Java【线程、同步】学习笔记

【线程、同步】

第一章线程

1.1 多线程原理

创建线程的方式总共有两种，一种是继承Thread类方式，一种是实现Runnable接口方式。

自定义线程类：

 public class MyThread extends Thread{
 
     /*
         调用父类方法，对线程名称进行设置
      */
     public MyThread(String name) {
         super(name);
     }
 
     /*
         重写run方法，设置线程任务
      */
     @Override
     public void run() {
         for (int i = 0; i < 20; i++) {
             System.out.println(getName()+i);
         }
     }
 }

测试类：

 public class Demo {
     public static void main(String[] args) {
         System.out.println("这里是main线程");
         Thread mt = new MyThread("小强");
         mt.start();
         for (int i = 0; i < 20; i++) {
             System.out.println("旺财"+i);
         }
     }
 }

流程图：

程序启动运行main时候，java虚拟机启动一个进程，主线程main在main()调用时候被创建。随着调用mt的对象的 start方法，另外一个新的线程也启动了，这样，整个应用就在多线程下运行。

通过这张图我们可以很清晰的看到多线程的执行流程，那么为什么可以完成并发执行呢？我们再来讲一讲原理。多线程执行时，到底在内存中是如何运行的呢？以上个程序为例，进行图解说明：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。

1.2 Thread类

我们完成操作过程中用到了 java.lang.Thread 类， API中该类中定义了有关线程的一些方法，具体如下：

构造方法：

public Thread() :分配一个新的线程对象。

public Thread(String name) :分配一个指定名字的新的线程对象。
public Thread(Runnable target) :分配一个带有指定目标新的线程对象。
public Thread(Runnable target,String name) :分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。

常用方法：

public String getName() :获取当前线程名称。
public void start() :导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法。
public void run() :此线程要执行的任务在此处定义代码。
public static void sleep(long millis) :使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停（暂时停止执行）。
public static Thread currentThread() :返回对当前正在执行的线程对象的引用。

1.3 实现Runnable接口创建线程

实现步骤

创建一个Runna接口的实现类
在实现类中重写接口的run方法，设置县城任务
创建一个Runna接口的实现类对象
创建Thread类对象，在构造方法中传递Runna接口的实现类对象
调用Thread类中的start方法，开启新的线程执行run方法

实现类

 public class MyRunnable implements Runnable{
     @Override
     public void run() {
         for (int i = 0; i < 20; i++) {
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);
         }
     }
 }

测试类

 public class MyRunnable implements Runnable{
     @Override
     public void run() {
         for (int i = 0; i < 20; i++) {
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);
         }
     }
 }

tips:Runnable对象仅仅作为Thread对象的target，Runnable实现类里包含的run()方法仅作为线程执行体。

而实际的线程对象依然是Thread实例，只是该Thread线程负责执行其target的run()方法。

1.4 Thread和Runna的区别

如果一个类继承Thread，则不适合资源共享。但是如果实现了Runna接口的话，则很容易实现资源共享。

总结：

实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势：

适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。
可以避免java中的单继承的局限性。
增加程序的健壮性，实现解耦操作，代码可以被多个线程共享，代码和线程独立。
线程池只能放入实现Runable或Callable类线程，不能直接放入继承Thread的类。

扩充：在java中，每次程序运行至少启动2个线程。一个是main线程，一个是垃圾收集线程。因为每当使用 java命令执行一个类的时候，实际上都会启动一个JVM，每一个JVM其实在就是在操作系统中启动了一个进程

1.5 匿名内部类方式实现线程的创建

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。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：

 public class NoNameInnerClassThread {
     public static void main(String[] args) {
         // new Runnable(){
         // public void run(){
         // for (int i = 0; i < 20; i++) {
         // System.out.println("张宇:"+i);
         // }
         // }
         // }; //‐‐‐这个整体 相当于new MyRunnable()
         Runnable r = new Runnable(){
             public void run(){
                 for (int i = 0; i < 20; i++) {
                     System.out.println("张宇:"+i);
                 }
             }
         };
         new Thread(r).start();
         for (int i = 0; i < 20; i++) {
             System.out.println("费玉清:"+i);
         }
     }
 }

第二章线程

2.1 线程安全

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。

我们通过一个案例，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 “葫芦娃大战奥特曼”，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 “葫芦娃大战奥特曼”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

模拟票：

 public class Ticket implements Runnable {
     private int ticket = 100;
     /*
      * 执行卖票操作
      */
     @Override
     public void run() {
         //每个窗口卖票的操作
         //窗口 永远开启
         while (true) {
             if (ticket > 0) {//有票 可以卖
         //出票操作
         //使用sleep模拟一下出票时间
                 try {
                     Thread.sleep(100);
                 } catch (InterruptedException e) {
         // TODO Auto‐generated catch block
                     e.printStackTrace();
                 }
         //获取当前线程对象的名字
                 String name = Thread.currentThread().getName();
                 System.out.println(name + "正在卖:" + ticket‐‐);
             }
         }
     }
 }

