Java多线程基础

一、基本概念

程序：

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）：

程序的依次执行过程，或是正在内存中运行的应用程序。如：运行的微信，运行的有道云笔记，运行的360安全软件等等。

• 每个进程都有一个独立的内存空间(所以多进程下全局变量不能共享)，系统运行一个程序即是一个从进程从创建，就绪，运行到消亡的过程(声明周期)
• 程序是静态的，进程是动态的。
• 进程作为操作系统调度和分配资源的最小单位(也是系统运行程序的基本单位)，系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域。
• 现代的操作系统，大都支持多进程的，支持同时运行多个程序。比如：现在我们上课一边使用编辑器，一边使用录屏软件，同时还开着画图板
• 进程之间不共享内存，即全局变量不能共享。

线程（thread）：

进程可进一步细化线程，是程序内部的一条执行路径。一个进程至少有一个线程。比如360安全软件可以一边杀毒，一边清理垃圾文件，一边进行启动项优化；像QQ开多个窗口等等。

• 一个进程同一时间若并行执行多个线程，就是支持多线程的。就是操作系统的任务调度器能在不同的时间切换不同的线程，如下是简单的进程线程图

• 线程作为CPU调度和执行的最小单位
• 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元，他们从同一个内存堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这使得线程间通信更简便、高效。但多线程操作共享的系统资源可能会带来安全的隐患。
• 下图是多线程的JVM实例图：

线程和进程的区别：

• 进程一个运行中的程序。
• 运行中的进程的一条或多条执行路径

线程的应用场景：

• 手机app应用的图片下载
• 迅雷下载
• Tomcat的web应用，多个客户端发起的请求，Tomcat针对多个请求开辟多个线程进行处理
  

并行和并发的概念

• 并行：指两个或多个事件在同一个时间点发生(同时发生)。指在同一个时间点，多条指令在多个CPU上同时执行。比如，多个进程同时做不同的任务。比如一套采集系统，放在不同的服务器上爬取优秀的Java学习资料，其中A服务器只负责的是CSDN，B服务器只负责的是51cto，C服务器只负责的是稀土掘金等等。
• 并发：指两个或多个时间在同一个时间段内发生。即在同一个时间段内，有多条指令在单个CPU上``快速轮换，交替执行，使得宏观上具有多个进程同时执行的效果。

二、线程的启动和创建

概述

• Java语言的JVM运行程序运行多个线程，使用java.lang.Thread类代表线程，所有的线程对象都必须Thread类或其子类的实例。
• Thread类的特性
  • 每个线程都是通过某个特定Thread对象的run()方法来完成操作的，因此把run()方法体称为线程执行体。
  • 通过该Thread对象的start()方法来启动这个线程，而非直接调用run()
  • 要想实现多线程，必须在主线程中创建新的线程对象。
    

实现方式1：继承Thread类

java通过继承Thread类来创建并启动多线程的步骤如下：

1. 创建一个继承于Thread类的子类
2. 重写Thread类的run()方法—>将此线程需要执行的操作，声明在此方法体中
3. 创建Thread子类的实例，即创建了线程对象
4. 调用线程对象的start()方法来启动该线程

实现方式2：实现Runnable接口

由于Java是单继承模式，如果一个类在继承了Thread类之后就不能再去继承其他类了，这样子处理业务有局限性，所以就通过实现Runnable接口的方式来实现多线程，同时又能继承其他类。

1. 创建一个实现Runnable接口的类
2. 实现接口中的run()方法—>将此线程需要执行的操作，声明在此方法体中
3. 创建当前实现类的对象
4. 将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的实例，(其实此对象其实传递的是共享数据)
5. Thread类的实例调用start()；1.启动线程，2.调用当前线程的run()

两种方式的对比

• 共同点：
  • 1、启动线程，使用的都是Thread类中定义的start()
  • 2、创建线程对象，都是Thread类或其子类的实例。
• **不同点：**Thread是类的继承，Runnable是接口的实现。
  • Runnable接口实现可以当作是一个任务处理，继承Thread就是当作是一个子线程
  • 建议：使用实现Runnable接口的方式
  • Runnable方式的好处：
    • 1、实现的方式，避免类的单继承的局限性
    • 2、更适合处理有共享数据的问题。
    • 3、实现了代码和数据的分离。
• 代码格式不同：
  • 继承自Thread类：

public class MyThreadTest {
    public static void main(String args) {
        MyThread t = new MyThread();
        t.start();	//①启动线程，②调用t1.run()
    }
}

