JavaEE：多线程(1)：线程是啥？怎么创建和操作？

进程的问题

本质上来说，进程可以解决并发编程的问题

但是有些情况下进程表现不尽如人意

1. 如果请求很多，需要频繁的创建和销毁进程的时候，此时使用多进程编程，系统开销就会很大

2. 一个进程刚刚启动的时候，需要把依赖的代码和数据从磁盘加载到内存中

但是从系统分配一个内存不是件容易事情

申请内存的时候需要指定大小，系统内部把各种大小的空闲内存，通过一定的数据结构组织起来

实际申请的时候要去这样的空间中查找，找到大小合适的空间，再进行分配

所以引入一个概念，线程

线程

线程称为轻量级进程，保持进程的独立调度执行，同时省去了分配资源和释放资源带来的额外开销

使用PCB描述一个线程

多个线程的PCB的内存指针指向同一个内存空间

这意味着只用创建第一个线程的时候需要从系统分配资源，后续的线程就不必分配，直接共用前面的那份资源就可以了

除了内存之外，文件描述符表(硬盘资源)也是多个线程共用一份的

把能够进行资源共享的线程分成组，称为线程组

一个进程可以有1个PCB，也可以有多个PCB（意味着这个进程包含了一个线程组，也就是包含多个线程）

上面图中这多个线程合起来就是一个进程

进程和线程的关系

有线程之前，进程要扮演两个角色：资源分配的基本单位；调度执行的基本单位

有线程之后，进程专注于资源分配，线程专注于调度执行

例子：一个滑稽吃100只鸡，消耗的时间比较多

第一个方案：搞两个房间，每个滑稽吃50只，速度大幅度增加

这个相当于多进程，创建新的进程就要申请更多的资源（房间和桌子）

第二个方案，房间和桌子数量不变，但是滑稽数量增加到两个

这种就是多线程，资源开销更小 

更多的滑稽，每个滑稽分到的鸡就更少了，但是速度更快了

但是线程分配越多越好吗？

当引入的线程达到一定数量之后，再继续引入线程就没办法提升了，因为线程之间会竞争CPU资源，但是CPU资源是有限的，非但提高不了效率，还会增加调度的开销

而且多个线程之间会打架，可能导致代码中出现逻辑错误

这种就是线程安全问题

另外，多线程共享资源也有副作用，1号和2号滑稽抢鸡腿，1号抢到了，2号勃然大怒：都别吃了！直接把整个桌子给破坏了

也就是说，一个线程如果抛出异常而且没有处理好的话，可能会导致整个进程被终止

总结一下

1. 进程包含线程

2. 每个线程是一个独立的执行流，可以执行代码并参与CPU调度中（每个线程都有状态，优先级，记账信息和上下文）

3. 每个线程都有自己的资源，进程中的线程共享一份资源

4. 进程和线程之间，不会相互影响。但是如果同一个进程中某个线程抛出异常，可能导致进程中其他线程异常终止

5. 同一个进程中的线程之间会互相干扰，引起线程安全问题

6. 线程太多会导致调度开销过多的问题

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多线程编程

Java推荐多线程编程，系统提供了多线程编程的API

Java里一般把跑起来的程序称为进程，没有运行起来的程序(exe)，称为可执行文件

一个进程里的第一个线程称为主线程，main方法就是主线程的入口

创建线程

这里的run类似于main方法，是一个Java进程的入口方法；不需要程序员手动调用，会在合适的时机（线程创建好了之后），被JVM自动调用执行

这种风格的函数被称为回调函数

(回调函数是一种特殊的函数，它作为参数传递给另一个函数，并在被调用函数执行完毕后被调用)

