java 学习笔记-多线程(十一)

多线程

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基础概念

多线程是Java语言的重要特性,大量应用于网络编程、服务器端程序的开发,最常见的UI界面底层原理、操作系统底层原理都大量使用了多线程。

我们可以流畅的点击软件或者游戏中的各种按钮,其实,底层就是多线程的应用。UI界面的主线程绘制界面,如果有一个耗时的操作发生则启动新的线程,完全不影响主线程的工作。当这个线程工作完毕后,再更新到主界面上。

执行中的程序叫做进程(Process),是一个动态的概念。现代的操作系统都可以同时启动多个进程。比如:我们在用酷狗听音乐,也可以使用eclipse写代码,也可以同时用浏览器查看网页。进程具有如下特点:

  1. 进程是程序的一次动态执行过程, 占用特定的地址空间。

  2. 每个进程由3部分组成:cpu、data、code。每个进程都是独立的,保有自己的cpu时间,代码和数据,即便用同一份程序产生好几个进程,它们之间还是拥有自己的这3样东西,这样的缺点是:浪费内存,cpu的负担较重。

  3. 多任务(Multitasking)操作系统将CPU时间动态地划分给每个进程,操作系统同时执行多个进程,每个进程独立运行。以进程的观点来看,它会以为自己独占CPU的使用权。

线程

一个进程可以产生多个线程。同多个进程可以共享操作系统的某些资源一样,同一进程的多个线程也可以共享此进程的某些资源(比如:代码、数据),所以线程又被称为轻量级进程(lightweight process)。

  1. 一个进程内部的一个执行单元,它是程序中的一个单一的顺序控制流程。

  2. 一个进程可拥有多个并行的(concurrent)线程。

  3. 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间,可以访问相同的变量和对象,而且它们从同一堆中分配对象并进行通信、数据交换和同步操作。

  4. 由于线程间的通信是在同一地址空间上进行的,所以不需要额外的通信机制,这就使得通信更简便而且信息传递的速度也更快。

  5. 线程的启动、中断、消亡,消耗的资源非常少。

线程和进程的区别

  1. 每个进程都有独立的代码和数据空间(进程上下文),进程间的切换会有较大的开销。

  2. 线程可以看成是轻量级的进程,属于同一进程的线程共享代码和数据空间,每个线程有独立的运行栈和程序计数器(PC),线程切换的开销小。

  3. 线程和进程最根本的区别在于:进程是资源分配的单位,线程是调度和执行的单位。

  4. 多进程: 在操作系统中能同时运行多个任务(程序)。

  5. 多线程: 在同一应用程序中有多个顺序流同时执行。

  6. 线程是进程的一部分,所以线程有的时候被称为轻量级进程。

  7. 一个没有线程的进程是可以被看作单线程的,如果一个进程内拥有多个线程,进程的执行过程不是一条线(线程)的,而是多条线(线程)共同完成的。

  8. 系统在运行的时候会为每个进程分配不同的内存区域,但是不会为线程分配内存(线程所使用的资源是它所属的进程的资源),线程组只能共享资源。那就是说,除了CPU之外(线程在运行的时候要占用CPU资源),计算机内部的软硬件资源的分配与线程无关,线程只能共享它所属进程的资源。

进程与程序的区别

程序是一组指令的集合,它是静态的实体,没有执行的含义。而进程是一个动态的实体,有自己的生命周期。一般说来,一个进程肯定与一个程序相对应,并且只有一个,但是一个程序可以有多个进程,或者一个进程都没有。除此之外,进程还有并发性和交往性。简单地说,进程是程序的一部分,程序运行的时候会产生进程。

通过继承Thread类实现多线程

继承Thread类实现多线程的步骤:

  1. 在Java中负责实现线程功能的类是java.lang.Thread 类。

  2. 可以通过创建 Thread的实例来创建新的线程。

  3. 每个线程都是通过某个特定的Thread对象所对应的方法run( )来完成其操作的,方法run( )称为线程体。

  4. 通过调用Thread类的start()方法来启动一个线程。

/**
 * Copyright (C), 2015-2019, 中信银行有限公司
 * FileName: TestThread
 * Author:   willem
 * Date:     2019-05-16 14:45
 * Description: 通过继承thread类实现多线程
 * History:
 * <author>          <time>          <version>          <desc>
 * 作者姓名           修改时间           版本号              描述
 */
package com.citic.java.thread;

