Java基础---多线程
一、多线程概述
要理解多线程，就必须理解线程。而要理解线程，就必须知道进程。
1、 进程
是一个正在执行的程序。
每一个进程执行都有一个执行顺序。该顺序是一个执行路径，或者叫一个控制单元。
2、线程
就是进程中的一个独立的控制单元。线程在控制着进程的执行。只要进程中有一个线程在执行，进程就不会结束。
一个进程中至少有一个线程。
3、多线程
在java虚拟机启动的时候会有一个java.exe的执行程序，也就是一个进程。该进程中至少有一个线程负责java程序的执行。而且这个线程运行的代码存在于main方法中。该线程称之为主线程。JVM启动除了执行一个主线程，还有负责垃圾回收机制的线程。像种在一个进程中有多个线程执行的方式，就叫做多线程。
4、多线程存在的意义
多线程的出现能让程序产生同时运行效果。可以提高程序执行效率。
例如：在java.exe进程执行主线程时，如果程序代码特别多，在堆内存中产生了很多对象，而同时对象调用完后，就成了垃圾。如果垃圾过多就有可能是堆内存出现内存不足的现象，只是如果只有一个线程工作的话，程序的执行将会很低效。而如果有另一个线程帮助处理的话，如垃圾回收机制线程来帮助回收垃圾的话，程序的运行将变得更有效率。
5、计算机CPU的运行原理
我们电脑上有很多的程序在同时进行，就好像cpu在同时处理这所以程序一样。但是，在一个时刻，单核的cpu只能运行一个程序。而我们看到的同时运行效果，只是cpu在多个进程间做着快速切换动作。
而cpu执行哪个程序，是毫无规律性的。这也是多线程的一个特性：随机性。哪个线程被cpu执行，或者说抢到了cpu的执行权，哪个线程就执行。而cpu不会只执行一个，当执行一个一会后，又会去执行另一个，或者说另一个抢走了cpu的执行权。至于究竟是怎么样执行的，只能由cpu决定。
二、创建线程的方式
创建线程共有两种方式：继承方式和实现方式（简单的说）。
1、 继承方式
通过查找java的帮助文档API，我们发现java中已经提供了对线程这类事物的描述的类——Thread类。这第一种方式就是通过继承Thread类，然后复写其run方法的方式来创建线程。
创建步骤：
a，定义类继承Thread。
b，复写Thread中的run方法。
目的：将自定义代码存储在run方法中，让线程运行。
c，创建定义类的实例对象。相当于创建一个线程。
d，用该对象调用线程的start方法。该方法的作用是：启动线程，调用run方法。
注：如果对象直接调用run方法，等同于只有一个线程在执行，自定义的线程并没有启动。
覆盖run方法的原因：
Thread类用于描述线程。该类就定义了一个功能，用于存储线程要执行的代码。该存储功能就run方法。也就是说，Thread类中的run方法，用于存储线程要运行的代码。
程序示例：
/*
小练习
创建两线程，和主线程交替运行。
*/
//创建线程Test
class Test extends Thread
{
// private String name;
Test(String name)
{
super(name);
// this.name=name;
}
//复写run方法
public void run()
{
for(int x=0;x<60;x++)
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..run..."+x);
// System.out.println(this.getName()+"..run..."+x);
}
}
class ThreadTest
{
public static void main(String[] args)
{
new Test("one+++").start();//开启一个线程
new Test("tow———").start();//开启第二线程
//主线程执行的代码
for(int x=0;x<170;x++)
System.out.println("Hello World!");
}
}
结果：
如图，执行是随机、交替执行的，每一次运行的结果都会不同。
2、 实现方式
使用继承方式有一个弊端，那就是如果该类本来就继承了其他父类，那么就无法通过Thread类来创建线程了。这样就有了第二种创建线程的方式：实现Runnable接口，并复习其中run方法的方式。
创建步骤：
a，定义类实现Runnable的接口。
b，覆盖Runnable接口中的run方法。目的也是为了将线程要运行的代码存放在该run方法中。
c，通过Thread类创建线程对象。
d，将Runnable接口的子类对象作为实参传递给Thread类的构造方法。
为什么要将Runnable接口的子类对象传递给Thread的构造函数？
因为，自定义的run方法所属的对象是Runnable接口的子类对象。所以要让线程去指定对象的run方法，就必须明确该run方法所属对象。
e，调用Thread类中start方法启动线程。start方法会自动调用Runnable接口子类的run方法。
实现方式好处：避免了单继承的局限性。在定义线程时，建议使用实现方式。
程序示例：
/*
需求：简单的卖票程序。
多个窗口卖票。
*/
class Ticket implements Runnable//extends Thread
{
private int tick = 100;
public void run()
{
while(true)
{
if(tick>0)
{
//显示线程名及余票数
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....sale : "+ tick--);
}
}
}
}
class TicketDemo
{
public static void main(String[] args)
{
//创建Runnable接口子类的实例对象
Ticket t = new Ticket();
//有多个窗口在同时卖票，这里用四个线程表示
Thread t1 = new Thread(t);//创建了一个线程
Thread t2 = new Thread(t);
Thread t3 = new Thread(t);
Thread t4 = new Thread(t);
t1.start();//启动线程
t2.start();
t3.start();
t4.start();
}
}
三、两种方式的区别和线程的几种状态
1、两种创建方式的区别
继承Thread：线程代码存放在Thread子类run方法中。
