黑马程序员--Java多线程

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进程与线程

要想了解多线程，必须先了解线程，而要想了解线程，必须先了解进程，因为线程是依赖于进程而存在。

什么是进程

通过任务管理器我们就看到了进程的存在。

而通过观察，我们发现只有运行的程序才会出现进程。

进程：就是正在运行的程序。

进程是系统进行资源分配和调用的独立单位。每一个进程都有它自己的内存空间和系统资源。

多进程的意义

单进程的计算机只能做一件事情，而我们现在的计算机都可以做多件事情。

举例：一边玩游戏(游戏进程)，一边听音乐(音乐进程)。

也就是说现在的计算机都是支持多进程的，可以在一个时间段内执行多个任务。

并且呢，可以提高CPU的使用率。

一边打游戏，一边听音乐，不是同时进行的，单CPU在某一时间点上只能做一件事。

CPU在做程序间的高效切换让我们感觉打游戏和听音乐是同时进行的。

什么是线程

在同一个进程内又可以执行多个任务，而这每一个任务我就可以看出是一个线程。

线程：是程序的执行单元，执行路径。是程序使用CPU的最基本单位。

单线程：如果程序只有一条执行路径。

多线程：如果程序有多条执行路径。

多线程的意义

多线程的存在，不是提高程序的执行速度。其实是为了提高应用程序的使用率。

程序的执行其实都是在抢CPU的资源，CPU的执行权。

多个进程是在抢这个资源，而其中的某一个进程如果执行路径比较多，就会有更高的几率抢到CPU的执行权。

我们是不敢保证哪一个线程能够在哪个时刻抢到，所以线程的执行有随机性。

并行和并发

前者是逻辑上同时发生，指在某一个时间内同时运行多个程序。

后者是物理上同时发生，指在某一个时间点同时运行多个程序。

Java程序的运行原理

由java命令启动JVM，JVM启动就相当于启动了一个进程。

接着由该进程创建了一个主线程去调用main方法。

JAVA虚拟机的启动是多线程的，除了主线程，至少还需要垃圾回收线程，否则内存很快就会溢出。

如何实现多线程

由于线程是依赖进程而存在的，所以我们应该先创建一个进程出来。

而进程是由系统创建的，所以我们应该去调用系统功能创建一个进程。

Java是不能直接调用系统功能的，所以，我们没有办法直接实现多线程程序。

但是Java可以去调用C/C++写好的程序来实现多线程程序。

由C/C++去调用系统功能创建进程，然后由Java去调用这样的东西，

然后提供一些类供我们使用。我们就可以实现多线程程序了。

方式一：继承Thread类

首先自定义一个继承Thread的方法

public class MyThread extends Thread {

@Override
public void run() {
for (int x = 0; x < 200; x++) {
System.out.println(x);
}
}
}

重写run（）方法的作用

不是类中的所有代码都需要被线程执行的。

为了区分哪些代码能够被线程执行，java提供了Thread类中的run()用来包含那些被线程执行的代码。

创建线程对象测试

public class MyThreadDemo {
public static void main(String[] args) {

// 创建两个线程对象
MyThread my1 = new MyThread();
MyThread my2 = new MyThread();
//my1.run();//这是单线程

//启动线程
my1.start();
my2.start();
}
}

调用run()方法为什么是单线程？

因为run()方法直接调用其实就相当于普通的方法调用,所以你看到的是单线程的效果

run()和start()的区别?

run():仅仅是封装被线程执行的代码，直接调用是普通方法

start():首先启动了线程，然后再由jvm去调用该线程的run()方法。

获取和设置线程对象的名称

public final String getName():获取线程的名称

public final void setName(String name):设置线程的名称

public class MyThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建线程对象
//无参构造+setXxx()
// MyThread my1 = new MyThread();
// MyThread my2 = new MyThread();
// //调用方法设置名称
// my1.setName("李延旭");
// my2.setName("康小广");
// my1.start();
// my2.start();

//带参构造方法给线程起名字
// MyThread my1 = new MyThread("赵磊");
// MyThread my2 = new MyThread("王澳");
// my1.start();
// my2.start();

//我要获取main方法所在的线程对象的名称，该怎么办呢?
//遇到这种情况,Thread类提供了一个方法:
//public static Thread currentThread():返回当前正在执行的线程对象
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
}
}

