多线程(看这一篇就够了,超详细,满满的干货)

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一.认识线程（Thread）

1. 1) 线程是什么

⼀个线程就是⼀个 “执行流”. 每个线程之间都可以按照顺序执行自己的代码. 多个线程之间 “同时” 执行着多份代码,main()⼀般被称为主线程（Main Thread）。

1. 2) 为啥要有线程

首先, “并发编程” 成为 “刚需”.

• 单核 CPU 的发展遇到了瓶颈. 要想提高算力, 就需要多核 CPU. 而并发编程能更充分利用多核 CPU 资源.

• 有些任务场景需要 “等待 IO”, 为了让等待 IO 的时间能够去做⼀些其他的工作, 也需要用到并发编程. 其次,
  虽然多进程也能实现 并发编程, 但是线程比进程更轻量.

• 创建线程比创建进程更快.

• 销毁线程比销毁进程更快.

• 调度线程比调度进程更快.

最后, 线程虽然比进程轻量, 但是人们还不满足, 于是又有了 “线程池”(ThreadPool) 和 “协程”(Coroutine)
关于线程池我们后面再介绍. 关于协程的话题我们此处暂时不做过多讨论.

1.3) 进程和线程的区别

• 进程是包含线程的. 每个进程至少有⼀个线程存在，即主线程。
• 进程和进程之间不共享内存空间. 同⼀个进程的线程之间共享同⼀个内存空间.
• 进程是系统分配资源的最小单位，线程是系统调度的最小单位。
• ⼀个进程挂了⼀般不会影响到其他进程. 但是⼀个线程挂了, 可能把同进程内的其他线程⼀起带走(整 个进程崩溃)

标题1.4) Java的线程和操作系统线程的关系

线程是操作系统中的概念. 操作系统内核实现了线程这样的机制, 并且对用户层提供了⼀些API供用户使用(例如Linux的pthread库) 例如:Java标准库Thread的类可以视为是对操作系统提供的API进行了进⼀步的抽象和封装.

二.创建线程

方法1:继承Thread类

继承Thread来创建⼀个线程类,直接使用this就表示当前线程对象的引用

class MyThread extends Thread { 
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("这⾥是线程运⾏的代码");
    }
}
public class Test {
    public static void main(String[] args)  {
        MyThread t = new MyThread();
        t.start();
    }
}

方法2:实现Runnable接口

实现Runnable接口,this表示的是 MyRunnable 的引用.需要使用Thread.currentThread()

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("这⾥是线程运⾏的代码");
    }
}
public class Test {
    public static void main(String[] args)  {
        Thread t = new Thread(new MyRunnable());
        t.start();
    }
}

方法3:匿名内部类创建Thread子类对象

public class Test {
    public static void main(String[] args)  {
        // 使⽤匿名类创建 Thread ⼦类对象
        Thread t1 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("使⽤匿名类创建 Thread ⼦类对象");
            }
        };
    }
}

标题方法4:匿名内部类创建Runnable子类对象

public class Test {
    public static void main(String[] args)  {
        // 使⽤匿名类创建 Runnable ⼦类对象
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("使⽤匿名类创建 Runnable ⼦类对象");
            }
        });
    }
}

方法5:lambda表达式创建Runnable子类对象

public class Test {
    public static void main(String[] args)  {
        // 使⽤匿名类创建 Runnable ⼦类对象
        // 使⽤ lambda 表达式创建 Runnable ⼦类对象
        Thread t3 = new Thread(() -> System.out.println("使⽤匿名类创建 Thread ⼦类对象"));
        Thread t4 = new Thread(() -> {
            System.out.println("使⽤匿名类创建 Thread ⼦类对象");
        });
    }
}

三.Thread类及其方法

Thread 类是 JVM 用来管理线程的⼀个类，换句话说，每个线程都有⼀个唯⼀的 Thread 对象与之关联。而Thread 类的对象就是用来描述⼀个线程执行流的，JVM 会将这些 Thread 对象组织起来，用于线程调度，线程管理。

3.1Thread的常见构造方法

Thread t1 = new Thread();
Thread t2 = new Thread(new MyRunnable());
Thread t3 = new Thread("这是我的名字");
Thread t4 = new Thread(new MyRunnable(), "这是我的名字");

3.2Thread的几个常见属性

• ID是线程的唯⼀标识，不同线程不会重复

• 名称是各种调试工具用到

• 状态表示线程当前所处的⼀个情况，下面我们会进⼀步说明

• 优先级高的线程理论上来说更容易被调度到

关于后台线程，需要记住⼀点：JVM会在⼀个进程的所有非后台线程结束后，才会结束运行。 是否存活，即简单的理解，为run方法是否运行结束了

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                    Thread.sleep(1 * 1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 我即将死去")
        });
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": ID: " + thread.getId());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 名称: " + thread.getName());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 状态: " + thread.getState());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 优先级: " + thread.getPriority());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 后台线程: " + thread.isDaemon());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 活着: " + thread.isAlive());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 被中断: " + thread.isInterrupted());
        thread.start();
    }
}
    