/**
 * 〈一句话功能简述〉<br> 
 * 〈通过继承thread类实现多线程〉
 *
 * @author willem
 * @create 2019-05-16
 * @since 1.0.0
 */
public class TestThread extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        TestThread th = new TestThread();
        th.start();

        TestThread th1 = new TestThread();
        th1.start();
    }

}


通过实现Runnable接口实现多线程

在开发中,我们应用更多的是通过Runnable接口实现多线程。这种方式克服了11.2.1节中实现线程类的缺点,即在实现Runnable接口的同时还可以继承某个类。所以实现Runnable接口的方式要通用一些。

线程状态

一个线程对象在它的生命周期内,需要经历5个状态。

▪ 新生状态(New)

用new关键字建立一个线程对象后,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(Runnable)

处于就绪状态的线程已经具备了运行条件,但是还没有被分配到CPU,处于“线程就绪队列”,等待系统为其分配CPU。就绪状态并不是执行状态,当系统选定一个等待执行的Thread对象后,它就会进入执行状态。一旦获得CPU,线程就进入运行状态并自动调用自己的run方法。有4中原因会导致线程进入就绪状态:

  1. 新建线程:调用start()方法,进入就绪状态;

  2. 阻塞线程:阻塞解除,进入就绪状态;

  3. 运行线程:调用yield()方法,直接进入就绪状态;

  4. 运行线程:JVM将CPU资源从本线程切换到其他线程。

▪ 运行状态(Running)

在运行状态的线程执行自己run方法中的代码,直到调用其他方法而终止或等待某资源而阻塞或完成任务而死亡。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就绪状态。也可能由于某些“导致阻塞的事件”而进入阻塞状态。

▪ 阻塞状态(Blocked)

阻塞指的是暂停一个线程的执行以等待某个条件发生(如某资源就绪)。有4种原因会导致阻塞:

  1. 执行sleep(int millsecond)方法,使当前线程休眠,进入阻塞状态。当指定的时间到了后,线程进入就绪状态。

  2. 执行wait()方法,使当前线程进入阻塞状态。当使用nofity()方法唤醒这个线程后,它进入就绪状态。

  3. 线程运行时,某个操作进入阻塞状态,比如执行IO流操作(read()/write()方法本身就是阻塞的方法)。只有当引起该操作阻塞的原因消失后,线程进入就绪状态。

  4. join()线程联合: 当某个线程等待另一个线程执行结束后,才能继续执行时,使用join()方法。

▪ 死亡状态(Terminated)

死亡状态是线程生命周期中的最后一个阶段。线程死亡的原因有两个。一个是正常运行的线程完成了它run()方法内的全部工作; 另一个是线程被强制终止,如通过执行stop()或destroy()方法来终止一个线程(注:stop()/destroy()方法已经被JDK废弃,不推荐使用)。

当一个线程进入死亡状态以后,就不能再回到其它状态了。

线程终止的典型方式

终止线程我们一般不使用JDK提供的stop()/destroy()方法(它们本身也被JDK废弃了)。通常的做法是提供一个boolean型的终止变量,当这个变量置为false,则终止线程的运行。

【示例11-3】终止线程的典型方法(重要)

/**
 * Copyright (C), 2015-2019, 中信银行有限公司
 * FileName: TestThreadCiycle
 * Author:   willem
 * Date:     2019-05-16 15:34
 * Description: 终止线程的典型方法(重要)
 * History:
 * <author>          <time>          <version>          <desc>
 * 作者姓名           修改时间           版本号              描述
 */
package com.citic.java.thread;

