多线程——多线程的运行轨迹，线程的生命周期，线程的常用方法，线程的安全问题，死锁，线程间的通信

1 多线程的运行轨迹

由于线程一旦开始执行，很难通过其他方式控制线程的轨迹，多个线程抢占CPU导致线程的运行轨迹不确定。

我们可以通过一个案例来了解线程的运行轨迹。

案例：火车站卖票

窗口A卖出一张票，还剩4张票
窗口B卖出一张票，还剩3张票
窗口B卖出一张票，还剩0张票
窗口C卖出一张票，还剩1张票
窗口A卖出一张票，还剩2张票

窗口A抢占到CPU，执行run，count=5
public void run() {
        // 模拟一个窗口5个人
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            if (count > 0) {
                count--;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出一张票，还剩" + count + "张票");
            }
        }
    }

窗口B抢占到CPU，count=4，执行run
public void run() {
        // 模拟一个窗口5个人
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            if (count > 0) {
                count--;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出一张票，还剩" + count + "张票");
            }
        }
    }

窗口A到抢占CPU，count=3，执行run
public void run() {
        // 模拟一个窗口5个人
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            if (count > 0) {
                count--; => count=2 
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出一张票，还剩" + count + "张票");//窗口A在此挂起。count=>2准备输出的字符串:窗口A卖出一张票，还剩2张 8             }
        }
    }

窗口C到抢占CPU，count=2，执行run
public void run() {
        // 模拟一个窗口5个人
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            if (count > 0) {
                count--; => count=1
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出一张票，还剩" + count + "张票");//窗口C挂起，count=1准备输出的字符串:窗口C卖出一张票，还剩1张 8             }
        }
    }

窗口B抢占CPU，count=1，从上次挂起的位置开始执行run
public void run() {
        // 模拟一个窗口5个人
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            if (count > 0) {
                count--;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出一张票，还剩" + count + "张票"); => count=0 //窗口B挂起，count=0
            }
        }
    }

窗口C抢占到CPU，count=0，从上次挂起位置开始执行run
public void run() {
        // 模拟一个窗口5个人
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            if (count > 0) {
                count--; => count=1
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出一张票，还剩" + count + "张票"); //窗口C从此次开始执行，count=1（挂起时）
            }
        }
    }

窗口A抢占到CPU，count=0，从上次挂起的位置开始执行run
public void run() {
        // 模拟一个窗口5个人
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            if (count > 0) {
                count--; => count=2 
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出一张票，还剩" + count + "张票"); //窗口A在此继续执行。count=>2(挂起时)
            }
        }
    }

卖票案例

 

继承Thread和实现Runnable接口实现多线程的优缺点

[1] 继承Thread的线程类不能再继承其他类，实现Runnable接口的类还可以继承其他类。

[2] 实现Runnable接口的线程类，可以让多个线程共享线程实现类的资源。

 

总结:

多线程提高了cpu利用率，但程序的复杂度也随之增加。一旦线程开始执行，很难通过其他方式控制线程的轨迹。

多个线程抢占CPU导致线程的运行轨迹不确定。

 

结论

[1]多线程抢占CPU执行，可能在任意位置被切换出去(挂起)。

[2]多线程抢占到CPU后，从上次挂起的位置开始执行(先恢复上次的执行堆栈)。

[3]多线程都可以独立运行，相互不干扰，多个线程都可以能访问共享资源，很容易导致数据错乱！！！

2 线程的生命周期

 

新生状态

 

用new关键字建立一个线程后，该线程对象就处于新生状态。

 

处于新生状态的线程有自己的内存空间，通过调用start()方法进入就绪状态。

 

 

 

就绪状态

 

处于就绪状态线程具备了运行条件，但还没分配到CPU，处于线程就绪队列，等待系统为其分配CPU。

 

当系统选定一个等待执行的线程后，它就会从就绪状态进入执行状态，该动作称为“CPU调度”。

 

运行状态

 

在运行状态的线程执行自己的run方法中代码,直到等待某资源而阻塞或完成任何而死亡。

 

如果在给定的时间片内没有执行结束，就会被系统给换下来回到等待执行状态。

 

阻塞状态

 

处于运行状态的线程在某些情况下，如执行了sleep(睡眠)方法，或等待I/O设备等资源，将让出CPU并暂时停止自己运行，进入阻塞状态。

 

在阻塞状态的线程不能进入就绪队列。只有当引起阻塞的原因消除时，如睡眠时间已到，或等待的I/O设备空闲下来，线程便转入就绪状态，重新到就绪队列中排队等待，被系统选中后从原来停止的位置开始继续执行。

 

死亡状态

 

死亡状态是线程生命周期中的最后一个阶段。线程死亡的原因有三个，一个是正常运行

 

的线程完成了它的全部工作；另一个是线程被强制性地终止，如通过stop方法来终止一个线程【不推荐使用】，推荐使用interrupt；三是线程抛出未捕获的异常。

可以用下图表示

 

 

3 线程的常用方法

【1】 线程优先级

 

public static void main(String[] args) {
        
        System.out.println(Thread.MIN_PRIORITY);
        System.out.println(Thread.MAX_PRIORITY);
        System.out.println(Thread.NORM_PRIORITY);
        
        //主线程的优先级（默认优先级）
        System.out.println(Thread.currentThread().getPriority());
        
        
        Thread01 t1 = new Thread01();
        // 设置线程的优先级
        t1.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
        t1.start();
        
        
        Thread01 t2 = new Thread01();
        // 设置线程的优先级
        t2.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
        t2.start();
        
        
    }

 

线程优先级高，被cpu调度的概率大，不表示一定先运行。

 

【2】isAlive

 

判断线程是否处于活动状态。

 

