概述
文章目录
- 1.1 相关概念
- 1.1.1 并发与并行
- 1.1.2 进程与线程
- 1.1.3 多线程的优点机应用场景
- 1.1.4 线程调度
- 2. 线程的创建与启动
- 2.1 继承Thread类
- 2.2 实现Runnable接口
- 2.3 两种创建线程方式比较
- 2.4 匿名内部类对象创建线程
- 3. Thread类
- 3.1 构造方法
- 3.2 线程使用基础方法
- 3.3 线程控制常用方法
- 4.线程的生命周期
- 4.1 传统线程模型的五种线程状态
- 4.2 JDK定义的六种线程状态(了解)
- 5 线程安全
- 5.1 线程安全问题引出
- 5.1.1 局部变量不能共享
- 5.1.2 不同对象的实例变量不共享
- 5.1.3 静态变量是共享的
- 5.1.4 同一个对象的实例变量共享
- 5.2 原因分析
- 5.3 线程安全问题解决方式
- 5.4 锁对象选择
- 5.4.1 同步方法的锁对象问题
1.1 相关概念
1.1.1 并发与并行
- 并行(parallel):指多个事件任务在同一时刻发生(同时发生)。指在同一时刻,有多条指令在多个处理器上同时执行。单核CPU同一时刻只能处理一条指令,所以单核CPU做不到并行处理。
- 并发(concurrency):指两个或多个事件在同一个微小的时间段内发生。指在同一个时刻只能有一条指令执行,但多个进程的指令被快速轮换执行,使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果。程序并发执行可以在有限条件下,充分利用CPU资源,这是我们研究的重点。
在操作系统中,安装了多个程序,并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行,这在单 CPU 系统中,每一时刻只能有一个程序执行,即微观上这些程序是分时的交替运行,只不过是给人的感觉是同时运行,那是因为分时交替运行的时间是非常短的。
而在多个 CPU 系统中,则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上(CPU),实现多任务并行执行,即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序,这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核 CPU,便是多核处理器,核越多,并行处理的程序越多,能大大的提高电脑运行的效率。
注意:单核处理器的计算机肯定是不能并行的处理多个任务的,只能是多个任务在单个CPU上并发运行。同理,线程也是一样的,从宏观角度上理解线程是并行运行的,但是从微观角度上分析却是串行运行的,即一个线程一个线程的去运行,当系统只有一个CPU核心时,线程会以某种顺序执行多个线程,我们把这种情况称之为线程调度。
单核CPU:只能并发
多核CPU:并行+并发
现代多核处理器实际上是在适当的任务上进行并行处理,并且只要软件编写正确即可。具有多个线程并不能保证能利用多个内核。例如,线程可能受到共享资源争用的限制-例如,它们都需要访问一块内存。他们还可能争用共享的I / O资源,例如磁盘访问或网络访问。
例子:
-
并行:多项工作一起执行,之后再汇总,例如:泡方便面,电水壶烧水,一边撕调料倒入桶中
-
并发:同一时刻多个线程在访问同一个资源,多个线程对一个点,例如:春运抢票、电商秒杀…
1.1.2 进程与线程
-
程序:为了完成某个任务和功能,选择一种编程语言编写的一组指令的集合。
-
软件:1个或多个应用程序+相关的素材和资源文件等构成一个软件系统。
-
进程:进程是对一个程序运行过程(创建-运行-消亡)的描述,系统会为每个运行的程序建立一个进程,并为进程分配独立的系统资源,比如内存空间等资源。
-
线程:线程是进程中的一个执行单元,负责完成执行当前程序的任务,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。多线程使得程序可以并发执行,充分利用CPU资源。
面试题:进程是操作系统调度和分配资源的最小单位,线程是CPU调度的最小单位。不同的进程之间是不共享内存的。进程之间的数据交换和通信的成本是很高。不同的线程是共享同一个进程的内存的。当然不同的线程也有自己独立的内存空间。对于方法区,堆中中的同一个对象的内存,线程之间是可以共享的,但是栈的局部变量永远是独立的。
每个应用程序的运行都是一个进程
我们可以再电脑底部任务栏,右键----->打开任务管理器,可以查看当前任务的进程:
一个应用程序的多次运行,就是多个进程
1.1.3 多线程的优点机应用场景
- 主要优点:
- 充分利用CPU空闲时间片,用尽可能短的时间完成用户的请求。也就是使程序的响应速度更快 。
- 应用场景:
- 多任务处理。多个用户请求服务器,服务端程序可以开启多个线程分别处理每个用户的请求,互不影响。
- 单个大任务处理。下载一个大文件,可以开启多个线程一起下载,减少整体下载时间。
1.1.4 线程调度
指CPU资源如何分配给不同的线程。常见的两种线程调度方式:
-
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采用的是抢占式调度方式。
-
抢占式调度详解