/**
 * 〈一句话功能简述〉<br> 
 * 〈终止线程的典型方法(重要)〉
 *
 * @author willem
 * @create 2019-05-16
 * @since 1.0.0
 */
public class TestThreadCiycle implements Runnable {
    String name;
    //标记线程是否终止
    boolean live = true;
    @Override
    public void run() {
        int i = 0;
        while(live){
            System.out.println(name+(i++));
        }
    }
    public void terminate(){
        live = false;
    }

    public static void main(String[] args) {
        TestThreadCiycle ttc = new TestThreadCiycle();
        Thread thread = new Thread(ttc);
        thread.start();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("主线程"+i);
        }
        ttc.terminate();
        System.out.println("tcc stop");
    }
}

暂停线程执行sleep/yield

暂停线程执行常用的方法有sleep()和yield()方法,这两个方法的区别是:

  1. sleep()方法:可以让正在运行的线程进入阻塞状态,直到休眠时间满了,进入就绪状态。

  2. yield()方法:可以让正在运行的线程直接进入就绪状态,让出CPU的使用权。

线程的联合join()

线程A在运行期间,可以调用线程B的join()方法,让线程B和线程A联合。这样,线程A就必须等待线程B执行完毕后,才能继续执行。如下面示例中,“爸爸线程”要抽烟,于是联合了“儿子线程”去买烟,必须等待“儿子线程”买烟完毕,“爸爸线程”才能继续抽烟。

获取线程基本信息的方法

线程的优先级

  1. 处于就绪状态的线程,会进入“就绪队列”等待JVM来挑选。

  2. 线程的优先级用数字表示,范围从1到10,一个线程的缺省优先级是 5。

  3. 使用下列方法获得或设置线程对象的优先级。

    int getPriority();

    void setPriority(int newPriority);

注意:优先级低只是意味着获得调度的概率低。并不是绝对先调用优先级高的线程后调用优先级低的线程。

线程同步的概念

处理多线程问题时,多个线程访问同一个对象,并且某些线程还想修改这个对象。 这时候,我们就需要用到“线程同步”。 线程同步其实就是一种等待机制,多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列,等待前面的线程使用完毕后,下一个线程再使用。

实现线程同步

由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间,在带来方便的同时,也带来了访问冲突的问题。Java语言提供了专门机制以解决这种冲突,有效避免了同一个数据对象被多个线程同时访问造成的这种问题。

由于我们可以通过 private 关键字来保证数据对象只能被方法访问,所以我们只需针对方法提出一套机制,这套机制就是synchronized关键字,它包括两种用法:synchronized 方法和 synchronized 块。

▪ synchronized 方法

通过在方法声明中加入 synchronized关键字来声明,语法如下:

public  synchronized  void accessVal(int newVal);

synchronized 方法控制对“对象的类成员变量”的访问:每个对象对应一把锁,每个 synchronized 方法都必须获得调用该方法的对象的锁方能执行,否则所属线程阻塞,方法一旦执行,就独占该锁,直到从该方法返回时才将锁释放,此后被阻塞的线程方能获得该锁,重新进入可执行状态。

▪ synchronized块

synchronized 方法的缺陷:若将一个大的方法声明为synchronized 将会大大影响效率。

Java 为我们提供了更好的解决办法,那就是 synchronized 块。 块可以让我们精确地控制到具体的“成员变量”,缩小同步的范围,提高效率。

synchronized 块:通过 synchronized关键字来声明synchronized 块,语法如下:

synchronized(syncObject)
   { 
   //允许访问控制的代码 
   }

死锁的概念

“死锁”指的是:

多个线程各自占有一些共享资源,并且互相等待其他线程占有的资源才能进行,而导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源,都停止执行的情形。

因此, 某一个同步块需要同时拥有“两个以上对象的锁”时,就可能会发生“死锁”的问题。下面案例中,“化妆线程”需要同时拥有“镜子对象”、“口红对象”才能运行同步块。那么,实际运行时,“小丫的化妆线程”拥有了“镜子对象”,“大丫的化妆线程”拥有了“口红对象”,都在互相等待对方释放资源,才能化妆。这样,两个线程就形成了互相等待,无法继续运行的“死锁状态”。

死锁的解决方法

死锁是由于“同步块需要同时持有多个对象锁造成”的,要解决这个问题,思路很简单,就是:同一个代码块,不要同时持有两个对象锁。

线程并发协作(生产者/消费者模式)

多线程环境下,我们经常需要多个线程的并发和协作。这个时候,就需要了解一个重要的多线程并发协作模型“生产者/消费者模式”。

Ø 什么是生产者?