测试类：

 public class Demo {
     public static void main(String[] args) {
         //创建线程任务对象
         Ticket ticket = new Ticket();
         //创建三个窗口对象
         Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
         Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
         Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
         //同时卖票
         t1.start();
         t2.start();
         t3.start();
     }
 }

发现程序出现了两个问题：

相同的票数,比如5这张票被卖了两回。
不存在的票，比如0票与-1票，是不存在的。

这种问题，几个窗口(线程)票数不同步了，这种问题称为线程不安全。

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。

2.2 线程同步

当我们使用多个线程访问同一资源的时候，且多个线程中对资源有写的操作，就容易出现线程安全问题。

要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题，Java中提供了同步机制 (synchronized)来解决。

窗口1线程进入操作的时候，窗口2和窗口3线程只能在外等着，窗口1操作结束，窗口1和窗口2和窗口3才有机会进入代码去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候，其他线程不能修改该资源，等待修改完毕同步之后，才能去抢夺CPU 资源，完成对应的操作，保证了数据的同步性，解决了线程不安全的现象。

为了保证每个线程都能正常执行原子操作,Java引入了线程同步机制。

那么怎么去使用呢？有三种方式完成同步操作：

同步代码块。
同步方法。
锁机制。

2.3 同步代码块

同步代码块： synchronized 关键字可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。

 synchronized(同步锁){
     需要同步操作的代码
 }

同步锁:

对象的同步锁只是一个概念,可以想象为在对象上标记了一个锁。

锁对象可以是任意类型。
多个线程对象要使用同一把锁。

注意:在任何时候,最多允许一个线程拥有同步锁,谁拿到锁就进入代码块,其他的线程只能在外等着 (BLOCKED)。

2.3.1 使用同步代码块解决代码

 public class Demo implements Runnable{
     private int ticket = 100;
     Object lock = new Object();
     /*
      * 执行卖票操作
      */
     @Override
     public void run() {
         //每个窗口卖票的操作
         //窗口 永远开启
         while(true){
             synchronized (lock) {
                 if(ticket>0){//有票 可以卖
         //出票操作
         //使用sleep模拟一下出票时间
                     try {
                         Thread.sleep(50);
                     } catch (InterruptedException e) {
         // TODO Auto‐generated catch block
                         e.printStackTrace();
                     }
         //获取当前线程对象的名字
                     String name = Thread.currentThread().getName();
                     System.out.println(name+"正在卖:"+ticket--);
                 }
             }
         }
     }
 }

2.3.2 同步方法

同步方法:使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。

 public synchronized void method(){
     可能会产生线程安全问题的代码
 }

同步锁是谁? 对于非static方法,同步锁就是this。

对于static方法,我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。

 public class Ticket implements Runnable{
     private int ticket = 100;
     /*
      * 执行卖票操作
      */
     @Override
     public void run() {
         //每个窗口卖票的操作
         //窗口 永远开启
         while(true){
             sellTicket();
         }
     }
     /*
      * 锁对象 是 谁调用这个方法 就是谁
      * 隐含 锁对象 就是 this
      *
      */
     public synchronized void sellTicket(){
         if(ticket>0){//有票 可以卖
         //出票操作
         //使用sleep模拟一下出票时间
             try {
                 Thread.sleep(100);
             } catch (InterruptedException e) {
         // TODO Auto‐generated catch block
                 e.printStackTrace();
             }
         //获取当前线程对象的名字
             String name = Thread.currentThread().getName();
             System.out.println(name+"正在卖:"+ticket‐‐);
         }
     }
 }

2.3.3 Lock锁

java.util.concurrent.locks.Lock 机制提供了比synchronized代码synchronized方法更广泛的锁定操作, 同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有,除此之外更强大,更体现面向对象。

Lock锁也称同步锁，加锁与释放锁方法化了，如下：

public void lock() :加同步锁。
public void unlock() :释放同步锁。

 public class Ticket implements Runnable{
     private int ticket = 100;
     Lock lock = new ReentrantLock();
     /*
      * 执行卖票操作
      */
     @Override
     public void run() {
         //每个窗口卖票的操作
         //窗口 永远开启
         while(true){
             lock.lock();
             if(ticket>0){//有票 可以卖
         //出票操作
         //使用sleep模拟一下出票时间
                 try {
                     Thread.sleep(50);
                 } catch (InterruptedException e) {
                     e.printStackTrace();
                 }
         //获取当前线程对象的名字
                 String name = Thread.currentThread().getName();
                 System.out.println(name+"正在卖:"+ticket‐‐);
             }
             lock.unlock();
         }
     }
 }

第三章线程状态

3.1 线程状态概述

3.2 Timed Waiting（计时等待）

Timed Waiting在API中的描述为：一个正在限时等待另一个线程执行一个（唤醒）动作的线程处于这一状态。单独的去理解这句话，真是玄之又玄，其实我们在之前的操作中已经接触过这个状态了，在哪里呢？

在我们写卖票的案例中，为了减少线程执行太快，现象不明显等问题，我们在run方法中添加了sleep语句，这样就强制当前正在执行的线程休眠（暂停执行），以“减慢线程”。

其实当我们调用了sleep方法之后，当前执行的线程就进入到“休眠状态”，其实就是所谓的Timed Waiting(计时等待)，那么我们通过一个案例加深对该状态的一个理解。

