Java初学——多线程基本知识总结
一、基本概念
1. 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，或是正在运行的一个程序，是一个动态的过程。它有自身的产生、存在和消亡的过程——生命周期。如：运行中的QQ、运行中的MP3播放器。程序是静态的，进程是动态的。进程作为资源分配的单位，系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域。
进程可进一步细化为线程(thread)，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。线程作为调度和执行的单位，每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器(pc)，线程切换的开销小 ，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。它们从同一堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患。
按照个人理解举个例子，我们给电脑上安装360安全卫士，在该安装目录下就是一组静态资源，即程序。当我们把安全卫士运行起来时，它就变成了一个进程，会分配一定的内存空间给它。我们可以用它同时进行垃圾清理、病毒查杀等操作，这就启动了多个线程。
2. 单核CPU和多核CPU的理解
单核CPU，其实是一种假的多线程，因为在一个时间单元内，也只能执行一个线程的任务。例如：虽然有多车道，但是收费站只有一个工作人员在收费，只有收了费才能通过，那么CPU就好比收费人员。如果有某个人不想交钱，那么收费人员可以把他“挂起”（晾着他，等他想通了，准备好了钱，再去收费）。但是因为CPU时间单元特别短，切换快，因此感觉不出来。如果是多核的话，才能更好的发挥多线程的效率。（现在的服务器都是多核的）。
一个Java应用程序java.exe，其实至少有三个线程：main()主线程，gc() 垃圾回收线程，异常处理线程。当然如果发生异常，会影响主线程。
3. 并行与并发
并行：多个CPU同时执行多个任务。比如：多个人同时做不同的事。
并发：一个CPU(采用时间片轮转的方式)同时执行多个任务。比如：秒杀、多个人做同一件事。
两者最本质的区别就是：并发是轮流处理多个任务，并行是同时处理多个任务。
4. 多线程的优点
（1）提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义，可增强用户体验。
（2）提高计算机系统CPU的利用率。
（3）改善程序结构。将既长又复杂的进程分为多个线程，独立运行，利于理解和修改。
5. 何时需要多线程
(1) 程序需要同时执行两个或多个任务。
(2) 程序需要实现一些需要等待的任务时，如用户输入、文件读写
操作、网络操作、搜索等。
(3) 需要一些后台运行的程序时。
二、线程的创建和使用
1. 继承Thread类创建线程
（1）定义子类继承Thread类。
（2）子类中重写Thread类中的run方法，将此线程执行的操作声明在run()中。
（3）创建Thread子类对象，即创建了线程对象。
（4）调用线程对象start方法：启动线程，调用run方法。
举例1：遍历100以内的所有的偶数
//1. 创建一个继承于Thread类的子类
class MyThread extends Thread {
//2. 重写Thread类的run()
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if(i % 2 == 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
}
}public class ThreadTest {
public static void main(String[] args) {
//3. 创建Thread类的子类的对象
MyThread t1 = new MyThread();
//4.通过此对象调用start():①启动当前线程 ② 调用当前线程的run()
t1.start();
//问题一：我们不能通过直接调用run()的方式启动线程。
//这只是相当于通过对象调用方法，并没有启动线程
//t1.run();
//问题二：再启动一个线程，遍历100以内的偶数。
//不可以还让已经start()的线程去执行。会报IllegalThreadStateException
//t1.start();
//我们需要重新创建一个线程的对象
MyThread t2 = new MyThread();
t2.start();
//如下操作仍然是在main线程中执行的。
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if(i % 2 == 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i + "***********main()************");
}
}
}
}运行结果如下：
通过运行结果也可以看出来成功启动了多个线程，否则运行结果应该是顺序执行，不会有交互。
举例2：创建两个分线程，其中一个线程遍历100以内的偶数，另一个线程遍历100以内的奇数
public class ThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
//创建Thread类的匿名子类的方式
new Thread(){
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if(i % 2 == 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
}
}.start();
//创建Thread类的匿名子类的方式
new Thread(){
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if(i % 2 != 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
}
}.start();
//
}
}2. Thread类的常用方法
举例3：创建三个窗口卖票，总票数为100张。
//存在线程的安全问题，后面解决
class Window extends Thread{
private static int ticket = 100;
@Override
public void run() {
while(true){
if(ticket > 0){
System.out.println(getName() + "：卖票，票号为：" + ticket);
ticket--;
}else{
break;
}
}
}
}public class WindowTest {
public static void main(String[] args) {
Window t1 = new Window();
Window t2 = new Window();
Window t3 = new Window();
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}3. 线程的调度与优先级