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。
-
2. 线程的创建与启动
java虚拟机是支持多线程的,当运行Java程序时,至少已经有一个线程了,那就是main线程。那么如何创建和启动一个新的线程呢?创建线程的简单方式有两种:
2.1 继承Thread类
通过继承Thread类来创建并启动多线程的步骤:
- 定义Thread类的子类,并重写该类的run()方法,该run()方法的方法体就代表了线程需要完成的任务,因此把run()方法称为线程执行体。
- 创建Thread子类的实例,即创建了线程对象
- 调用线程对象的start()方法来启动该线程
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);
}
}
}
测试类:创建线程对象并启动线程
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);
}
}
}
多线程执行情况分析
注意事项:
-
手动调用run方法不是启动线程的方式,只是普通方法调用。
-
start方法启动线程后,run方法会由JVM调用执行。
-
不要重复启动同一个线程,否则抛出异常
IllegalThreadStateException
-
不要使用Junit单元测试多线程,不支持,主线程结束后会调用
System.exit()
直接退出JVM;
2.2 实现Runnable接口
Java有单继承的限制,当我们无法继承Thread类时,那么该如何做呢?在核心类库中提供了Runnable接口,我们可以实现Runnable接口,重写run()方法,然后再通过Thread类的对象代理启动和执行我们的线程体run()方法。
通过实现Runnable接口创建线程并启动的步骤:
- 定义Runnable接口的实现类,并重写该接口的run()方法,该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。
- 创建Runnable实现类的实例,并以此实例作为Thread的target来创建Thread对象,该Thread对象才是真正的线程对象。
- 调用线程对象的start()方法来启动线程。
自定义线程任务类:
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:创建线程对象并启动线程
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
//创建自定义类对象 线程任务对象
MyRunnable mr = new MyRunnable();
//创建线程对象
Thread t = new Thread(mr, "小强");
t.start();
for (int i = 0; i < 20; i++) {
System.out.println("旺财 " + i);
}
}
}
2.3 两种创建线程方式比较
-
Thread类本身也是实现了Runnable接口的,run方法都来自Runnable接口,run方法也是真正要执行的线程任务。
public class Thread implements Runnable {}
-
因为Java类是单继承的,所以继承Thread的方式有单继承的局限性,但是使用上更简单一些。
-
实现Runnable接口的方式,避免了单继承的局限性,并且可以使多个线程对象共享一个Runnable实现类(线程任务类)对象,从而方便在多线程任务执行时共享数据。
2.4 匿名内部类对象创建线程
匿名内部类对象的方式创建线程,并不是一种新的创建线程的方式,只是在线程任务只需执行一次的情况下,我们无需单独创建线程类,可以采用匿名对象的方式:
new Thread("新的线程!"){
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(getName()+":正在执行!"+i);
}
}
}.start();
new Thread(new Runnable(){
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":" + i);
}
}
}).start();
java中有规定,如果实现的接口本身没有抛异常,那么实现类是不能抛的。
3. Thread类
3.1 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。
3.2 线程使用基础方法
-
public void run() :此线程要执行的任务在此处定义代码。
-
public String getName() :获取当前线程名称。
-
public static Thread currentThread() :返回对当前正在执行的线程对象的引用。
-
public final boolean isAlive():测试线程是否处于活动状态。如果线程已经启动且尚未终止,则为活动状态。
-
public final int getPriority() :返回线程优先级
-
public final void setPriority(int newPriority) :改变线程的优先级