线程调度

我们知道，一般我们的计算机只有一个CPU，而CPU在某一个时刻只能运行一条指令，线程只有得到CPU的使用权，才能执行线程，那么Java是如何对线程进行调度的呢？

线程有两种调度模型：

1.分时调度模型：所有线程轮流使用CPU的使用权，平均分配每个线程占用CPU的时间片。

2.抢占式调度模型，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，优先级高的线程获取CPU时间片的几率稍大。

Java使用的是抢占式调度模型

设置和获取线程的优先级

public final int getPriority():返回线程对象的优先级

public final void setPriority(int newPriority)：更改线程的优先级。

注意：

程默认优先级是5。

优先级的范围是：1-10。

先级高仅仅表示线程获取的 CPU时间片的几率高，但是要在次数比较多，或者多次运行的时候才能看到比较好的效果。

public class ThreadPriorityDemo {
public static void main(String[] args) {
//创建线程对象
ThreadPriority tp1 = new ThreadPriority();
ThreadPriority tp2 = new ThreadPriority();
ThreadPriority tp3 = new ThreadPriority();

//设置对象名称
tp1.setName("徐凤年");
tp2.setName("李淳罡");
tp3.setName("黄阵图");

// 获取默认优先级
// System.out.println(tp1.getPriority());
// System.out.println(tp2.getPriority());
// System.out.println(tp3.getPriority());

// 设置线程优先级
// tp1.setPriority(100000);//报错

//设置正确的线程优先级
tp1.setPriority(10);
tp2.setPriority(1);

tp1.start();
tp2.start();
tp3.start();
}
}

线程休眠

重写run（）方法，加入休眠时间

import java.util.Date;
/*
* 线程休眠
*      public static void sleep(long millis)
*/
public class ThreadSleep extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int x = 0; x < 100; x++) {
System.out.println(getName() + ":" + x + ",日期：" + new Date());
// 设置休眠时间
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}

加入线程

/*
* public final void join():等待该线程终止。
* 别的线程需要等待这个加入的线程执行结束才能执行。
*/
public class ThreadJoinDemo {
public static void main(String[] args) {
//创建线程对象
ThreadJoin tj1 = new ThreadJoin();
ThreadJoin tj2 = new ThreadJoin();
ThreadJoin tj3 = new ThreadJoin();

//设置线程名称
tj1.setName("黄三甲");
tj2.setName("邓太阿");
tj3.setName("曹长卿");

//加入线程
tj1.start();
try {
tj1.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}

//启动线程
tj2.start();
tj3.start();
}
}

礼让线程

/*
* public static void yield():暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。
* 让多个线程的执行更和谐，但是不能靠它保证一人一次。
*/
public class ThreadYieldDemo {
public static void main(String[] args) {
ThreadYield ty1 = new ThreadYield();
ThreadYield ty2 = new ThreadYield();

ty1.setName("李延旭");
ty2.setName("黑马");

ty1.start();
ty2.start();
}
}

守护线程

/*
* public final void setDaemon(boolean on):将该线程标记为守护线程或用户线程。
* 当正在运行的线程都是守护线程时，Java 虚拟机退出。 该方法必须在启动线程前调用。
*
*/
public class ThreadDaemonDemo {
public static void main(String[] args) {
ThreadDaemon td1 = new ThreadDaemon();
ThreadDaemon td2 = new ThreadDaemon();

td1.setName("关羽");
td2.setName("张飞");

// 设置守护线程
td1.setDaemon(true);
td2.setDaemon(true);

td1.start();
td2.start();

Thread.currentThread().setName("刘备");
for (int x = 0; x < 5; x++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + x);
}
}
}

中断线程

/*
* 中断线程：
*                 public void interrupt()
*/

public class TreadDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建线程
MyThread m1 = new MyThread();
MyThread m2 = new MyThread();

// 设置线程名称
m1.setName("黑马");
m2.setName("白马");

// 中断线程，后面的线程还可以继续运行
m1.interrupt();
// 启动线程
m2.start();
}
}

线程的生命周期

方式二：实现Runnable接口

步骤：

* A:自定义类MyRunnable实现Runnable接口

* B:重写run()方法

* C:创建MyRunnable类的对象

* D:创建Thread类的对象，并把C步骤的对象作为构造参数传递

public class MyRunnable implements Runnable {

@Override
public void run() {
for (int x = 0; x < 100; x++) {
// 由于实现接口的方式就不能直接使用Thread类的方法了,但是可以间接的使用
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + x);
}
}
}

