Java多线程编程核心知识

一、进程与线程的概念

（1）在传统的操作系统中，程序并不能独立运行，作为资源分配和独立运行的基本单位都是进程。
在未配置 OS 的系统中，程序的执行方式是顺序执行，即必须在一个程序执行完后，才允许另一个程序执行；在多道程序环境下，则允许多个程序并发执行。
程序的这两种执行方式间有着显著的不同。也正是程序并发执行时的这种特征，才导致了在操作系统中引入进程的概念。
自从在 20 世纪 60 年代人们提出了进程的概念后，在 OS 中一直都是以进程作为能拥有资源和独立运行的基本单位的。
直到 20 世纪 80 年代中期，人们又提出了比进程更小的能独立运行的基本单位——线程(Threads)，试图用它来提高系统内程序并发执行的程度，从而可进一步提高系统的吞吐量。
特别是在进入 20 世纪 90 年代后，多处理机系统得到迅速发展，线程能比进程更好地提高程序的并行执行程度，充分地发挥多处理机的优越性，因而在近几年所推出的多处理机 OS 中也都引入了线程，以改善
OS 的性能。
—–以上摘自《计算机操作系统-汤小丹等编著-3 版》
（2）下图是来自某知乎用户的解释：



通过上述的大致了解，基本知道线程和进程是干什么的了，那么我们下边给进程和线程总结一下概念：
（3）进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。
在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体；
在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。
（4）线程，有时被称为轻量级进程(Lightweight Process，LWP），是程序执行流的最小单元。线程是程序中一个单一的顺序控制流程。
进程内一个相对独立的、可调度的执行单元，是系统独立调度和分派 CPU 的基本单位指运行中的程序的调度单位。
在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作，称为多线程。
（5）进程和线程的关系：



（6）线程和进程各自有什么区别和优劣

进程是资源分配的最小单位，线程是程序执行的最小单位。

进程有自己的独立地址空间，每启动一个进程，系统就会为它分配地址空间，建立数据表来维护代码段、堆栈段和数据段，这种操作非常昂贵。
而线程是共享进程中的数据的，使用相同的地址空间，因此 CPU 切换一个线程的花费远比进程要小很多，同时创建一个线程的开销也比进程要小很多，线程的上下文切换的性能消耗要小于进程。

线程之间的通信更方便，同一进程下的线程共享全局变量、静态变量等数据，而进程之间的通信需要以通信的方式（IPC)进行。
不过如何处理好同步与互斥是编写多线程程序的难点。

但是多进程程序更健壮，多线程程序只要有一个线程死掉，整个进程也死掉了，而一个进程死掉并不会对另外一个进程造成影响，因为进程有自己独立的地址空间。

二、同步与异步

对于一次方法的调用来说，同步方法调用一旦开始，就必须等待该方法的调用返回，后续的方法才可以继续执行；
异步的话，方法调用一旦开始，就可以立即返回，调用者可以执行后续的方法，这里的异步方法通常会在另一个线程里真实的执行，而不会妨碍当前线程的执行。

三、并行与并发

并发和并行是两个相对容易比较混淆的概念。他都可以表示在同一时间范围内有两个或多个任务同时在执行，但其在任务调度的时候还是有区别的，首先看下图：
并发任务执行过程：

并行任务执行过程：



从上图中可以看到，两个任务在执行的时候，并发是没有时间上的重叠的，两个任务是交替执行的，由于切换的非常快，对于外界调用者来说相当于同一时刻多个任务一起执行了；
而并行可以看到时间上是由重叠的，也就是说并行才是真正意义上的同一时刻可以有多个任务同时执行。

四、Java实现多线程方式

（1）继承Thread，重写run（）方法

   public class MyThread extends Thread {

       @Override
       public void run() {
           while (true) {
               System.out.println(this.currentThread().getName());
           }
       }

       public static void main(String[] args) {
           MyThread thread = new MyThread();
           thread.start(); //线程启动的正确方式
       }
   }
输出结果：