4. 实现Runnable接口创建线程
实现步骤如下：
举例4：
//1. 创建一个实现了Runnable接口的类
class MThread implements Runnable{
//2. 实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if(i % 2 == 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
}
}
public class ThreadTest1 {
public static void main(String[] args) {
//3. 创建实现类的对象
MThread mThread = new MThread();
//4. 将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
Thread t1 = new Thread(mThread);
t1.setName("线程1");
//5. 通过Thread类的对象调用start():① 启动线程 ②调用当前线程的run()-->调用了Runnable类型的target的run()
t1.start();
//再启动一个线程，遍历100以内的偶数，此时无需new新的MThread对象
Thread t2 = new Thread(mThread);
t2.setName("线程2");
t2.start();
}
}举例5： 使用实现Runnable接口的方式，创建三个窗口卖票，总票数为100张。
//此方法也存在线程安全问题
class Window1 implements Runnable{
private int ticket = 100;//注意此时无需定义为static
public void run() {
while(true){
if(ticket > 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为：" + ticket);
ticket--;
}else{
break;
}
}
}
}
public class WindowTest1 {
public static void main(String[] args) {
Window1 w = new Window1();
Thread t1 = new Thread(w);
Thread t2 = new Thread(w);
Thread t3 = new Thread(w);
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}5. 两种方式的对比
三、线程的生命周期
四、线程的同步
1. 问题引入
以上面窗口售票为例，从运行结果上来看，存在错票重票的问题，我们说出现了线程的安全问题。问题出现的原因是当某个线程操作车票的过程中，尚未操作完成时，其他线程参与进来，也操作车票。
为了解决这个问题，我们想到当一个线程a在操作ticket的时候，其他线程不能参与进来。直到线程a操作完ticket时，其他线程才可以开始操作ticket。这种情况即使线程a出现了阻塞，也不能被改变。
在Java中，我们通过同步机制，来解决线程的安全问题。在《Thinking in Java》中，是这么说的：对于并发工作，你需要某种方式来防止两个任务访问相同的资源（其实就是共享资源竞争）。 防止这种冲突的方法就是当资源被一个任务使用时，在其上加锁。第一个访问某项资源的任务必须锁定这项资源，使其他任务在其被解锁之前，就无法访问它了，而在其被解锁之时，另一个任务就可以锁定并使用它了。
2. 同步代码块
synchronized (同步监视器) {
//需要被同步的代码
}
说明：
（1）操作共享数据的代码，即为需要被同步的代码。共享数据就是多个线程共同操作的变量。比如上例中的ticket就是共享数据。
（2）同步监视器，俗称“锁”。任何一个类的对象都可以充当锁。必须确保使用同一个资源的多个线程共用一把锁，这个非常重要，否则就无法保证共享资源的安全。
修改上述窗口卖票实例使其线程安全，代码如下：
//修改实现Runnable接口的方式
class Window1 implements Runnable{
private int ticket = 100;
@Override
public void run() {
while(true){
//在实现Runnable接口创建多线程的方式中，我们可以考虑使用this充当同步监视器。
synchronized (this){ //此时的this:唯一的Window1的对象
if (ticket > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为：" + ticket);
ticket--;
} else {
break;
}
}
}
}
}
public class WindowTest1 {
public static void main(String[] args) {
Window1 w = new Window1();
Thread t1 = new Thread(w);
Thread t2 = new Thread(w);
Thread t3 = new Thread(w);
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}//使用同步代码块解决继承Thread类的方式的线程安全问题
class Window2 extends Thread{
private static int ticket = 100;
private static Object obj = new Object();
@Override
public void run() {
while(true){
//正确的
//synchronized (obj){
//在继承Thread类创建多线程的方式中，慎用this充当同步监视器，考虑使用当前类充当同步监视器。
synchronized (Window2.class){//Class clazz = Window2.class,Window2.class只会加载一次
//错误的方式：this代表着t1,t2,t3三个对象
//synchronized (this){
if(ticket > 0
System.out.println(getName() + "：卖票，票号为：" + ticket);
ticket--;
}else{
break;
}
}
}
}
}
public class WindowTest2 {
public static void main(String[] args) {
Window2 t1 = new Window2();
Window2 t2 = new Window2();
Window2 t3 = new Window2();
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}3. 同步方法
（1）synchronized还可以放在方法声明中，表示整个方法为同步方法。例如：
public synchronized void show (String name) {
….