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        //子线程的逻辑处理
        ...
    }       
}

• 实现Runnable接口：

public class MyTheadTest2 {
    public static void main(String args) {
        //创建一个MyRunnable对象作为一个任务传给线程
        MyRunnable task = new MyRunnable();
        MyThread2 t = new Thread(task);
        t.start
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        //子线程的逻辑处理
        ...
    }
}

• 两者关系：其实Thread类也是基于继承字Runnable接口来实现的
  • public class Thread implements Runable

三、线程的常用结构

线程中的构造器

• public Thead()：分配一个新的线程对象。
• public Thread(String name)：分配一个指定名字的新的线程对象。
• public Thread(Runnable target)：指定创建线程的目标对象，它实现了Runnable接口中的run方法
• public Thread(Runnable target,String name)：分配一个带有指定目标新的线程对象，并指定名字
  

线程中的常用方法

• start()：①启动线程，②调用线程的run()方法
• run()：将线程中要执行的操作，声明在run()中。
• currentThread()：静态方法，获得当前执行代码对应的线程名
• setName(String name)：给当前线程设置名字
• getName()：获得当前线程的名字
• sleep(long millSecond)：静态方法，当前线程休眠的指定毫秒数
• yield()：静态方法，一旦执行此方法，当前线程就先暂停运行，释放CPU的执行权，切换给其他线程。等重新获得执行权后，接着上一个位置继续往下执行
• join()：等待某个线程结束，在线程a通过线程b调用join()，意味着线程a进入阻塞状态，直到b线程执行结束，线程a才结束阻塞状态，继续往下执行。使用场景：a线程需要通过b线程获得的数据共享，才能处理下一步逻辑。像b线程在做网络请求获取数据，需要一定的时间，可以用这种方式。
• isAlive()：线程是否存活。
• stop()：不建议使用，已过时。强行结束一个线程的执行，直接进入死亡状态。run()即刻停止，可能会导致一些清理工作无法完成，如文件，数据库等的关闭。同时，会立即释放该线程所持有的所有锁，导致数据得不到同步处理，出现数据不一致的问题。
• suspend() / resume()：不建议使用，已过时。这两个操作就好比播放器的暂停和恢复。二者必须成对出现，否则容易死锁，因为suspend()调用会导致线程暂停，但不会释放锁，导致其他线程都无法访问被它占用的锁，直到调用resume()。
  

线程的优先级

每个线程都有一定的优先级，同时优先级线程组成先进先出队列（先到先服务），使用分时调度策略。优先级高的线程采用抢占式策略，获得较多的执行机会。每个线程默认的优先级都与创建它的父线程具有相同的优先级。
在单核CPU下的运行效果明显，在多核CPU下，不怎么明显。

• Thread类的三个优先级常量
  • MAX_PRIORITY（10）：最高优先级
  • MIN_PRIORITY（1）：最低优先级
  • NORM_PRIORITY（5）：普通优先级，默认情况下main线程具有普通优先级，即使main优先级最高
• public final int getPriority()：返回线程优先级
• public final void setPriority(int newPriority)：改变线程的优先级，范围在[1,10]之间

4 线程的生命周期

Java语言使用Thread类及其子类的对象来表示线程，在它的一个完整的生命周期中通常要经历如下一些状态：

• JDK1.5之前5种状态：

• JDK1.5之后的6种状态：

或借鉴网上找的图：

四、线程安全

场景：库存超卖

1. 由于秒杀业务是属于高并发的，需要使用多线程。当一个线程在处理并发请求时，遇到了耗时业务时可能会阻塞，其实流程并未结束，还没减库存，CPU把执行权让给其他线程；而其他线程进来还是认为库存>0的，继续往下执行，遇到耗时业务的时候又阻塞，同样也是流程没走完;
2. 在耗时业务结束后，线程拿到CPU执行权，继续下一个流程即对库存进行减操作，当最后一个库存=1时，同时又存在多个线程来完成还未结束的流程进行减库存时，超卖现象就出现了。
3. 因为库存是一份共享数据，所以那些未执行完流程的线程继续来对同一个库存数据进行减操作，导致库存变成负数