- 每个线程都有一定的优先级,优先级高的线程将获得较多的执行机会。每个线程默认的优先级都与创建它的父线程具有相同的优先级。Thread类提供了setPriority(int newPriority)和getPriority()方法类设置和获取线程的优先级,其中setPriority方法需要一个整数,并且范围在[1,10]之间,通常推荐设置Thread类的三个优先级常量:
- MAX_PRIORITY(10):最高优先级
- MIN _PRIORITY (1):最低优先级
- NORM_PRIORITY (5):普通优先级,默认情况下main线程具有普通优先级。
public static void main(String[] args) {
Thread t = new Thread(){
public void run(){
System.out.println(getName() + "的优先级:" + getPriority());
}
};
t.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
t.start();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"的优先级:" + Thread.currentThread().getPriority());
}
3.3 线程控制常用方法
-
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 static void sleep(long millis) :线程睡眠,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 void yield():线程礼让,yield只是让当前线程暂时失去执行权,让系统的线程调度器重新调度一次,希望优先级与当前线程相同或更高的其他线程能够获得执行机会,但是这个不能保证,完全有可能的情况是,当某个线程调用了yield方法暂停之后,线程调度器又将其调度出来重新执行。
-
void join() :加入线程,当前线程中加入一个新线程,等待加入的线程终止后再继续执行当前线程。
void join(long millis) :等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒。如果millis时间到,将不再等待。
void join(long millis, int nanos) :等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒 + nanos 纳秒。
-
public final void stop():强迫线程停止执行。 该方法具有不安全性,已被弃用,最好不要使用。
调用 stop() 方法会立刻停止 run() 方法中剩余的全部工作,包括在 catch 或 finally 语句中的,并抛出ThreadDeath异常(通常情况下此异常不需要显示的捕获),因此可能会导致一些清理性的工作的得不到完成,如文件,数据库等的关闭。
调用 stop() 方法会立即释放该线程所持有的所有的锁,导致数据得不到同步,出现数据不一致的问题。
-
public void interrupt():中断线程,实际上是给线程打上一个中断的标记,并不会真正使线程停止执行。
-
public boolean isInterrupted():检查线程是否中断,实际上检查线程是否有中断标记,如果有自己编写代码使此线程停止。
-
public void setDaemon(boolean on):将线程设置为守护线程或用户线程。必须在线程启动之前设置,否则会报
IllegalThreadStateException
异常。- 守护线程,主要为其他线程服务,当程序中没有非守护线程执行时,守护线程也将终止执行。JVM垃圾回收器也是守护线程。
-
public boolean isDaemon():检查当前线程是否为守护线程。
代码:倒计时
public static void main(String[] args) {
for (int i = 10; i>=0; i--) {
System.out.println(i);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("新年快乐!");
}
守护线程
public class TestThread {
public static void main(String[] args) {
MyDaemon m = new MyDaemon();
m.setDaemon(true);
m.start();
for (int i = 1; i <= 100; i++) {
System.out.println("main:" + i);
}
}
}
class MyDaemon extends Thread {
public void run() {
while (true) {
System.out.println("我一直守护者你...");
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
4.线程的生命周期
4.1 传统线程模型的五种线程状态
传统线程模型中把线程的生命周期描述为五种状态:新建(New)、就绪(Runnable)、运行(Running)、阻塞(Blocked)、死亡(Dead)。CPU需要在多条线程之间切换,于是线程状态会多次在运行、阻塞、就绪之间切换。
