Java学习笔记08-多线程
一、程序、进程、线程
- 程序(program):是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合,即指一段静态的代码,静态对象。
- 进程(process):是程序的一次执行过程,是正在运行的一个程序。
- 是一个动态的过程,有自身的产生、存在和消亡的过程——即生命周期。
- 程序是静态的,进程是动态的。
- 进程是资源分配的单位,系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域。
- 线程(thread):进程可进一步细化为线程,是一个程序内部的一条执行路径。
- 若一个进程同一时间并行执行多个线程,就是支持多线程的。
- 线程是调度和执行的单位,每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器(pc),线程切换开销小。
- 一个进程的多个线程共享进程的堆和方法区,每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈,这些线程从同一堆中分配对象,可以访问相同的变量和对象。
- 多个线程操作共享的系统资源可能会带来安全的隐患。
一个Java程序java.exe,至少有三个线程:main()主线程、gc()垃圾回收线程、异常处理线程。
JVM结构:
- 方法区(Method Area):存储类结构信息,包括常量池、静态变量、构造函数等。JVM规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但它有个别名non-heap(非堆)。方法区还包含运行时常量池
- 堆(Heap):存储Java实例或者对象,是GC的主要区域。
- 虚拟机栈(VM Stack,Stack,Java Stack):即Java栈,每当创建一个线程时,JVM就会为这个线程创建一个其私有的Java栈。在这个栈中包含多个栈帧,每运行一个方法就创建一个栈帧,用于存储局部变量表、操作栈、方法返回值等。每一个方法从调用直至执行完成的过程,就对应一个栈帧在Java栈中入栈到出栈的过程。
- 程序计数器(PC Register):保存当前线程执行的内存地址。由于JVM程序是多线程执行的(线程轮流切换),所以为了保证线程切换回来后,还能恢复到原先状态,就需要一个独立的计数器,记录之前中断的地方。
- 本地方法栈(Native Method Stack):和Java栈的作用类似,只不过是为JVM使用到的native方法服务的。
并行和并发:
- 并行:多个CPU同时执行多个任务。
- 并发:一个CPU(采用时间片)同时执行多个任务。
二、线程的创建和使用
线程的创建方式共有四种:继承Thread
类、实现Runnable
接口、实现Callable
接口(5.0新增)、使用线程池(5.0新增)。
1、Thread类
创建线程的第一种方式是继承Thread
类:
- 创建继承
Thread
类的子类。 - 重写
run()
方法,将此线程执行的操作声明的此方法中。 - 创建子类的对象,然后使用此对象调用
start()
方法。
①
start()
方法的作用:启动当前线程;调用当前线程的run()
方法。②启动多线程,必须调用
start()
方法,不能通过直接调用run()
的方式启动线程。③不能让已经
start()
的线程再start()
,即一个线程不能启动多次,否则报IllegalThreadStateException
异常。④如果想创建多个线程,需要创建多个对象。
实现代码:
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Thread
类的相关方法:
start()
:启动线程,并执行对象的run()方法run()
:线程被调度时执行的操作currentThread()
:返回当前线程,在Thread子类中就是this,通常用于主线程和Runnable实现类getName()
:返回线程名称setName()
:设置线程名称yield()
:线程让步,释放当前cpu的执行权。暂停当前正在执行的线程,把执行机会让给优先级相同或更高的线程。join()
:在线程A中调用线程B的join()
方法,此时A进入阻塞状态,直到线程B完全执行完以后,线程A才结束阻塞状态sleep(long millitime)
:让当前线程指定时间内放弃对CPU的控制。指定的毫秒时间内,当前线程是阻塞状态。isAlive()
:判断线程是否活着stop()
:已过时。强制结束当前线程suspend()
:已过时resume()
:已过时
线程的优先级:
MAX_PRIORITY
:10
MIN_PRIORITY
:1
NORM_PRIORITY
:5
方法:
getPriority()
:返回线程优先级setPriority(int newPriority)
:改变线程优先级
线程创建时继承父线程的优先级
低优先级的线程只是获得调度的概率低,并不是说低优先级线程一定在高优先级线程执行完之后执行。
守护线程和用户线程
- 二者几乎每个方面都是相同的,唯一的区别是判断JVM何时离开。
- 守护线程是用来服务用户线程的,可以通过在
start()
方法前调用thread.setDaemon(true)
把用户线程变成守护线程。 - 守护线程比如Java垃圾回收。当JVM中都是守护线程时,当前JVM将退出
2、Runnable接口
创建线程的第二种方式是实现Runnable
接口:
- 创建类,实现实现
Runnable
接口。 - 重写
run()
方法。 - 创建实现类对象,作为参数传入
Thread
类的构造器。 Thread
类的对象调用start()
方法启动线程。
①实现接口的方法,避免了单继承的局限性。
②多个线程共享一个接口实现类的对象,非常适合多个相同线程处理同一份资源。
③和方法一相比,实现
Runnable
接口的方法优先使用。
实现代码:
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3、Callable接口