生产者指的是负责生产数据的模块(这里模块可能是:方法、对象、线程、进程)。

Ø 什么是消费者?

消费者指的是负责处理数据的模块(这里模块可能是:方法、对象、线程、进程)。

Ø 什么是缓冲区?

消费者不能直接使用生产者的数据,它们之间有个“缓冲区”。生产者将生产好的数据放入“缓冲区”,消费者从“缓冲区”拿要处理的数据。

缓冲区是实现并发的核心,缓冲区的设置有3个好处:

Ø 实现线程的并发协作

有了缓冲区以后,生产者线程只需要往缓冲区里面放置数据,而不需要管消费者消费的情况;同样,消费者只需要从缓冲区拿数据处理即可,也不需要管生产者生产的情况。 这样,就从逻辑上实现了“生产者线程”和“消费者线程”的分离。

Ø 解耦了生产者和消费者

生产者不需要和消费者直接打交道。

Ø 解决忙闲不均,提高效率

生产者生产数据慢时,缓冲区仍有数据,不影响消费者消费;消费者处理数据慢时,生产者仍然可以继续往缓冲区里面放置数据 。

线程并发协作总结:

线程并发协作(也叫线程通信),通常用于生产者/消费者模式,情景如下:

  1. 生产者和消费者共享同一个资源,并且生产者和消费者之间相互依赖,互为条件。

  2. 对于生产者,没有生产产品之前,消费者要进入等待状态。而生产了产品之后,又需要马上通知消费者消费。

  3. 对于消费者,在消费之后,要通知生产者已经消费结束,需要继续生产新产品以供消费。

  4. 在生产者消费者问题中,仅有synchronized是不够的。

· synchronized可阻止并发更新同一个共享资源,实现了同步;

· synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递(通信)。

  1. 那线程是通过哪些方法来进行消息传递(通信)的呢?见如下总结:

6.以上方法均是java.lang.Object类的方法;

都只能在同步方法或者同步代码块中使用,否则会抛出异常。

任务调度

通过Timer和Timetask,我们可以实现定时启动某个线程。

  • java.util.Timer

在这种实现方式中,Timer类作用是类似闹钟的功能,也就是定时或者每隔一定时间触发一次线程。其实,Timer类本身实现的就是一个线程,只是这个线程是用来实现调用其它线程的。

  • java.util.TimerTask

TimerTask类是一个抽象类,该类实现了Runnable接口,所以该类具备多线程的能力。

在这种实现方式中,通过继承TimerTask使该类获得多线程的能力,将需要多线程执行的代码书写在run方法内部,然后通过Timer类启动线程的执行。

总结:

  1. 程序:Java源程序和字节码文件被称为“程序(Program)”,是一个静态的概念。

  2. 进程:执行中的程序叫做进程(Process),是一个动态的概念。每个进程由3部分组成:cpu、data、code。

  3. 线程:是进程中一个“单一的连续控制流程 (a single sequential flow of control)”。

  4. 在Java中实现多线程的方式:

    ▪ 继承Thread类实现多线程

    ▪ 实现Runnable接口实现多线程

  5. 线程的状态:

    ▪ 新生状态

    ▪ 就绪状态

    ▪ 运行状态

    ▪ 死亡状态

    ▪ 阻塞状态

  6. 暂停线程执行的方法:

    ▪ sleep()

    ▪ yield()

    ▪ join()

  7. 实现线程同步的两种方式:

    ▪ synchronized 方法 :

public synchronized void accessVal(int newVal);
▪ synchronized 块:

synchronized(syncObject)
{
//允许访问控制的代码
}
8. 同步解决问题的另一种典型方式:生产者/消费者模式。

  1. 线程通信的方法:

    ▪ wait()

    ▪ notify()

    ▪ notifyAll()

    都是Object类的方法,只能在同步方法和同步代码块中使用。

posted @ 2019-05-29 09:03  苏木力格  阅读(134)  评论(0编辑  收藏  举报