为什么要override呢？

重写的本质是扩展现有的类，Thread标准库里面的run是不知道你的需求是什么，必须要手动指定

//1. 创建一个自己的类来继承Thread（在java.lang里面，自动导包）
class MyClass extends Thread{
    @Override
    public void run(){
        System.out.println("hello world");
    }
}
public class ThreadDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        //2. 根据刚才的类创建出实例（线程实例才是真正的线程）
        Thread t = new MyClass();
        //3.调用Thread的start方法，才会真正调用API，在系统内核中创建出线程
        //对于同一个Thread对象来说，start只能调用一次
        t.start();
    }
}

操作系统的内核：操作系统最核心的功能模块，负责管理硬件，给软件提供稳定的运行环境

例子：

我们平时运行的idea，qq音乐这些应用程序都是运行在用户态了

但是这些程序有时候需要针对一些系统提供的软硬件资源进行操作，这些操作需要调用系统的api，进一步在内核钟完成这样的操作

为什么要划分出用户态和内核态？

为了稳定，防止应用程序把硬件设备或者软件资源给搞坏了

系统封装了一些API，这些API属于合法操作，这些应用程序只能调用这些合法API，就不会被系统/硬件设备造成伤害

操作系统 = 内核+配套的应用程序

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观察线程流

例子

按照之前的理解，如果一个代码中出现两个死循环，最多只能执行一个，另一个循环就进不去了

但真正运行程序可以看到两个循环都在执行

此处调用start创建线程之后，兵分两路；一路沿着main方法继续执行，打印hello main

另一路进入到线程的run方法，打印hello thread  

此时两个线程并发执行，但是这些线程执行的先后顺序是不确定的

因为操作系统的内核中有一个调度器模块，这个模块的实现方式是一种类似于随机调度的效果

随即调度？（也是抢占式执行）

1. 一个线程什么时候被调度到CPU上执行，时机是不确定的

2.一个线程什么时候从CPU上下来，给别的线程让位，时机也是不确定的

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不只是可以用打印来观察，我们还可以用jdk中的jconsole工具来进一步分析出线程流

点进去，选择本地连接，连接到我们刚刚的程序中（注意刚刚的程序要运行起来才能在这里找到）

 

 

一个Java进程中，包含的线程很多，除了我标出来的两个线程

其余的线程都是JVM自带的线程，进行一些垃圾回收，监控统计各种指标，把统计指标通过网络的方式传输给其他程序

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由于我们的程序中的两个循环都是死循环，循环体就单纯打印，一旦程序运行起来，这俩循环就会转地飞快；也会导致CPU占用率比较高，进一步提高电脑的功耗

我们可以在循环中加入一个Thread提供的静态方法sleep来降低循环速度

class MyThread2 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            System.out.println("hello thread");
            try {
                sleep(1000);//每秒钟打印一次
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}
public class ThreadDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new MyThread2();
        t.start();

        while(true){
            System.out.println("hello main");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

这里为什么不能直接用sleep(1000)呢？

因为sleep这个过程中可能被提前唤醒

为什么第一个sleep只有一个try catch的处理选项而不能throws，而第二个sleep可以throws异常？

如果这里加上throws，修改方法签名，此时就无法构成重写了，因为父类的run没有throws这个异常，子类重写的时候就不能throws异常 

我们可以看见两个线程交替运行，而且先执行main还是thread是不一定的

但是，由于我们主线程main调用start方法之后就立即往下执行打印了，内核就要通过刚才线程的API构建出线程出来，并且执行run

因为线程创建本身就有开销，所以第一轮打印的时候，在创建线程开销本身的影响下，hello thread会比hello main慢一点打印出来

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创建线程其他方式

上面是线程创建的第一种方式：继承Thread，重写run

下面介绍第二种方式：实现Runnable接口，重写run

class MyThread3 implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            System.out.println("hello runnable");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
public class ThreadDemo3 {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new MyThread3();//只是一段可执行的代码
        Thread t = new Thread(runnable);//还要搭配Thread类，才能真正在系统中创建出线程
        t.start();
        while(true){
            System.out.println("hello main");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