实现Runnable：线程代码存放在接口子类run方法中。
2、几种状态
被创建：等待启动，调用start启动。
运行状态：具有执行资格和执行权。
临时状态（阻塞）：有执行资格，但是没有执行权。
冻结状态：遇到sleep（time）方法和wait（）方法时，失去执行资格和执行权，sleep方法时间到或者调用notify（）方法时，获得执行资格，变为临时状态。
消忙状态：stop（）方法，或者run方法结束。
注：当已经从创建状态到了运行状态，再次调用start（）方法时，就失去意义了，java运行时会提示线程状态异常。
图解：
四、线程安全问题
1、导致安全问题的出现的原因：
当多条语句在操作同一线程共享数据时，一个线程对多条语句只执行了一部分，还没用执行完，另一个线程参与进来执行。导致共享数据的错误。
简单的说就两点：
a、多个线程访问出现延迟。
b、线程随机性 。
注：线程安全问题在理想状态下，不容易出现，但一旦出现对软件的影响是非常大的。
2、解决办法——同步
对多条操作共享数据的语句，只能让一个线程都执行完。在执行过程中，其他线程不可以参与执行。
在java中对于多线程的安全问题提供了专业的解决方式——synchronized（同步）
这里也有两种解决方式，一种是同步代码块，还有就是同步函数。都是利用关键字synchronized来实现。
a、同步代码块
用法：
synchronized（对象）
{需要被同步的代码}
同步可以解决安全问题的根本原因就在那个对象上。其中对象如同锁。持有锁的线程可以在同步中执行。没有持有锁的线程即使获取cpu的执行权，也进不去，因为没有获取锁。
示例：
/*
给卖票程序示例加上同步代码块。
*/
class Ticket implements Runnable
{
private int tick=100;
Object obj = new Object();
public void run()
{
while(true)
{
//给程序加同步，即锁
synchronized(obj)
{
if(tick>0)
{
try
{
//使用线程中的sleep方法，模拟线程出现的安全问题
//因为sleep方法有异常声明，所以这里要对其进行处理
Thread.sleep(10);
}
catch (Exception e)
{
}
//显示线程名及余票数
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..tick="+tick--);
}
}
}
}
}
b，同步函数
格式：
在函数上加上synchronized修饰符即可。
那么同步函数用的是哪一个锁呢？
函数需要被对象调用。那么函数都有一个所属对象引用。就是this。所以同步函数使用的锁是this。
拿同步代码块的示例：
class Ticket implements Runnable
{
private int tick=100;
Object obj = new Object();
public void run()
{
while(true)
{
show();
}
}
//直接在函数上用synchronized修饰即可实现同步
public synchronized void show()
{
if(tick>0)
{
try
{
//使用线程中的sleep方法，模拟线程出现的安全问题
//因为sleep方法有异常声明，所以这里要对其进行处理
Thread.sleep(10);
}
catch (Exception e)
{
}
//显示线程名及余票数
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..tick="+tick--);
}
}
}
3、同步的前提
a，必须要有两个或者两个以上的线程。
b，必须是多个线程使用同一个锁。
4、同步的利弊
好处：解决了多线程的安全问题。
弊端：多个线程需要判断锁，较为消耗资源。
5、如何寻找多线程中的安全问题
a，明确哪些代码是多线程运行代码。
b，明确共享数据。
c，明确多线程运行代码中哪些语句是操作共享数据的。
五、静态函数的同步方式
如果同步函数被静态修饰后，使用的锁是什么呢？
通过验证，发现不在是this。因为静态方法中也不可以定义this。静态进内存时，内存中没有本类对象，但是一定有该类对应的字节码文件对象。如：
类名.class 该对象的类型是Class
这就是静态函数所使用的锁。而静态的同步方法，使用的锁是该方法所在类的字节码文件对象。类名.class
经典示例：
/*
加同步的单例设计模式————懒汉式
*/
class Single
{
private static Single s = null;
private Single(){}
public static void getInstance()
{
if(s==null)
{
synchronized(Single.class)
{
if(s==null)
s = new Single();
}
}
return s;
}
}
六、死锁
当同步中嵌套同步时，就有可能出现死锁现象。
示例：
/*
写一个死锁程序
*/
//定义一个类来实现Runnable，并复写run方法
class LockTest implements Runnable
{
private boolean flag;
LockTest(boolean flag)
{
this.flag=flag;
}
public void run()
{
if(flag)
{
while(true)
{
synchronized(LockClass.locka)//a锁
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"------if_locka");
synchronized(LockClass.lockb)//b锁
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"------if_lockb");
}
}
}
}
else
{
while(true)
{
synchronized(LockClass.lockb)//b锁
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"------else_lockb");
synchronized(LockClass.locka)//a锁
