Java多线程与线程同步

2018-07-09 13:29:36来源：博客园阅读 ()

六、多线程，线程，同步
①概念：
并行：指两个或多个在时间同一时刻发生（同时发生）
并发：指两个或多个事件在同一时间段内发生

具体概念：
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，每一时刻只能有一道程序执行，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。

notes：
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。

进程与线程：
- 进程：是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有一个独立的内存空间，
一个应用程序可以同时运行多个进程；进程也是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位；
系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。
- 线程：进程内部的一个独立执行单元；一个进程可以同时并发的运行多个线程，
可以理解为一个进程便相当于一个单 CPU 操作系统，而线程便是这个系统中运行的多个任务。

进程与线程区别：
- 进程：有独立的内存空间，进程中的数据存放空间（堆空间和栈空间）是独立的，至少有一个线程。
- 线程：堆空间是共享的，栈空间是独立的，线程消耗的资源比进程小的多。

注意：

1. 因为一个进程中的多个线程是并发运行的，那么从微观角度看也是有先后顺序的，哪个线程执行完全取决于 CPU 的调度，程序员是干涉不了的。而这也就造成的多线程的随机性。
2. Java 程序的进程里面至少包含两个线程，主进程也就是 main()方法线程，另外一个是垃圾回收机制线程。每当使用 java 命令执行一个类时，实际上都会启动一个 JVM，每一个 JVM 实际上就是在操作系统中启动了一个线程，java 本身具备了垃圾的收集机制，所以在 Java 运行时至少会启动两个线程。
3. 由于创建一个线程的开销比创建一个进程的开销小的多，那么我们在开发多任务运行的时候，通常考虑创建多线程，而不是创建多进程。

线程调度:

计算机通常只有一个CPU时,在任意时刻只能执行一条计算机指令,每一个进程只有获得CPU的使用权才能执行指令。所谓多进程并发运行,从宏观上看,其实是各个进程轮流获得CPU的使用权,分别执行各自的任务。那么,在可运行池中,会有多个线程处于就绪状态等到CPU,JVM就负责了线程的调度。JVM采用的是抢占式调度,没有采用分时调度,因此可以能造成多线程执行结果的的随机性。

②创建线程类
java.lang.Thread 类代表线程，所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例，每个线程的作用是完成一定的任务，实际上就是执行一段程序流即一段顺序执行代码。java使用线程执行体来代表这段程序流。java中通过继承Thread类来创建并启动多线程的步骤如下：
1.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。
2.创建Thread子类实例，即创建对象
3,。调用线程对象的start()方法来启动该线程
例子：
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);
}
}
}

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);
}
}
}

③多线程原理
例子：
public class MyThread extends Thread{
/*
* 利用继承中的特点
* 将线程名称传递进行设置
*/
public MyThread(String name){
super(name);
}
/*
* 重写run方法
* 定义线程要执行的代码
*/
public void run(){
for (int i = 0; i < 20; i++) {
//getName()方法来自父亲
System.out.println(getName()+i);
}
}
}

Demo：
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("这里是main线程");
MyThread mt = new MyThread("小强");
mt.start();//开启了一个新的线程
for (int i = 0; i < 20; i++) {
System.out.println("旺财:"+i);
}
}
}
说明：
程序运行main时，java虚拟机启动了一个进程，主线程main和main()调用时被创建。调用随着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。
当执行线程任务结束了，线程自动在栈内存中释放了，当所有执行线程都结束了，那么进程就结束了

④Thread类（java.lang.Thread类）
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。

⑤创建多线程方式二（java.lang.Runnable）
Thread实现了Runnable接口
步骤：
1. 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。
2. 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。
3. 调用线程对象的start()方法来启动线程。

创建方式1和2的区别：
1. 适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。
2. 可以避免java中的单继承的局限性。
3. 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，代码和数据独立。
4. 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。

notes：
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.线程安全
如果有多个线程同时运行，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，
而其他的变量的值也是和预期的是一样的，就是线程安全的，

notes“：
-程序为多线程操作堆区中的共享数据和CPU的随机操作
-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；若由多个线程同时执行写操作时，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.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操作时，就容易出现线程安全问题
-要解决上述问题，并发访问资源的安全性问题，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
解释说明：
模拟窗口同时售票：
当窗口1进入操作时，窗口2和3只能在外等着，窗口1操作结束，窗口1和2和3才有机会进入代码去执行，也就是说在某个线程修改该资源，
等待修改完毕同步之后，才能再去抢夺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。

为了解决此类问题：
java中提供了同步机制
-1同步代码块
synchronized(同步锁){
需要同步的代码
}

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
1.锁对象可以是任意类型
2.多个线程对象要使用同一把锁

notes“：
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，其他线程只能在外等着
-2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

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)
-3锁机制

Lock锁：
java.util.concurrent.locks.Lock机制提供了比synchronized代码块和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。

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

notes：
如果使用Lock锁程序会没有退出因为，最后一个获得锁的线程没有释放锁，
这个时候有两个解决方法：
1.写一个try-finally来释放资源
2.将需要加锁的代码单独写成一个方法，就不需要考虑。

3.线程状态概述
概述：
当线程被创建并启动以后，它既不是已启动就进入执行状态，也不是一直处于执行状态，在线程的声明周期中，java.lang.Thread.State这个枚举给了6种线程形态

线程状态导致状态发生的条件

-NEW(新建) 线程刚被创建，但是并未启动
-Runnable(可运行) 线程可以在java虚拟机中运行的状态，可能正在运行自己代码，也可能没有，这取决于操作系统处理器
-Blocked(锁阻塞) 当一个线程试图获取一个对象锁，而该对象锁被其他的线程持有，则该线程进入Blocked状态；当该线程持有锁时，该线程将变成Runnable状态
-Waiting(无限等待) 一个线程在等待另一个线程执行一个（唤醒）动作时，该线程进入Waiting状态。进入这个状态后不能被自动唤醒，必须等待另一个线程调用notify或者notifyAll方法才能够唤醒
-Timed Waiting(计时等待) 同Waiting状态，有几个方法有时有超时参数，调用他们将进入Timed Waiting状态。这一状态将一直保持到超时期满或者接受到唤醒通知，带有超时参数的常用方法有Thread.sleep,Object.wait
-Teminated(被终止) 因为run方法正常退出而死亡，或者因为没有捕获的异常终止run方法而死亡