1. 新建
当一个Thread类或其子类的对象被声明并创建时,新生的线程对象处于新建状。此时它和其他Java对象一样,仅仅由JVM为其分配了内存,并初始化了实例变量的值。此时的线程对象并没有任何线程的动态特征,程序也不会执行它的线程体run()。
2. 就绪
但是当线程对象调用了start()方法之后,线程就从新建状态转为就绪状态。这时线程并未执行,只是具备了运行的条件,还需要获取CPU资源后才能执行。
3. 运行
如果处于就绪状态的线程获得了CPU资源,开始执行run()方法的线程体代码,则该线程处于运行状态。如果计算机只有一个CPU,在任何时刻只有一个线程处于运行状态,如果计算机有多个处理器,将会有多个线程并行(Parallel)执行。
当然,美好的时光总是短暂的,而且CPU讲究雨露均沾。对于抢占式策略的系统而言,系统会给每个可执行的线程一个小时间段来处理任务,当该时间用完,系统会剥夺该线程所占用的资源,让其回到就绪状态等待下一次被调度。此时其他线程将获得执行机会,而在选择下一个线程时,系统会适当考虑线程的优先级。
4. 阻塞
当在运行过程中的线程遇到某些特殊情况时,线程会临时放弃CPU资源,不再执行,即进入阻塞状态。比如:线程调用了sleep()方法,会主动放弃所占用的CPU资源。
5. 死亡
线程完成任务结束或意外终止后,线程就处于死亡状态。
4.2 JDK定义的六种线程状态(了解)
在java.lang.Thread
类内部定义了一个枚举类用来描述线程的六种状态:
public enum State {
NEW,
RUNNABLE,
BLOCKED,
WAITING,
TIMED_WAITING,
TERMINATED;
}
跟传统线程模型中的线程状态不同的是:
-
枚举类中没有区分
就绪
和运行
状态,而是定义成了一种状态Runnable
。- 因为对于Java对象来说,只能标记为可运行,至于什么时候运行,不是JVM来控制的了,是OS来进行调度的,而且时间非常短暂,因此对于Java对象的状态来说,无法区分。只能我们人为的进行想象和理解。
-
传统模型中的阻塞状态在枚举类的定义中又细分为了三种状态的:
BLOCKED
、WAITING
、TIMED_WAITING
。-
BLOCKED
:是指互有竞争关系的几个线程,其中一个线程占有锁对象时,其他线程只能等待锁。只有获得锁对象的线程才能有执行机会。 -
TIMED_WAITING
:当前线程执行过程中遇到Thread类的sleep或join,Object类的wait,LockSupport类的park方法,并且在调用这些方法时,设置了时间,那么当前线程会进入TIMED_WAITING,直到时间到,或被中断。 -
WAITING
:当前线程执行过程中遇到遇到Object类的wait,Thread类的join,LockSupport类的park方法,并且在调用这些方法时,没有指定时间,那么当前线程会进入WAITING状态,直到被唤醒。-
通过Object类的wait进入
WAITING
状态的要有Object的notify/notifyAll唤醒; -
通过Condition的await进入
WAITING
状态的要有Conditon的signal方法唤醒; -
通过LockSupport类的park方法进入
WAITING
状态的要有LockSupport类的unpark方法唤醒 -
通过Thread类的join进入
WAITING
状态,只有调用join方法的线程对象结束才能让当前线程恢复;
-
说明:当从
WAITING
或TIMED_WAITING
恢复到Runnable
状态时,如果发现当前线程没有得到监视器锁,那么会立刻转入BLOCKED
状态。 -
5 线程安全
当我们使用多个线程访问同一资源(可以是同一个变量、同一个文件、同一条记录等)的时候,但是如果多个线程中对资源有读和写的操作,就会出现前后数据不一致问题,这就是线程安全问题。
案例:三个窗口售卖共100张火车票。
5.1 线程安全问题引出
5.1.1 局部变量不能共享
public class SaleTicketDemo1 {
public static void main(String[] args) {
Window w1 = new Window();
Window w2 = new Window();
Window w3 = new Window();
w1.start();
w2.start();
w3.start();
}
}
class Window extends Thread{
public void run(){
// 局部变量
int total = 100;
while(total>0) {
System.out.println(getName() + "卖出一张票,剩余:" + --total);
}
}
}
结果:发现卖出300张票。
问题:局部变量是每次调用方法都是独立的,那么每个线程的run()的total是独立的,不是共享数据。
5.1.2 不同对象的实例变量不共享
public class SaleTicketDemo2 {
public static void main(String[] args) {
TicketSaleThread t1 = new TicketSaleThread();