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"------else_locka");
}
}
}
}
}
}
//定义两个锁
class LockClass
{
static Object locka = new Object();
static Object lockb = new Object();
}
class DeadLock
{
public static void main(String[] args)
{
//创建2个进程，并启动
new Thread(new LockTest(true)).start();
new Thread(new LockTest(false)).start();
}
}
结果：程序卡住，不能继续执行
七、线程间通信
其实就是多个线程在操作同一个资源，但是操作的动作不同。
1、使用同步操作同一资源的示例：
/*
有一个资源
一个线程往里存东西，如果里边没有的话
一个线程往里取东西，如果里面有得话
*/
//资源
class Resource
{
private String name;
private String sex;
private boolean flag=false;
public synchronized void setInput(String name,String sex)
{
if(flag)
{
try{wait();}catch(Exception e){}//如果有资源时，等待资源取出
}
this.name=name;
this.sex=sex;
flag=true;//表示有资源
notify();//唤醒等待
}
public synchronized void getOutput()
{
if(!flag)
{
try{wait();}catch(Exception e){}//如果木有资源，等待存入资源
}
System.out.println("name="+name+"---sex="+sex);//这里用打印表示取出
flag=false;//资源已取出
notify();//唤醒等待
}
}
//存线程
class Input implements Runnable
{
private Resource r;
Input(Resource r)
{
this.r=r;
}
public void run()//复写run方法
{
int x=0;
while(true)
{
if(x==0)//交替打印张三和王羲之
{
r.setInput("张三",".....man");
}
else
{
r.setInput("王羲之","..woman");
}
x=(x+1)%2;//控制交替打印
}
}
}
//取线程
class Output implements Runnable
{
private Resource r;
Output(Resource r)
{
this.r=r;
}
public void run()//复写run方法
{
while(true)
{
r.getOutput();
}
}
}
class ResourceDemo2
{
public static void main(String[] args)
{
Resource r = new Resource();//表示操作的是同一个资源
new Thread(new Input(r)).start();//开启存线程
new Thread(new Output(r)).start();//开启取线程
}
}
结果：部分截图
几个小问题：
1）wait(),notify(),notifyAll(),用来操作线程为什么定义在了Object类中？
a，这些方法存在与同步中。
b，使用这些方法时必须要标识所属的同步的锁。同一个锁上wait的线程，只可以被同一个锁上的notify唤醒。
c，锁可以是任意对象，所以任意对象调用的方法一定定义Object类中。
2）wait(),sleep()有什么区别？
wait():释放cpu执行权，释放锁。
sleep():释放cpu执行权，不释放锁。
3）为甚么要定义notifyAll？
因为在需要唤醒对方线程时。如果只用notify，容易出现只唤醒本方线程的情况。导致程序中的所以线程都等待。
2、JDK1.5中提供了多线程升级解决方案。
将同步synchronized替换成显示的Lock操作。将Object中wait，notify，notifyAll，替换成了Condition对象。该Condition对象可以通过Lock锁进行获取，并支持多个相关的Condition对象。
升级解决方案的示例：
/*
生产者生产商品，供消费者使用
有两个或者多个生产者，生产一次就等待消费一次
有两个或者多个消费者，等待生产者生产一次就消费掉
*/
import java.util.concurrent.locks.*;
class Resource
{
private String name;
private int count=1;
private boolean flag = false;
//多态
private Lock lock=new ReentrantLock();
//创建两Condition对象，分别来控制等待或唤醒本方和对方线程
Condition condition_pro=lock.newCondition();
Condition condition_con=lock.newCondition();
//p1、p2共享此方法
public void setProducer(String name)throws InterruptedException
{
lock.lock();//锁
try
{
while(flag)//重复判断标识，确认是否生产
condition_pro.await();//本方等待
this.name=name+"......"+count++;//生产
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...生产..."+this.name);//打印生产
flag=true;//控制生产\消费标识
condition_con.signal();//唤醒对方
}
finally
{
lock.unlock();//解锁，这个动作一定执行
}
}
//c1、c2共享此方法
public void getConsumer()throws InterruptedException
{