}
（2）非静态的同步方法同步监视器是this。静态的同步方法同步监视器是当前类本身。
4. Lock(锁)
(1) 从JDK 5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——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。
(2) 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。
(3) ReentrantLock 类实现了 Lock ，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。
(4) Lock是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁），synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放。使用Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有更好的扩展性（提供更多的子类）。
(5) 优先使用顺序：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（在方法体之外）。
(6) 用Lock锁的方式解决窗口售票问题：
class Window implements Runnable{
private int ticket = 100;
//1.实例化ReentrantLock
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
while(true){
try{
//2.调用锁定方法lock()
lock.lock();
if(ticket > 0){
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：售票，票号为：" + ticket);
ticket--;
}else{
break;
}
}finally {
//3.调用解锁方法：unlock()
lock.unlock();
}
}
}
}五、线程的通信
1. 涉及到的三个方法
（1）wait() : 一旦执行此方法，当前线程就进入阻塞状态，并释放同步监视器。
（2）notify() : 一旦执行此方法，就会唤醒被wait的一个线程。如果有多个线程被wait，就唤醒优先级高的那个。
（3）notifyAll() : 一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程。
2. 举例说明
使用两个线程打印 1-100。线程1, 线程2 交替打印。代码如下：
说明：
（1） wait()，notify()，notifyAll()三个方法必须使用在同步代码块或同步方法中。
（2）wait()，notify()，notifyAll()三个方法的调用者必须是同步代码块或同步方法中的同步监视器。否则，会出现IllegalMonitorStateException异常
（3）因为这三个方法必须有锁对象调用，而任意对象都可以作为synchronized的同步锁， 因此这三个方法只能在Object类中声明。
3. 经典例题：生产者/消费者问题
分析：
- 是否是多线程问题？是，生产者线程，消费者线程
- 是否有共享数据？是，店员（或产品）
- 如何解决线程的安全问题？同步机制,有三种方法
- 是否涉及线程的通信？是
class Clerk{
private int productCount = 0;
//生产产品
public synchronized void produceProduct() {
if(productCount < 20){
productCount++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":开始生产第" + productCount + "个产品");
notify();
}else{
//等待
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
//消费产品
public synchronized void consumeProduct() {
if(productCount > 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":开始消费第" + productCount + "个产品");
productCount--;
notify();
}else{
//等待
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}class Producer extends Thread{//生产者
private Clerk clerk;
public Producer(Clerk clerk) {
this.clerk = clerk;
}
@Override
public void run() {
System.out.println(getName() + ":开始生产产品.....");
while(true){
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
clerk.produceProduct();
}
}
}class Consumer extends Thread{//消费者
private Clerk clerk;
public Consumer(Clerk clerk) {
this.clerk = clerk;
}
@Override
public void run() {
System.out.println(getName() + ":开始消费产品.....");
while(true){
try {
Thread.sleep(20);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
clerk.consumeProduct();
}
}
}public class ProductTest {
public static void main(String[] args) {
Clerk clerk = new Clerk();
Producer p1 = new Producer(clerk);
p1.setName("生产者1");
Consumer c1 = new Consumer(clerk);
c1.setName("消费者1");
Consumer c2 = new Consumer(clerk);
c2.setName("消费者2");
p1.start();
c1.start();
c2.start();
}
}六、JDK5.0新增线程创建方式
1. 实现Callable接口
与使用Runnable相比， Callable功能更强大些。实现Callable接口需要重写 call() 方法。call()方法：
（1）相比run()方法，可以有返回值
（2）方法可以抛出异常
（3）支持泛型的返回值
（4）需要借助FutureTask类，比如获取返回结果
//1.创建一个实现Callable的实现类
class NumThread implements Callable{
//2.实现call方法，将此线程需要执行的操作声明在call()中
@Override
public Object call() throws Exception {
int sum = 0;
for (int i = 1; i <= 100; i++) {
if(i % 2 == 0){
System.out.println(i);
sum += i;
}
}
return sum;
}
}
public class ThreadNew {
public static void main(String[] args) {
//3.创建Callable接口实现类的对象
NumThread numThread = new NumThread();
//4.将此Callable接口实现类的对象作为传递到FutureTask构造器中，创建FutureTask的对象
FutureTask futureTask = new FutureTask(numThread);
//5.将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，并调用start()
new Thread(futureTask).start();
try {
//6.获取Callable中call方法的返回值
//get()返回值即为FutureTask构造器参数Callable实现类重写的call()的返回值。
Object sum = futureTask.get();
System.out.println("总和为：" + sum);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
2. 使用线程池
（1）背景：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。
（2）思路：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。类似生活中的公共交通工具。
（3）好处：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（corePoolSize：核心池的大小、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 ） 。
（4）线程池相关API：ExecutorService 和 Executors
class NumberThread implements Runnable{
@Override
public void run() {
for(int i = 0;i <= 100;i++){
if(i % 2 == 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
}
}
}
}
class NumberThread1 implements Runnable{
@Override
public void run() {
for(int i = 0;i <= 100;i++){
if(i % 2 != 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
}
}
}
}
public class ThreadPool {
public static void main(String[] args) {
//1. 提供指定线程数量的线程池
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
//ThreadPoolExecutor service1 = (ThreadPoolExecutor) service;
//设置线程池的属性
// System.out.println(service.getClass());
// service1.setCorePoolSize(15);
// service1.setKeepAliveTime();
//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
service.execute(new NumberThread());//适合适用于Runnable
service.execute(new NumberThread1());//适合适用于Runnable
// service.submit(Callable callable);//适合使用于Callable
//3.关闭连接池
service.shutdown();
}
}