Java基础知识梳理&多线程

Java 多线程编程

Java 给多线程编程提供了内置的支持。 一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。

多线程是多任务的一种特别的形式，但多线程使用了更小的资源开销。

这里定义和线程相关的另一个术语 - 进程：一个进程包括由操作系统分配的内存空间，包含一个或多个线程。一个线程不能独立的存在，它必须是进程的一部分。一个进程一直运行，直到所有的非守护线程都结束运行后才能结束。

多线程能满足程序员编写高效率的程序来达到充分利用 CPU 的目的。

一个线程的生命周期

线程是一个动态执行的过程，它也有一个从产生到死亡的过程。

下图显示了一个线程完整的生命周期。

 

线程的优先级

每一个 Java 线程都有一个优先级，这样有助于操作系统确定线程的调度顺序。

Java 线程的优先级是一个整数，其取值范围是 1 （Thread.MIN_PRIORITY ） - 10 （Thread.MAX_PRIORITY ）。

默认情况下，每一个线程都会分配一个优先级 NORM_PRIORITY（5）。

具有较高优先级的线程对程序更重要，并且应该在低优先级的线程之前分配处理器资源。但是，线程优先级不能保证线程执行的顺序，而且非常依赖于平台。

创建一个线程

Java 提供了三种创建线程的方法：

• 通过实现 Runnable 接口；
• 通过继承 Thread 类本身；
• 通过 Callable 和 Future 创建线程。

Runnable

当某个对象具有Runnable接口，即表明它有run()方法，但也就仅此而已，并不像从Thread能继承而来的那些类，它本身并不带有任何线程有关的特性，所以要从Runnable对象产生一个线程
，必须创建一个单独的Thread对象，并把Runnable对象传递给专门的Thread构造器函数。然后，可以对这个线程对象调用start()方法以执行一些通常的初始化工作，接着调用run();

Thread

需要注意的是，不要调用Thread类的run()方法，直接调用run()方法只在当前线程中执行任务，并不会启动新的线程。正确的是调用Thread类的start()方法，它会创建一个新的线程来执行run()方法。

Callable 和 Future

1. 创建 Callable 接口的实现类，并实现 call() 方法，该 call() 方法将作为线程执行体，并且有返回值。

2. 创建 Callable 实现类的实例，使用 FutureTask 类来包装 Callable 对象，该 FutureTask 对象封装了该 Callable 对象的 call() 方法的返回值。

3. 使用 FutureTask 对象作为 Thread 对象的 target 创建并启动新线程。

4. 调用 FutureTask 对象的 get() 方法来获得子线程执行结束后的返回值。

创建线程的三种方式的对比

• 1. 采用实现 Runnable、Callable 接口的方式创建多线程时，线程类只是实现了 Runnable 接口或 Callable 接口，还可以继承其他类。

• 2. 使用继承 Thread 类的方式创建多线程时，编写简单，如果需要访问当前线程，则无需使用 Thread.currentThread() 方法，直接使用 this 即可获得当前线程。

线程的控制

• 让步:

   如果知道run()方法中已经完成了所需的工作，就可以给线程调度机制一个暗示——可以让别的线程使用CPU了，这个暗示将通过调用yield()方法来发出（这只是一个暗示，没有任何机制保证他将会采纳）。

• 休眠:

  另一种控制线程行为的方法是调用sleep()，这将使线程定制执行一段时间，该时间由给定的毫秒数决定。在调用sleep()方法的时候，必须把它放在try块中，这是因为sleep()方法在休眠时间到期之前有可能被中断。如果某人持有对此线程的引用，并且在此线程上调用了interrupt()方法就会发生这种情况。

• 优先级:

  线程的优先级能告诉调度程序的重要性，尽管CPU处理现有线程集的顺序是不确定的，但是如果有许多线程被阻塞并在等待运行，那么调度程序将倾向于当优先级最高的线程先执行。然而，这并不是意味着优先级
  较低的线程将得不到执行，它们仅仅是执行的频率较低。
  java 线程的优先级是一个整数，其取值范围是 1 （Thread.MIN_PRIORITY ） - 10 （Thread.MAX_PRIORITY ）。默认情况下，每一个线程都会分配一个优先级 NORM_PRIORITY（5）。具有较高优先级的线程对程序更重要，并且应该在低优先级的线程之前分配处理器资源。但是，线程优先级不能保证线程执行的顺序，而且非常依赖于平台。

• 后台线程:

  所谓后台线程，是指在程序运行的时候在后台提供一种通用服务的线程，而且这种线程并不属于程序中不可或缺的部分。当所有的非后台线程结束时，程序也就终止了。因此，不要在后台线程中访问固有资源，如文件、数据库，因为他会在任何时候发生中断。

• 加入到某个线程:

  一个线程可以在其他线程上调用join()方法，其效果是等待一段时间知道第二个线程结束才继续执行。如果某个线程在另一个线程t上调用t.join()，此线程将被挂起，知道目标线程t结束才恢复(即 t.isAlive()返回值为false)。也可以在调join()时带上一个超时参数，这样如果目标线程在这段时间到期时还没有结束的话，join()方法总能返回。
  对join()方法的调用可以被中断，作法是在调用线程上调用interrupt()方法，因此必须把它放到try块中。

线程的状态

• 新建状态:

  使用 new 关键字和 Thread 类或其子类建立一个线程对象后，该线程对象就处于新建状态。它保持这个状态直到程序 start() 这个线程。

• 就绪状态:

  当线程对象调用了start()方法之后，该线程就进入就绪状态。就绪状态的线程处于就绪队列中，要等待JVM里线程调度器的调度。

• 运行状态:

  如果就绪状态的线程获取 CPU 资源，就可以执行 run()，此时线程便处于运行状态。处于运行状态的线程最为复杂，它可以变为阻塞状态、就绪状态和死亡状态。

• 阻塞状态:

  如果一个线程执行了sleep（睡眠）、suspend（挂起）等方法，失去所占用资源之后，该线程就从运行状态进入阻塞状态。在睡眠时间已到或获得设备资源后可以重新进入就绪状态。可以分为三种：

  • 等待阻塞：运行状态中的线程执行 wait() 方法，使线程进入到等待阻塞状态。

  • 同步阻塞：线程在获取 synchronized 同步锁失败(因为同步锁被其他线程占用)。

  • 其他阻塞：通过调用线程的 sleep() 或 join() 发出了 I/O 请求时，线程就会进入到阻塞状态。当sleep() 状态超时，join() 等待线程终止或超时，或者 I/O 处理完毕，线程重新转入就绪状态。

• 死亡状态:

  一个运行状态的线程完成任务或者其他终止条件发生时，该线程就切换到终止状态。

线程的同步

• 共享受限资源:

  单线程程序可以当做是在问题域求解的单一实体，每次只能做一件事情。因为只有一个实体，所以永远也不会担心诸如“两个实体试图同时使用一个资源”这样的问题。在多线程的环境中，可以同时做多件事情。但是，两个或多个线程同时使用一个受限资源的问题也出现了，必须防止这种资源访问的冲突，否则就可能会发生两个线程试图同时访问同一个银行账户，或向同一个打印机打印、改变同一个值等诸如此类问题。

  • 不确定的访问资源：要防止这类冲突，只要在线程使用资源的时候给他加上一把锁就行了。访问资源的第一个线程给资源加锁，然后其他线程就只能等到锁被解除后才能访问资源，锁解除的同时另一个线程就可以对该资源加锁并进行访问了。

  • 解决共享资源竞争：每个对象都含有单一的锁(也称为监视器)，这个锁本身就是对象的一部分。当在对象上调用其任意synchronize方法的时候，此对象都被加锁，这是该对象上其他synchronize方法只有等到前一个方法调用完成并释放了锁之后才能被调用。所以，对于某个特定的对象来说，其所有synchronize方法共享一个锁，这能防止多线程同时访问编码公用的内存。
    一个线程可以多次获得对象上的锁，如果这个方法在同一个对象上调用了第二个方法，后者有调用了同一个对象上的另一个方法，就会发生这种情况。JVM负责跟踪对象被加锁的次数，如果一个对象被解锁(即完成释放);
    其计数变为0。在线程第一次给对象加锁的时候，计数变为1。每次线程在这个对象上获得了锁，计数都会增加。显然，只有首先获得了锁的线程才能允许继续获得多个锁。每当线程离开一个synchronize方法，计数减少，
    当计数为0,的时候，锁被完全释放，此时别的线程就可以使用此资源。

  • 临界区：有时我们只是希望防止多个线程同时访问方法内部的部分代码，而不是防止访问整个方法。通过这种方式分离出来的代码段被称为“临界区”，它也是使用synchronize关键字建立的。这里，synchronize被用来指定某个对象，此对象的锁被用来对括号内的代码进行同步控制。这也被称为“同步控制块”。在进入此代码前，必须得到syncObject对象的锁，如果其他线程已经得到了这个锁，那么就得等到锁被释放以后，才能进入临界区。

  • 锁对象：除使用synchronize关键字外，Java SE 5.0 引入了ReentrantLock类。使用ReentrantLock类保护代码块的基本结构，需要注意的是，把解锁操作放在finally语句中是至关重要的。如果被保护的代码抛出异常，
    所必需的被释放，否则其他线程将永远被阻塞。

• 线程间的协作:

  在理解了线程之间可能存在相互冲突，以及怎样避免冲突之后，下一步就要是学习怎样使线程之间相互协作。这种协作关键是通过线程间的“握手机制”来进行的，这种握手可以通过Object的方法wait()和notify()来安全的实现，也可以通过条件对象来实现。

• 死锁:

  1）互斥条件，线程使用的资源中至少有一个是不能共享的资源
  2）至少有一个线程，他必须持有一个资源且正在等待获取一个当前被别的线程持有的资源
  3）资源不能被线程抢占，所有的线程必须把资源释放当作普通事件
  4）必须有循环等待，这时，一个线程等待其他线程所持有的资源，后者又在等待另一个线程所持有的资源，这样一直下去，直到有一个线程在等待第一个线程所持有的资源，是的大家都被锁住
  只有这些条件全部满足时死锁才会发生。所以要防止死锁只需要破坏其中一个即可，Java对死锁并没有提供语言层面的支持，我们只能通过仔细的设计程序来避免死锁。

• 中断线程:

  有时候线程阻塞，比如在等待输入的时候，这是可以使用Thread.interrupt()方法来跳出阻塞代码，线程被中断后，可以将线程的引用设为null，这样垃圾回收器就可以清理这个对象了，对于长期运行的程序来说，这很重要。

 

多线程的使用

有效利用多线程的关键是理解程序是并发执行而不是串行执行的。例如：程序中有两个子系统需要并发执行，这时候就需要利用多线程编程。

通过对多线程的使用，可以编写出非常高效的程序。不过请注意，如果你创建太多的线程，程序执行的效率实际上是降低了，而不是提升了。

请记住，上下文的切换开销也很重要，如果你创建了太多的线程，CPU 花费在上下文的切换的时间将多于执行程序的时间！