TicketSaleThread t2 = new TicketSaleThread();
TicketSaleThread t3 = new TicketSaleThread();
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
class TicketSaleThread extends Thread{
// 实例变量
private int total = 10;
public void run(){
while(total>0) {
System.out.println(getName() + "卖出一张票,剩余:" + --total);
}
}
}
结果:发现卖出300张票。
问题:不同的实例对象的实例变量是独立的。
5.1.3 静态变量是共享的
public class SaleTicketDemo3 {
public static void main(String[] args) {
TicketThread t1 = new TicketThread();
TicketThread t2 = new TicketThread();
TicketThread t3 = new TicketThread();
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
class TicketThread extends Thread{
private static int total = 10;
public void run(){
while(total>0) {
try {
Thread.sleep(10);//加入这个,使得问题暴露的更明显
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(getName() + "卖出一张票,剩余:" + --total);
}
}
}
结果:发现卖出近100张票。
问题(1):但是有重复票或负数票问题。
原因:线程安全问题
问题(2):如果要考虑有两场电影,各卖100张票,这场卖完就没票了,新的线程对象也没有票卖了
原因:TicketThread类的静态变量,是所有TicketThread类的对象共享。本来成员变量就是run方法共享的数据,再用static不合适。
5.1.4 同一个对象的实例变量共享
public class SaleTicketDemo3 {
public static void main(String[] args) {
TicketSaleRunnable tr = new TicketSaleRunnable();
Thread t1 = new Thread(tr,"窗口一");
Thread t2 = new Thread(tr,"窗口一");
Thread t3 = new Thread(tr,"窗口一");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
class TicketSaleRunnable implements Runnable{
private int total = 10;
public void run(){
while(total>0) {
try {
Thread.sleep(10);//加入这个,使得问题暴露的更明显
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票,剩余:" + --total);
}
}
}
结果:发现卖出近100张票。
问题:但是有重复票或负数票问题。
原因:线程安全问题
5.2 原因分析
总结:线程安全问题的出现因为具备了以下条件
- 多线程执行
- 共享数据
- 多条语句操作共享数据
5.3 线程安全问题解决方式
上述线程安全问题的必备条件1和2是我们需要的,要解决只能从第三个点上想办法。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中提供了线程同步机制来解决。
同步即一步一步完成操作,第一步未完成不能进行下一步,相当单线程执行任务;
异步即几步操作可以互不干扰的执行,你做你的事,我做我的事,相当于多线程执行任务。
多线程中的同步机制,可以理解为把有线程安全问题代码,变成同步执行的代码,或者看成一个不能拆分的整体,一个线程执行完这整块代码后,下一个线程才能再来执行
Java中常使用关键字synchronized 来实现同步机制:
同步方法:synchronized 关键字直接修饰方法,表示同一时刻只有一个线程能进入这个方法,其他线程在外面等着。
public synchronized void method(){
可能会产生线程安全问题的代码
}
同步代码块:synchronized 关键字可以用于某个区块前面,表示只对这个区块的资源实行互斥访问。
格式:
synchronized(同步锁){
需要同步操作的代码
}
5.4 锁对象选择
同步锁对象:
- 锁对象可以是任意类型。
- 多个线程对象 要使用同一把锁。
5.4.1 同步方法的锁对象问题
(1)静态方法:当前类的Class对象
(2)非静态方法:this
最后
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