   Thread-0
   Thread-0
   Thread-0
   ...
另外，要明白启动线程的是 start（）方法而不是run（）方法，如果用run（）方法，那么他就是一个普通的方法执行了。
（2）实现 Runable 接口

   public class MyRunnable implements Runnable {

       @Override
       public void run() {
           System.out.println("123");
       }

       public static void main(String[] args) {
           MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
           Thread thread = new Thread(myRunnable, "t1");
           thread.start();
       }
   }
这里Thread和Runnable的关系是这样的：
Thread类本身实现了Runnable接口，并且持有run方法，但Thread类的run方法主体是空的，Thread类的run方法通常是由子类的run方法重写。

五、线程安全

线程安全概念：当多个线程访问某一个类（对象或方法）时，这个类始终能表现出正确的行为，那么这个类（对象或方法）就是线程安全的。
线程安全就是多线程访问时，采用了加锁机制，当一个线程访问该类的某个数据时，进行保护，其他线程不能进行访问，直到该线程读取完，释放了锁，其他线程才可使用。
这样的话就不会出现数据不一致或者数据被污染的情况。 线程不安全就是不提供数据访问保护，有可能出现多个线程先后更改数据以至于所得到的数据是脏数据。这里的加锁机制常见的如：synchronized

六、synchronized修饰符

（1）synchronized：可以在任意对象及方法上加锁，而加锁的这段代码称为互斥区或临界区。
（2）不使用synchronized实例（代码A）：

   public class MyThread extends Thread {

       private int count = 5;

       @Override
       public void run() {
           count--;
           System.out.println(this.currentThread().getName() + " count:" + count);
       }

       public static void main(String[] args) {
           MyThread myThread = new MyThread();
           Thread thread1 = new Thread(myThread, "thread1");
           Thread thread2 = new Thread(myThread, "thread2");
           Thread thread3 = new Thread(myThread, "thread3");
           Thread thread4 = new Thread(myThread, "thread4");
           Thread thread5 = new Thread(myThread, "thread5");
           thread1.start();
           thread2.start();
           thread3.start();
           thread4.start();
           thread5.start();
       }
   }
输出的一种结果如下：

   thread3 count:2
   thread4 count:1
   thread1 count:2
   thread2 count:3
   thread5 count:0
可以看到，上述的结果是不正确的，这是因为，多个线程同时操作run（）方法，对count进行修改，进而造成错误。
（3）使用synchronized实例（代码B）：

   public class MyThread extends Thread {

       private int count = 5;

       @Override
       public synchronized void run() {
           count--;
           System.out.println(this.currentThread().getName() + " count:" + count);
       }

       public static void main(String[] args) {
           MyThread myThread = new MyThread();
           Thread thread1 = new Thread(myThread, "thread1");
           Thread thread2 = new Thread(myThread, "thread2");
           Thread thread3 = new Thread(myThread, "thread3");
           Thread thread4 = new Thread(myThread, "thread4");
           Thread thread5 = new Thread(myThread, "thread5");
           thread1.start();
           thread2.start();
           thread3.start();
           thread4.start();
           thread5.start();
       }
   }
输出结果：

   thread1 count:4
   thread2 count:3
   thread3 count:2
   thread5 count:1
   thread4 count:0
可以看出代码A和代码B的区别就是在

run（）

方法上加上了synchronized修饰。
说明如下：
当多个线程访问 MyThread 的 run 方法的时候，如果使用了synchronized修饰，那个多线程就会以排队的方式进行处理（这里排队是按照 CPU 分配的先后顺序而定的）。
一个线程想要执行 synchronized 修饰的方法里的代码，首先是尝试获得锁，如果拿到锁，执行 synchronized 代码体的内容。
如果拿不到锁的话，这个线程就会不断的尝试获得这把锁，直到拿到为止，而且多个线程同时去竞争这把锁，也就是会出现锁竞争的问题。