        Thread01 t1 = new Thread01();
        System.out.println(t1.isAlive());
        // 设置线程的优先级
        t1.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
        t1.start();
        System.out.println(t1.isAlive());

 

线程调用start之后就处于活动状态。

 

 

【3】join

 

调用该方法的线程强制执行，其它线程处于阻塞状态，该线程执行完毕后，其它线程再执行

 

join称为线程的强制执行，有可能被外界中断产生InterruptedException 中断异常。

 

(中断异常)

 

public class Test02 {
    public static void main(String[] args){
        
        Thread02 t = new Thread02("线程A");
        t.start();
        
        for (int i = 0; i < 5; i++) {    
            if(i == 2) {
                try {
                    t.join();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "->" + i);
        }
    }
}

 

 

 

 

【4】sleep

 

在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠（暂停执行）。休眠的线程进入阻塞状态。

 

public static void main(String[] args) {
        
        Thread03 t = new Thread03("线程A");
        t.start();
        
        Thread mainThread = Thread.currentThread();
        System.out.println(mainThread.getName()+"即将进入休眠");
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        // 中断线程
        t.interrupt();
        
        System.out.println(mainThread.getName()+"休眠完成");
    }

 

 

 

 

【5】yield

public static void main(String[] args) {

        Thread mainThread = Thread.currentThread();

        Thread04 t = new Thread04("线程A");
        t.start();

        
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            if (i == 2) {
                // yield 使当前礼让一次
//回到就绪状态，cpu再次从就绪列表里调度，可能会再次调度到，原来礼让的线程
                Thread.yield();
            }
            System.out.println(mainThread.getName() + "->" + i);
        }
    }

A hint to the scheduler that the current thread is willing to yield its current use of a processor. The scheduler is free to ignore this hint.

 

当前线程给cpu调度器一个暗示，暗示其想礼让一次其拥有的cpu，CPU调度者也可以忽略这次暗示。此时当前线程进入就绪状态。

[6] 线程的终止

目前而言，不推荐使用stop直接终止线程。用interrupt()方法去中断正在执行的线程，而在线程内部一定要写捕获中断的异常。通过异常处理机制正常结束线程。

 

4 线程的安全问题(线程同步)

 

线程在执行过程中，通过cpu的调度，执行轨迹不确定，对共享资源的访问很容易造成数据的错误。我们称这个错乱称为线程安全问题。

 

 

 

4.1 同步概念

 

原子性操作:一个操作要么一次性做完，要么根本不开始，不存在中间状态。

 

案例:ATM取现操作

 

 

 

同步就是让操作保持原子性！java提供两种方式实现同步。

 

4.2 同步代码块

 

把所有的同步操作放到同步代码块中，

 

 

synchronized (mutex) {
   // .. .
}

 

mutex 称为互斥锁/同步锁。对共享资源进行加锁实现同步。一般用共享资源作为同步锁，也称同步监视器。

 

public class MyRun implements Runnable {
    
    // 共享资源（为int类型时，不可以作为同步监视器，此时用this））
    private int count = 5;

    @Override
    public void run() {
        // 模拟一个窗口5个人
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            // 同步代码块
            // mutex 互斥锁
            synchronized (this) {
                if (count > 0) {
                    
                    try {
                        Thread.sleep(3000);
                        count--;
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出一张票，还剩" + count + "张票");
                }
            }
        }
    }
}

 

总结

synchronized(obj){}中的obj称为同步监视器

同步代码块中同步监视器可以是任何对象，但是推荐使用共享资源作为同步监视器

 

4.3 同步方法

 

如果同步代码(原子性)很多，可以考虑使用同步方法。

 

把普通方法用 synchronized 修饰，同步方法的同步监视器是this。

 

public class MyRun implements Runnable {
    
    // 共享资源
    private int count = 5;

    @Override
    public void run() {
        // 模拟一个窗口5个人
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            
            this.saleTicket();
            
        }
    }
    
    // 同步方法默认对this加锁
    private synchronized void saleTicket() {
        if (count > 0) {
            
            try {
                Thread.sleep(3000);
                count--;
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出一张票，还剩" + count + "张票");
        }
    }
}

 

5 死锁(C)

线程t1，拥有A资源，再次申请B资源，线程t2,拥有B资源，再申请A资源，t1因为没有申请到B资源而进入阻塞；t2因为没有申请到A资源进入阻塞。此时两个线程都处于阻塞状态而不能正常结束，而此时cpu空转，这种情况称为死锁。

6 线程间通信

 

多进程和多线程是系统执行多任务机制的重要手段，多任务同时进行自然少不了相互之间的通信工作。下面先将线程间的通信方式总结一下，便于大家对比学习。

 

首先来说线程间的通信。因为多个线程是共享进程的空间的，所以线程之间的通信比较简单，主要是利用全局变量的方法。全局变量对进程内的的所有线程都是可见的，所以多个线程可以通过操作全局变量达到相互通信的效果。但是这也存在一个问题，就是“资源”的竞争。

 

这里所说的资源指的就是全局变量，正是因为这种竞争(因为多线程是同时运行的，而我们往往不会去控制线程运行的顺序，不然也不会用多线程了)，导致可一些我们不愿见到的结果，所以我们每个线程对全局变量的操作都希望是原子性的。

 

为了解决这个问题在线程见引入了三种同步互斥机制，分别是信号量，互斥锁，条件变量。

 

　　多线程编程中，如果每个线程之间互相独立，那么将会使多线程带来的优势不能够很好地发挥出来。使用线程间通信，可以使得原先的互相独立的多个线程之间，能够很好地互相协作，使得系统之间的交互性得到提升，大大提高了CPU利用率，从而完成一些复杂的多线程功能模块。

多线程间的通信一般采取等待/通知机制进行实现