测试类

public class MyRunnableDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建MyRunnable类的对象
MyRunnable my = new MyRunnable();

// 构造实现：Thread(Runnable target, String name)
Thread t1 = new Thread(my, "林青霞");
Thread t2 = new Thread(my, "刘意");

t1.start();
t2.start();
}
}

已有方式一，为何会有方式二出现？

1.可以避免由于java单继承带来的局限性

2.适合多个相同程序的代码去处理同一个资源的情况，把线程和程序的代码，数据有效分离，较好的体现了面向对象的设计思想。

方式三：实现Callable接口

需要和线程池结合使用

实现类

import java.util.concurrent.Callable;

/*
* Callable<V>:带泛型的接口
*                 接口中只有一个方法：V call()
*                 接口中的泛型是call()方法的返回值类型
*
*/
public class MyCallable implements Callable {

@Override
public Object call() throws Exception {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
return null;
}
}

测试类

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class MyCallableDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建线程池对象
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);

// 添加Callable实现类
pool.submit(new MyCallable());
pool.submit(new MyCallable());

// 结束线程池
pool.shutdown();
}
}

线程安全

解决线程安全的基本思想（判断线程是否有问题的标准）

是否是多线程环境

是否有共享数据

是否有多条语句操作共享数据

电影票案例

public class SellTicket implements Runnable {
// 定义100张票
private int tickets = 100;

@Override
public void run() {
while (true) {
if (tickets > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第"+ (tickets--) + "张票");
}
}
}
}

测试类

public class SellTicketDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建资源对象
SellTicket st = new SellTicket();

// 创建三个线程对象
Thread t1 = new Thread(st, "窗口1");
Thread t2 = new Thread(st, "窗口2");
Thread t3 = new Thread(st, "窗口3");

// 启动线程
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}

这样会出现以下问题

1.相同的票卖了多次

CPU的一次操作必须是原子性的

2.出现负数票

线程的随机性和延迟导致的

线程安全的解决方式

解决方式一：同步代码块

/*
* synchronized(对象){
*                 代码;
* }
*
* 注意：同步代码块可以解决安全问题的根本原因在对象上，该对象如果锁一样的功能，别的线程不能进入。
*                  这个对象可以是任意对象，最好是用本身this作为这个对象。
*
*/
public class SellTicekt implements Runnable {
private int ticket = 100;

@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (this) {
if (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "正在出售第" + (ticket--) + "张票");
}
}
}
}
}

解决方式二：同步方法

/*
* synchronized关键字修饰方法
* 锁对象是this
*/
public class SellTicekt implements Runnable {
private int ticket = 100;

@Override
public synchronized void run() {
while (true) {
if (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第"+ (ticket--) + "张票");
}
}
}
}

同步的特点：

前提：多个线程

解决问题的时候要注意：多个线程使用的是同一个锁对象

同步的好处

同步的出现解决了多线程的安全问题。

同步的弊端

当线程相当多时，因为每个线程都会去判断同步上的锁，这是很耗费资源的，无形中会降低程序的运行效率。

Lock锁

为了更清晰的表达如何加锁和释放锁,JDK5以后提供了一个新的锁对象Lock。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class SellTicket implements Runnable {

// 定义票
private int tickets = 100;

// 定义锁对象
private Lock lock = new ReentrantLock();

@Override
public void run() {
while (true) {
try {
// 加锁
lock.lock();
if (tickets > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "正在出售第" + (tickets--) + "张票");
}
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
}

}

死锁

两个或两个以上的线程在争夺资源的过程中，发生的一种相互等待的现象。

举例：

中国人，美国人吃饭案例。

正常情况：

中国人:筷子两支

美国人:刀和叉

现在：

中国人：筷子1支，刀一把

美国人：筷子1支，叉一把

public class MyLock {
// 创建两把锁对象
public static final Object objA = new Object();
public static final Object objB = new Object();
}

public class DieLock extends Thread {

private boolean flag;

public DieLock(boolean flag) {
this.flag = flag;
}

@Override
public void run() {
if (flag) {
synchronized (MyLock.objA) {
System.out.println("if objA");
synchronized (MyLock.objB) {
System.out.println("if objB");
}
}
} else {
synchronized (MyLock.objB) {
System.out.println("else objB");
synchronized (MyLock.objA) {
System.out.println("else objA");
}
}
}
}
}