七、一个对象有一把锁！多个线程多个锁！

何为，一个对象一把锁，多个线程多个锁！首先看一下下边的实例代码（代码C）：

   public class MultiThread {

       private int num = 200;

       public synchronized void printNum(String threadName, String tag) {
           if (tag.equals("a")) {
               num = num - 100;
               System.out.println(threadName + " tag a,set num over!");
           } else {
               num = num - 200;
               System.out.println(threadName + " tag b,set num over!");
           }
           System.out.println(threadName + " tag " + tag + ", num = " + num);
       }

       public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
           final MultiThread multiThread1 = new MultiThread();
           final MultiThread multiThread2 = new MultiThread();

           new Thread(new Runnable() {
               public void run() {
                   multiThread1.printNum("thread1", "a");
               }
           }).start();

           Thread.sleep(5000);
           System.out.println("等待5秒，确保thread1已经执行完毕！");

           new Thread(new Runnable() {
               public void run() {
                   multiThread2.printNum("thread2", "b");
               }
           }).start();
       }
   }
输出结果：

   thread1 tag a,set num over!
   thread1 tag a, num = 100
   等待5秒，确保thread1已经执行完毕！
   thread2 tag b,set num over!
   thread2 tag b, num = 0
可以看出，有两个对象：

multiThread1

和

multiThread2

，如果多个对象使用同一把锁的话，那么上述执行的结果就应该是：

thread2
tag b, num = -100

，因此，是每一个对象拥有该对象的锁的。
关键字

synchronized

取得的锁都是对象锁，而不是把一段代码或方法当做锁，所以上述实例代码C中哪个线程先执行

synchronized

关键字的方法，那个线程就持有该方法所属对象的锁，两个对象，线程获得的就是两个不同对象的不同的锁，他们互补影响的。
那么，我们在正常的场景的时候，肯定是有一种情况的就是，所有的对象会对一个变量 count 进行操作，那么如何实现哪？
很简单就是加static，我们知道，用 static 修改的方法或者变量，在该类的所有对象是具有相同的引用的，这样的话，无论实例化多少对象，调用的都是一个方法，代码如下（代码D）：

   public class MultiThread {

       private static int num = 200;

       public static synchronized void printNum(String threadName, String tag) {
           if (tag.equals("a")) {
               num = num - 100;
               System.out.println(threadName + " tag a,set num over!");
           } else {
               num = num - 200;
               System.out.println(threadName + " tag b,set num over!");
           }
           System.out.println(threadName + " tag " + tag + ", num = " + num);
       }

       public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
           final MultiThread multiThread1 = new MultiThread();
           final MultiThread multiThread2 = new MultiThread();

           new Thread(new Runnable() {
               public void run() {
                   multiThread1.printNum("thread1", "a");
               }
           }).start();

           Thread.sleep(5000);
           System.out.println("等待5秒，确保thread1已经执行完毕！");

           new Thread(new Runnable() {
               public void run() {
                   multiThread2.printNum("thread2", "b");
               }
           }).start();
       }
   }
输出结果：

   thread1 tag a,set num over!
   thread1 tag a, num = 100
   等待5秒，确保thread1已经执行完毕！
   thread2 tag b,set num over!
   thread2 tag b, num = -100
可以看出，对变量和方法都加上了static修饰，就可以实现我们所需要的场景。同时也说明了，对于非静态static修饰的方法或变量，是一个对象一把锁的。

八、对象锁的同步和异步

（1）同步：synchronized
同步的概念就是共享，我们要知道“共享”这两个字，如果不是共享的资源，就没有必要进行同步，也就是没有必要进行加锁；
同步的目的就是为了线程的安全，其实对于线程的安全，需要满足两个最基本的特性：原子性和可见性;
（2）异步：asynchronized
异步的概念就是独立，相互之间不受到任何制约，两者之间没有任何关系，这里的异步可以理解为多个线程之间不会竞争共享资源。
（3）示例代码：

   public class MyObject {

       public void method() {
           System.out.println(Thread.currentThread().getName());
       }

       public static void main(String[] args) {
           final MyObject myObject = new MyObject();

           Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
               public void run() {
                   myObject.method();
               }
           }, "t1");

           Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
               public void run() {
                   myObject.method();
               }
           }, "t2");

           t1.start();
           t2.start();
       }
   }
上述代码中

method（）

就是异步的方法。一方面，他不会出现对共享变量的修改，另一方面，无需保证访问该方法的线程安全性。