪状态。

 

　　总结：生命周期