测试类

public class DieLockDemo {
public static void main(String[] args) {
DieLock dl1 = new DieLock(true);
DieLock dl2 = new DieLock(false);

dl1.start();
dl2.start();
}
}

线程的状态转换图及常见执行情况

线程间通信

指不同种类的线程针对同一资源的操作

资源类

/*
* 定义学生类
*/
public class Student {
String name;
int age;
boolean flag;// 用来判断是否存在资源，默认是flash，没有资源

public synchronized void set(String name, int age) {
// 生产者，如果有数据就等待
if (!this.flag) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 设置数据
this.name = name;
this.age = age;
// 修改标记
this.flag = false;
// 唤醒线程
this.notify();
}

public synchronized void get() {
if (this.flag) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(this.name + ":" + this.age);
// 修改标记
this.flag = true;
// 唤醒线程
this.notify();
}
}

设置类

/*
* 设置学生信息的线程
*/
public class SetThread implements Runnable {

private Student s;
private int i;

public SetThread(Student s) {
this.s = s;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
if (i % 2 == 0) {
s.set("小明", 5);
} else {
s.set("汪汪", 2);
}
i++;
}
}
}

获取类

/*
* 设置获取学生信息的线程
*/
public class GetThread implements Runnable {

private Student s;

public GetThread(Student s) {
this.s = s;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
s.get();
}
}
}

测试类

public class StudentDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建资源
Student s = new Student();

// 创建SetThread和GetThread对象
SetThread st = new SetThread(s);
GetThread gt = new GetThread(s);

// 创建线程
Thread t1 = new Thread(st);
Thread t2 = new Thread(gt);

// 开启线程
t1.start();
t2.start();
}
}

这样线程安全是解决了，但是还存在着以下问题。

1.如果消费者先抢到CPU执行权，消费数据，这时数据如果是空，就没有意义。

应该等着数据生产出来，再去消费，这样才具有意义。

2.如果生产者先抢到CPU执行权，生产数据，但是生产完一定数量的数据以后，还继续持有执行权，

它还会继续生产数据，这还现实情况不符，需要等着消费者把数据消费以后，再生产。

正常思路：

1.生产者

先看是否有数据，有就等待，没有就生产，生产完通知消费者消费

2.消费者

先看是否有数据，有就消费，没有就等待，消费完通知生产者生产

java提供了一个等待唤醒机制来解决这个问题。



Object类中提供了三个方法：

wait():等待

notify():唤醒单个线程

为什么等待唤醒方法定义在Object类中：

这些方法都是通过锁对象进行调用的，锁对象可以是任意的

所以，这些方法必须定义在Object类中。

测试类

public class StudentDemo {
public static void main(String[] args) {
//创建资源
Student s = new Student();

//设置和获取的类
SetThread st = new SetThread(s);
GetThread gt = new GetThread(s);

//线程类
Thread t1 = new Thread(st);
Thread t2 = new Thread(gt);

//启动线程
t1.start();
t2.start();
}
}

资源类

public class Student {
String name;
int age;
boolean flag;
}

生产者类

public class GetThread implements Runnable {
private Student s;

public GetThread(Student s) {
this.s = s;
}

@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (s) {
if(!s.flag){
try {
s.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}

System.out.println(s.name + "---" + s.age);

//修改标记
s.flag = false;
//唤醒线程
s.notify();
}
}
}
}

消费者类

public class SetThread implements Runnable {

private Student s;
private int x = 0;

public SetThread(Student s) {
this.s = s;
}

@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (s) {
//判断有没有
if(s.flag){
try {
s.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}

if (x % 2 == 0) {
s.name = "李延旭";
s.age = 21;
} else {
s.name = "黑马";
s.age = 22;
}
x++; //x=1

//修改标记
s.flag = true;
//唤醒线程
s.notify(); //唤醒t2,唤醒并不表示你立马可以执行，必须还得抢CPU的执行权。
}
}
}
}

总结

多线程的实现有三个方法，我们常用的是第二种，所以第二种是要必须掌握的，其他两种了解即可。对于线程的状态转换和执行图，也是必须要理解的，这样有利于学习多线程。等待唤醒机制，是很符合现实的生活一个机制，需要熟练掌握。

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