实现一个计数器，计数到100，在每个数字之间暂停1秒，每隔10个数字输出一个字符串。

 public class MyThread extends Thread {
     public void run() {
         for (int i = 0; i < 100; i++) {
             if ((i) % 10 == 0) {
                 System.out.println("‐‐‐‐‐‐‐" + i);
             }
             System.out.print(i);
             try {
                 Thread.sleep(1000);
                 System.out.print(" 线程睡眠1秒！\n");
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         }
     }
     public static void main(String[] args) {
         new MyThread().start();
     }
 }

sleep方法的使用还是很简单的。我们需要记住下面几点：

进入 TIMED_WAITING 状态的一种常见情形是调用的 sleep 方法，单独的线程也可以调用，不一定非要有协作关系。
为了让其他线程有机会执行，可以将Thread.sleep()的调用放线程run()之内。这样才能保证该线程执行过程中会睡眠
sleep与锁无关，线程睡眠到期自动苏醒，并返回到Runnable（可运行）状态。

小提示：sleep()中指定的时间是线程不会运行的最短时间。因此，sleep()方法不能保证该线程睡眠到期后就开始立刻执行。

Timed Waiting 线程状态图：

3.3 BLOCKED（锁阻塞）

Blocked状态在API中的介绍为：一个正在阻塞等待一个监视器锁（锁对象）的线程处于这一状态。

我们已经学完同步机制，那么这个状态是非常好理解的了。比如，线程A与线程B代码中使用同一锁，如果线程A获取到锁，线程A进入到Runnable状态，那么线程B就进入到Blocked锁阻塞状态。

这是由Runnable状态进入Blocked状态。除此Waiting以及Time Waiting状态也会在某种情况下进入阻塞状态，而这部分内容作为扩充知识点带领大家了解一下。 Blocked 线程状态图

3.4 Waiting（无限等待）

Wating状态在API中介绍为：

一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的（唤醒）动作的线程处于这一状态。

 public class Demo {
     public static Object obj = new Object();
     public static void main(String[] args) {
         // 演示waiting
         new Thread(new Runnable() {
             @Override
             public void run() {
                 while (true){
                     synchronized (obj){
                         try {
                             System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"=== 获取到锁对象，调用wait方法，进入waiting状态，释放锁对象");
                                     obj.wait(); //无限等待
                             // obj.wait(5000); //计时等待, 5秒 时间到，自动醒来
                         } catch (InterruptedException e) {
                             e.printStackTrace();
                         }
                         System.out.println( Thread.currentThread().getName() + "=== 从waiting状态醒来，获取到锁对象，继续执行了");
                     }
                 }
             }
         },"等待线程").start();
         new Thread(new Runnable() {
             @Override
             public void run() {
                 // while (true){ //每隔3秒 唤醒一次
                 try {
                     System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"‐‐‐‐‐ 等待3秒钟");
                     Thread.sleep(3000);
                 } catch (InterruptedException e) {
                     e.printStackTrace();
                 }
                 synchronized (obj){
                     System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"‐‐‐‐‐ 获取到锁对象,调用notify方法，释放锁对象");
                             obj.notify();
                 }
             }
 // }
         },"唤醒线程").start();
     }
 }

通过上述案例我们会发现，一个调用了某个对象的 Object.wait 方法的线程会等待另一个线程调用此对象的 Object.notify()方法或 Object.notifyAll()方法。

其实waiting状态并不是一个线程的操作，它体现的是多个线程间的通信，可以理解为多个线程之间的协作关系，多个线程会争取锁，同时相互之间又存在协作关系。就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在晋升时的竞争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。

当多个线程协作时，比如A，B线程，如果A线程在Runnable（可运行）状态中调用了wait()方法那么A线程就进入了Waiting（无限等待）状态，同时失去了同步锁。假如这个时候B线程获取到了同步锁，在运行状态中调用了 notify()方法，那么就会将无限等待的A线程唤醒。注意是唤醒，如果获取到锁对象，那么A线程唤醒后就进入 Runnable（可运行）状态；如果没有获取锁对象，那么就进入到Blocked（锁阻塞状态)。

Waiting 线程状态图

3.5 补充知识点

一条有意思的tips:

我们在翻阅API的时候会发现Timed Waiting（计时等待）与 Waiting（无限等待）状态联系还是很紧密的，比如Waiting（无限等待）状态中wait方法是空参的，而timed waiting（计时等待）中wait方法是带参的。这种带参的方法，其实是一种倒计时操作，相当于我们生活中的小闹钟，我们设定好时间，到时通知，可是如果提前得到（唤醒）通知，那么设定好时间在通知也就显得多此一举了，那么这种设计方案其实是一举两得。如果没有得到（唤醒）通知，那么线程就处于Timed Waiting状态,直到倒计时完毕自动醒来；如果在倒计时期间得到（唤醒）通知，那么线程从Timed Waiting状态立刻唤醒。

posted @ 2020-07-07 14:48 雷神宙斯阅读(458) 评论(0) 编辑收藏举报

刷新页面返回顶部

雷神宙斯