lock.lock();
try
{
while(!flag)//重复判断标识，确认是否可以消费
condition_con.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+".消费."+this.name);//打印消费
flag=false;//控制生产\消费标识
condition_pro.signal();
}
finally
{
lock.unlock();
}
}
}
//生产者线程
class Producer implements Runnable
{
private Resource res;
Producer(Resource res)
{
this.res=res;
}
//复写run方法
public void run()
{
while(true)
{
try
{
res.setProducer("商品");
}
catch (InterruptedException e)
{
}
}
}
}
//消费者线程
class Consumer implements Runnable
{
private Resource res;
Consumer(Resource res)
{
this.res=res;
}
//复写run
public void run()
{
while(true)
{
try
{
res.getConsumer();
}
catch (InterruptedException e)
{
}
}
}
}
class ProducerConsumer
{
public static void main(String[] args)
{
Resource res=new Resource();
new Thread(new Producer(res)).start();//第一个生产线程 p1
new Thread(new Consumer(res)).start();//第一个消费线程 c1
new Thread(new Producer(res)).start();//第二个生产线程 p2
new Thread(new Consumer(res)).start();//第二个消费线程 c2
}
}
运行结果：部分截图
八、停止线程
在JDK 1.5版本之前，有stop停止线程的方法，但升级之后，此方法已经过时。
那么现在我们该如果停止线程呢？
只有一种办法，那就是让run方法结束。
1、开启多线程运行，运行代码通常是循环结构。只要控制住循环，就可以让run方法结束，也就是线程结束。
如：run方法中有如下代码，设置一个flag标记。
public void run()
{
while(flag)
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....run");
}
}
那么只要在主函数或者其他线程中，在该线程执行一段时间后，将标记flag赋值false，该run方法就会结束，线程也就停止了。
2、上面的1方法可以解决一般情况，但是有一种特殊情况：就是当线程处于冻结状态。就不会读取到标记。那么线程就不会结束。
当没有指定的方式让冻结的线程恢复到运行状态时，这时需要对冻结进行清除。强制让线程恢复到运行状态中来。这样就可以操作标记让线程结束。Thread类提供该方法interrupt();
如：
class StopThread implements Runnable
{
private boolean flag =true;
public void run()
{
while(flag)
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....run");
}
}
public void changeFlag()
{
flag = false;
}
}
class StopThreadDemo
{
public static void main(String[] args)
{
StopThread st = new StopThread();
Thread t1 = new Thread(st);
Thread t2 = new Thread(st);
t1.start();
t2.start();
int num = 0;
while(true)
{
if(num++ == 60)
{
t1.interrupt();//清除冻结状态
t2.interrupt();
st.changeFlag();//改变循环标记
break;
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"......."+num);
}
System.out.println("over");
}
}
结果：
九、什么时候写多线程？
当某些代码需要同时被执行时，就用单独的线程进行封装。
示例：
class ThreadTest
{
public static void main(String[] args)
{
//一条线程
new Thread()
{
public void run()
{
for (int x=0;x<100 ;x++ )
{
System.out.println(Thread.currentThread().toString()+"....."+x);
}
}
}.start();
//又是一条线程
Runnable r= new Runnable()
{
public void run()
{
for (int x=0;x<100 ;x++ )
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....."+x);
}
}
};
new Thread(r).start();
//可以看作主线程
for (int x=0;x<1000 ;x++ )
{
System.out.println("Hello World!");
}
}
}
扩展小知识：
1、join方法
当A线程执行到了b线程的.join（）方法时，A线程就会等待，等B线程都执行完，A线程才会执行。（此时B和其他线程交替运行。）join可以用来临时加入线程执行。
2、setPriority（）方法用来设置优先级
MAX_PRIORITY 最高优先级10
MIN_PRIORITY 最低优先级1
NORM_PRIORITY 分配给线程的默认优先级
3、yield（）方法可以暂停当前线程，让其他线程执行。