这种写法其实就是把线程和要执行的任务进行了解耦合了

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第三种写法：继承Thread，重写run，但是使用匿名内部类

写{ }意思是要定义一个类，这个新类继承自Thread，此处{ }中可以定义子类的属性和方法。这里最主要重写run方法

public class ThreadDemo4 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                while(true){
                    System.out.println("hello thread");
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        t.start();
        while (true){
            System.out.println("hello main");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

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第四种方法：实现Runnable，重写run，实现匿名内部类

public class ThreadDemo5 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while(true){
                    System.out.println("hello runnable");
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
            }
        });
        t.start();
        while(true){
            System.out.println("hello main");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

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第五种方法：使用lambda表达式（推荐使用）

Thread构造方法有好几个版本，编译器在编译的时候挨个往里匹配，其中匹配到Runnable这个版本的时候发现run方法无参数，正好能和lambda对上

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Thread其他属性和方法

Thread(String name) ：自己创建的线程，默认是按照Thread-0 1 2 3 ...

给线程起名字不会影响线程执行，只是方便调试

⚠线程之间的名字是可以重复的

    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while(true){
                    System.out.println("hello thread");
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        },"这是我的线程");
        t.start();
    }

 运行起来查看一下线程

这里的“这是我的线程”就是刚刚创建的新线程

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getId()：JVM自动分配的身份标识，会保证唯一性

isDaemon：判断是否是守护线程（后台线程）

后台？

前台线程的运行会阻止进程结束

后台线程的运行不会阻止进程结束

观察我们上面的线程执行图，列表中已经没有main了，但是t仍在执行

此时的t就属于是前台线程，只要前台线程没执行完，进程就不会结束

把这个线程改成后台

我们发现啥都没打印，说明后台线程无法阻止进程结束

JVM里其他线程都是后台线程

isAlive：表示内核中的线程PCB是否还存在

当我们输入t.start()的时候就真正在内核中创建出这个PCB，此时isAlive就是true

⚠Java定义的线程对象的生命周期和内核中的PCB生命周期是不完全一样的

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中断线程

让run()方法提前执行完毕，也就能提前终止线程了

    private static boolean isQuit = false;
    public static void main(String[] args) {
        //lambda表达式本质上就是函数式接口，也就是匿名内部类，内部类访问外部类成员天经地义
        Thread t = new Thread(()->{
            while(!isQuit){
                System.out.println("我是一个线程，工作中");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("线程工作完毕");
        });
        t.start();
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("让进程结束");
        isQuit = true;
    }

上面的代码是让main线程打印完毕之后才会设置isQuit，t线程的循环才会结束

如果是先isQuit = true之后再打印“让进程结束”的话，是主线程先进行打印还是t线程先进性打印就不确定了

诶？那能不能把isQuit写进main函数里把它变成局部变量呢？

哦吼，编译出错！

lambda表达式讲过一个语法：变量捕获，可以访问到外面定义的局部变量。那为啥还报错？？

看看这里的报错信息，访问到的局部变量得是final或者事实final修饰的

根据报错信息，我们得在上面加一个final

但是下面的isQuit = true又报错了，因为final定义的变量不能修改

所以嘞，isQuit无法作为局部变量

再继续挖~为啥Java这里对于变量捕获有final的限制？

isQuit是局部变量的时候是属于main方法的栈帧中，但是Thread lambda是有自己独立的栈帧的

这样可能导致main方法执行完了，栈帧销毁了，同时Thread的栈帧还存在，还想用isQuit。因为变量捕获本质上是传参，也就是让lambda表达式在自己的栈帧中创建一个新的isQuit，并把外面的isQuit的值拷贝进来

Java为了防止isQuit不同步，干脆不让你修改isQuit，就是让你加个final

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上面那样写还不够优雅，下面推荐一手更优雅的写法

Thread提供了这种方法，用于获取当前的线程实例t

public class ThreadDemo13 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            //isInterrupted 判定标志位
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                System.out.println("我是一个线程, 正在工作中...");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("线程执行完毕!");
        });

        t.start();