创建线程的第三种方法是实现Callable
接口(JDK 5.0新增):
- 声明实现
Callable
接口的实现类。 - 重写
call()
方法。 - 声明实现类对象,比如
mt3
。 - 声明
FutureTask
类对象ft
,构造器参数为实现类对象mt3
。 - 声明
Thread
类对象t
,构造器参数为FutureTask
类对象ft
。 - 通过对象
t
调用start()
方法,启动并运行线程。
①
Future
接口可以对具体Runnable
、Callable
任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等。②
FutureTask
是Future
接口唯一的实现类。③
FutrueTask
同时实现了Runnable
、Future
接口,它既可以作为Runnable
被线程执行,也可以作为Future
得到Callable
的返回值。
实现Callable
接口和实现Runnable
接口相比,前者更强大,因为:
call()
方法可以有返回值。call()
可以抛出异常,被外面的操作捕获,获取异常信息Callable
支持泛型。
实现代码:
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4、线程池
创建线程的第四种方式是使用线程池(JDK 5.0新增)。
经常创建和销毁、使用量特别大的资源,比如并发情况下的线程,对性能影响很大。线程池的思想是提前创建好多个线程,放入线程池中,使用时直接获取,使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。
线程池的优势:
- 提高响应速度(减少了创建新线程的时间)。
- 降低资源消耗(重复利用线程池中线程,不需要每次都创建)。
- 便于线程管理。
JDK 5.0 提供了线程池相关的API:ExecutorService
接口和Executors
工具类。
ThreadPoolExecutor
是ExecutorService
的常见实现类,其中的常用方法:corePoolSize
:核心池大小maximumPoolSize
:最大线程数keepAliveTime
:线程没有任务时,最多保持多长时间后会终止
ExecutorService
:真正的线程池接口,常见的实现类为ThreadPoolExecutor
void execute(Runnable command)
:执行任务/命令,一般用来执行Runnable
<T>Future<T> submit(Callable<T> task)
:执行任务,有返回值,一般用来执行Callable
void shutdown()
:关闭连接池。
Executors
:工具类、线程池的工厂类,用于创建并返回不同类型的线程池。Executors.newCachedThreadPool()
:创建一个可根据需要创建新线程的线程池Executors.newFixedThreadPool(n)
:创建一个可重用的固定线程数的线程池Executors.newSingleThreadExecutor()
:创建一个只有一个线程的线程池Executors.newScheduledThreadPool(n)
:创建一个线程池,可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行
使用步骤:
1.提供指定线程数量的线程池:调用工具类的方法创建线程池,返回ThreadPoolExecutor对象。
2.执行指定的线程的操作,需要提供实现Runnable接口或Callable接口实现类的对象。
3.关闭线程池。
具体代码:
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三、线程的生命周期
一个线程的完整生命周期有六种状态,在Thread
类中的State
枚举类定义了线程的五种状态:
- 新建(NEW):执行new指令,新创建的线程的状态
- 运行(RUNNABLE):运行状态包括就绪(READY)和正在运行(RUNNING)两个状态。
- 就绪(READY):执行start方法以后进入就绪状态,已经具备了运行的条件,只有分配到CPU资源以后才进入RUNNING状态。
- 正在运行(RUNNING):就绪的线程分配到CPU资源(时间片)时,便进入RUNNING状态,
run()
方法定义了线程的操作和功能。
- 阻塞(BLOCKED):线程进入synchronized方法/代码块中时,要判断同步锁是否被释放,等待同步锁被释放的状态就是阻塞状态。获取到同步锁以后进入就绪状态。
- 等待(WAITING):等待状态下的线程不会被分配CPU时间片,必须被显式唤醒,即
notify()
/notifyAll()
,否则会处于无限期等待的状态 - 超时等待(TIMED_WAITING):超时等待状态下的线程不会被分配CPU时间片,无须被显式唤醒,在达到一定时间后会自动唤醒。
- 终止(TERMINATED):线程的
run()
方法完成时,或者被强制终止,或出现异常导致结束,线程进入终止状态。
1、执行
Object
中的wait()
方法后,线程释放同步锁并进入等待状态,只有被显示唤醒,比如notify()
/notifyAll()
,才能进入阻塞状态,等待同步锁被释放然后进入就绪状态。2、执行
sleep()
、join()
、IO操作以后,线程进入超时等待状态,等时间到或者操作结束,自动进入就绪状态。
线程的状态转换图(图中的阻塞状态包括了阻塞、等待、超时等待三个状态):
四、线程的同步
1、介绍
多条语句在操作共享数据时,如果某个线程操作尚未完成时,其他线程参与进来,会导致共享数据出现错误,这就导致了线程安全问题。
比如有三个窗口共同卖100张票,如下的代码就会有线程安全问题:
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为了解决类似于以上的线程安全问题,需要保证当前线程操作时,其他线程不能参与进来,直到当前线程操作完,其他线程才可以操作。即使当前线程出现了阻塞,也不能被改变。