3.3获取当前线程引用

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        System.out.println(thread.getName());
    }
}

3.4休眠当前线程

也是我们比较熟悉⼀组方法，有⼀点要记得，因为线程的调度是不可控的，所以，这个方法只能保证
实际休眠时间是大于等于参数设置的休眠时间的。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println(System.currentTimeMillis());
        Thread.sleep(3 * 1000);
        System.out.println(System.currentTimeMillis());
    }
}

四:线程的状态

4.1线程的所有状态

• NEW:安排了工作,还未开始行动
• RUNNABLE:可工作的.又可以分成正在工作中和即将开始工作.
• BLOCKED:这几个都表示排队等着其他事情
• WAITING:这几个都表示排队等着其他事情
• TIMED_WAITING:这几个都表示排队等着其他事情
• TERMINATED:工作完成了

4.2线程状态和状态转移的意义

4.3观察线程的状态和转移

示例1:

关注 NEW 、 RUNNABLE 、 TERMINATED 状态的转换

public class ThreadStateTransfer {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000_0000; i++) {
            }
        }, "李四");
        System.out.println(t.getName() + ": " + t.getState());;
        t.start();
        while (t.isAlive()) {
            System.out.println(t.getName() + ": " + t.getState());;
        }
        System.out.println(t.getName() + ": " + t.getState());;
    }
}

示例2:

关注 WAITING 、 BLOCKED 、 TIMED_WAITING 状态的转换

public static void main(String[] args) {
        final Object object = new Object();
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (object) {
                    while (true) {
                        try {
                            Thread.sleep(1000);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }
        }, "t1");
        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (object) {
                    System.out.println("hehe");
                }
            }
        }, "t2");
        t2.start();
    }

使用jconsole可以看到t1的状态是TIMED_WAITING,t2的状态是BLOCKED

结论:

• BLOCKED表示等待获取锁,WAITING和TIMED_WAITING表示等待其他线程发来通知.
• TIMED_WAITING线程在等待唤醒，但设置了时限;WAITING线程在无限等待唤醒

五:多线程带来的的风险-线程安全(重点)

5.1线程安全的概念

想给出⼀个线程安全的确切定义是复杂的，但我们可以这样认为：如果多线程环境下代码运行的结果是符合我们预期的，即在单线程环境应该的结果，则说这个程序是线程安全的。

5.2线程不安全的原因

线程调度是随机的,这是线程安全问题的罪魁祸首,随机调度使⼀个程序在多线程环境下,执行顺序存在很多的变数.程序猿必须保证在任意执行顺序下,代码都能正常工作.

5.3线程的几大特性

5.3.1:原子性

代码实现时不会受到其它线程的穿插执行,这样就保证了这段代码的原子性了。
有时也把这个现象叫做同步互斥，表示操作是互相排斥的。

5.3.2:可见性

⼀个线程对共享变量值的修改，能够及时地被其他线程看到.

Java内存模型(JMM):Java虚拟机规范中定义了Java内存模型.目的是屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到⼀致的并发效果.

• 线程之间的共享变量存在主内存(Main Memory).
• 每⼀个线程都有自己的"工作内存"(Working Memory)
• 当线程要读取⼀个共享变量的时候,会先把变量从主内存拷贝到工作内存,再从工作内存读取数据.
• 当线程要修改⼀个共享变量的时候,也会先修改工作内存中的副本,再同步回主内存,由于每个线程有自己的工作内存,这些工作内存中的内容相当于同⼀个共享变量的"副本".此时修改线程1的工作内存中的值,线程2的工作内存不⼀定会及时变化.

5.3.3:指令重排序

什么是代码重排序
⼀段代码是这样的：
1.去前台取下U盘
2. 去教室写10分钟作业
3. 去前台取下快递 如果是在单线程情况下，JVM、CPU指令集会对其进行优化，比如，按1->3->2的方式执行，也是没问 题，可以少跑⼀次前台。这种叫做指令重排序 编译器对于指令重排序的前提是"保持逻辑不发生变化".这⼀点在单线程环境下比较容易判断,但是 在多线程环境下就没那么容易了,多线程的代码执行复杂程度更高,编译器很难在编译阶段对代码的 执行效果进行预测,因此激进的重排序很容易导致优化后的逻辑和之前不等价. 重排序是⼀个比较复杂的话题,涉及到CPU以及编译器的⼀些底层工作原理,此处不做过多讨论

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