        Thread.sleep(3000);
        // 使用一个 interrupt 方法, 来修改刚才标志位的值，设置标志位
        System.out.println("让 t 线程结束");
        t.interrupt();
    }
}

t.interrupt相当于isQuit = true

但是上面的代码有一个报错异常，其实也是这里的interrupt导致sleep出现异常

在在执行sleep的过程中，调用interrupt，大概率sleep的时间还没到，被提前唤醒了

提前唤醒的话程序会做两件事：

1. 抛出interruptedException（接着被catch到）

2. 清除Thread对象的isInterrupted标志位（sleep清除的）

sleep(1000)，可能1000ms都没到就要终止线程，相当于前后两个矛盾的操作；

所以sleep清除标志位可以给程序员更多的可操作空间：

1）让线程提前结束（加break）

2）让线程不结束，继续执行（不加break）

3）让线程执行一些逻辑之后再结束（写其他代码再break）

要想让进程结束，只需要在catch里面加上break就行了

不想要打印异常信息就把这一行注释掉就行了

实际开发中，catch里面需要写什么代码？

1. 尝试自动回复的程序

2. 记录日志（非严重的问题）

3. 发出报警（严重问题）

4. 少数正常业务逻辑（比如文件操作）

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等待线程

前面提到，多个线程底层的执行顺序是不确定的

但是我们可以在应用程序中，通过一些api来影响线程的执行顺序

join关键字：影响线程结束的先后顺序

实现t2线程等待t1线程，就要让t1先结束，t2后结束；join可以使t2线程阻塞

t.join();

在main线程中调用上面这个代码，意思是让main线程等待t线程结束（t执行，main阻塞）

具体来说，执行join的时候会先看t线程是否正在运行，如果t运行中，main线程就会阻塞

t运行结束，main线程就会从阻塞状态恢复，继续往下执行

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练习：让主线程创建一个新线程，由新线程负责1+2+...+1000的运算

public class ThreadDemo15 {
    private static int result = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i <= 1000 ; i++) {
                result += i;
            }
        });
        t.start();
        //使用sleep，但是不知道t线程要执行多久，sleep里面的时间不好填
        //Thread.sleep(1000);

        //使用join，严格按照t线程执行结束来作为等待条件
        //什么时候t运行结束，什么时候join结束等待
        t.join();

        System.out.println("result: " + result);
    }
}

如果数据量大一点，可能这个线程就会计算的很慢，比如

i <= 10_0000_0000L

我们可以分多几个线程一起计算

三个线程兵分三路，并发执行（并发 = 并行（t和t2在两个不同核心上同时执行）+并发（t和t2在同一个核心上分时复用执行））

关于join的细挖

第一个join是死等，就一根筋一定要等到你的t线程执行完才能继续下一个线程

第二个是带有超时时间的等，等有一个时间上限的（超时时间），如果等待的时间超时了，那就不等了

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获取线程引用

如果是继承Thread，直接使用this拿到线程实例

class MyThread5 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(this.getId() + ", " + this.getName());
    }
}
public class ThreadDemo16 {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread5 t1 = new MyThread5();
        MyThread5 t2 = new MyThread5();
        t1.start();
        t2.start();
        System.out.println(t1.getId() + ", " + t1.getName());
        System.out.println(t2.getId() + ", " + t2.getName());
    }
}

如果是Runnable 或者 lambda的方式，this就无能为力了，此时this已经不再指向Thread对象了

就只能使用Thread.currentThread

public class ThreadDemo17 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            Thread t = Thread.currentThread();
            System.out.println(t.getName());
        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            Thread t = Thread.currentThread();
            System.out.println(t.getName());
        });

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

线程的状态/线程安全详见下一篇博客