Java中使用同步机制解决线程安全问题,包括同步代码块、同步方法、Lock锁(JDK 5.0新增)三种方法实现同步机制。其中同步代码块和同步方法都是使用synchronized
关键字。
2、方法一:同步代码块
格式和代码:
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说明:
- 操作共享数据的代码,即为需要被同步的代码,同步代码不能多也不能少,否则容易导致错误。
- 共享数据:多个线程共同操作的数据,比如本例的ticket。
- 同步监视器,即“同步锁”:任何一个类的对象都可以充当同步锁。同步锁被某个线程持有的时候,只有当其执行完同步代码,然后释放同步锁以后,其他线程才可以继续执行。
- 要求多个线程必须共用同一把同步锁,即多个线程的同步锁必须是同一个对象,才能保证同步。
- 实现
Runnable
接口创建多线程的方式中,因为只创建一个实现类对象,可以考虑使用this
充当同步锁。而在继承Thread
类创建多线程的方式中,要慎用this
作为锁,根据实际情况判断this
是不是唯一的。 - 也可以考虑当前类作为同步锁(类也是对象,即
当前类.class
。
3、方法二:同步方法
如果操作共享数据的代码完整的声明在一个方法中,可以使用synchrozied
将此方法声明为同步的。可以将多个方法都使用synchronized
监视起来,解决这几个方法的线程安全问题。
格式和使用:
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说明:
- 同步方法仍然涉及到同步监视器,不需要显式声明。
- 对于非静态的同步方法,同步监视器是this
- 对于静态的同步方法,同步监视器是当前类本身(
类名.class
,类也是对象)。
4、方法三:Lock锁
Lock锁是JDK 5.0新增的解决线程安全问题的一种方式,通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当。
java.util.concurrent.locks.Lock
接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问,每次只能有一个线程对Lock对象加锁,线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象。ReentrantLock
类实现了Lock
接口,它拥有与synchronized
相同的并发性和内存语义,在实现线程安全的控制中,比较常用的是ReentrantLock
,可以显式加锁、释放锁。
使用方法:
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使用Lock接口进行同步的时候,同样需要保证多个线程使用同一个ReentrantLock对象。
比较synchronized
和Lock
的异同:
synchronized
是隐式锁,在执行完相应的同步代码后,自动释放同步锁(同步监视器)。Lock
是显式锁,需要手动启动同步(执行Lock()
),结束时也需要手动关闭(执行unLock()
),try-catch
结构中,解锁代码需要写在finally
中,保证unlock()
一定会被执行。Lock
只有代码块锁,synchronized
有代码块锁和方法锁。
三种实现同步的方式,使用的优先顺序为:Lock—>同步代码块(已经进入了方法体,分配了相应资源)—>同步方法
5、死锁
同的线程分别占用对方需要的同步资源(同步锁)不放弃,都在等待对方放弃自己需要的同步资源,就形成了线程的死锁。A线程持有锁a,等待操作b,而B线程持有锁b,等待操作a(此时a被A当作同步锁持有,没有被释放),这就形成了死锁。
举例:
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解决方法:
1.专门的算法、原则
2.尽量减少同步资源的定义
3.尽量避免嵌套同步
五、线程的通信
线程的通信涉及到三个方法:
wait()
:使当前线程进入等待状态(排队等待同步资源),并释放同步锁(同步监视器)。notify()
:唤醒排队等待同步资源的一个进程,如果有多个线程排队等待同步资源,唤醒优先级高的线程。notifyAll()
:唤醒所有排队等待同步资源的线程。
调用以上三个方法的必要条件是当前线程具有对当前对象的监控权,即持有同步锁。这三个方法只能在同步代码块或同步方法中使用。
任意对象都能作为同步锁,因此以上三个方法在Object类中声明。
sleep()
和wait()
两个方法的异同:
- 都可以使当前线程进入阻塞状态,
sleep
使线程进入的是超时等待(TIMED_WAITING)状态,wait
使线程进入等待(WAITING)状态。 - 声明位置不同,
sleep
声明在Thread
类中,wait
方法声明在Object
类中。 - 调用的要求不同。
sleep
可以在任何需要的场景下使用。wait
只能在同步代码块/同步方法中。 - 是否释放同步锁:两个方法都使用在同步代码块/同步方法中时,
sleep
不会释放同步锁,wait
会释放同步锁。
总结:
能够释放锁的操作有以下几种:
- 线程的同步方法、同步代码块执行结束。
- 执行过程中遇到
break
、return
终止了执行操作。 - 有未处理的
Error
和Exception
,导致异常结束。 - 执行线程的
wait()
方法,使线程释放锁,并进入等待状态。
sleep
、yield
方法以及suspend
方法不会释放同步锁。尽量避免使用
suspend
和resume
方法控制线程。
线程通信举例:创建两个线程,交替输出从1-100的数据
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- 本文作者:Kangshitao
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