解决方案：同步机制

采用线程同步机制来处理，即必须保证当前线程A在减库存时，其他线程必须等待，直到线程A操作库存结束以后，其他线程才可以进来继续操作库。

方式1：同步代码块

• 代码格式：

...
synchronized(同步监视器) {
    //需要被同步的代码
}
...

• 说明：
  • 需要被同步(上锁)的代码即为操作共享数据的代码。
  • 共享数据：即多个线程需要操作的数据，比如：库存
  • 需要被同步的代码，在被synchronized包裹以后，就是的一个线程在操作这些代码过程中，其他线程必须等待。
  • 同步监视器，俗称锁。哪个线程获取了锁，那个线程就能执行需要被同步的代码。
  • 同步监视器，可以使用任何一个类的对象充当。但是，多个线程必须共用同一个监视器
• 注意：
  • 在实现Runnable接口的方式中，因对象实例共享的是同一份，所以同步监视器可以考虑使用：this
  • 在继承Thread类的方式中，因为多个线程是多个实例对象，同步监视器要慎用this，可以使用当前类.class或者使用一个静态的对象来表示
    

方式2：同步方法

• Runnable接口实现的同步监视器：

// 此时的同步监视器是：this。外部线程调用的对象实例 xxx 是一个共享数据，是唯一的
public synchronized void showInfo() {
    ....
}

• 继承Thread类的同步监视：

// 此时同步监视器为当前类本身，即为ThreadSyncMethod.class
public synchronized void rushToBuy() {
    ...
}

• 说明：
  • 如果操作共享数据的代码完整的声明在一个方法中，那么我们就可以将此方法声明为同步方法即刻
  • 非静态的同步方法，默认同步监视器为this
  • 静态的同步方法，默认同步监视是当前类.class
    

同步机制的利弊：

• 好处：解决了线程的安全问题
• 弊端：在操作共享数据时，多线程其实是串行执行的，意味着性能低。
  

同步机制带来的死锁

• 概念：

不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃，都在等待对方放弃自己需要的同步资源，就形成了死锁。

• 如何看待死锁？

  • 我们编写程序时，要避免死锁

• 诱发死锁的原因？

不管是同步代码块还是同步方法，两个线程s1,s2同时相互等待对方释放锁的时候，就会产生死锁；即线程s1的程序调用了s2的程序，s2里面上了同步锁，同时线程s2的程序也调用了s1的程序，s1里面也上了同步锁。这就会造成同时等待锁的释放，但都因为阻塞了，无法释放导致死锁了。

• 互斥条件
• 占用且等待
• 不可抢夺
• 循环等待

以上4个条件，同时出现就会触发死锁。

• 如何解决死锁？

死锁一旦出现，基本很难人为干预，只能尽量规避。可以考虑打破上面的诱发条件。

• 针对条件1：互斥条件基本上无法被破坏。因为线程需要通过互斥解决安全问题。
• 针对条件2：可以考虑一次性申请所有所需的资源，这样就不存在等待的问题。
• 针对条件3：占用部分资源的线程在进一步申请其他资源时，如果申请不到，就主动释放掉已经占用的资源。
• 针对条件4：可以将资源改为线性顺序。申请资源时，先申请序号较小的，这样避免循环等待问题。

jdk1.5的Lock锁

除了使用synchronized同步机制处理线程安全问题处理外，还可以使用jdk5.0提供的ReentrantLock锁的方式,实际于JUC的。

• 创建Lock锁的步骤：
  • 1、创建Lock的实例，需要确保多个线程共用同一个Lock实例，需要考虑将此对象声明为static final
  • 2、执行lock()方法，锁定共享资源的调用
  • 3、unlock()的调用，释放对共享数据的锁定
• synchronized的同步方式与Lock的对比？
  • synchronized不管是同步代码块还是同步方法，都需要在结束一对{}之后释放对 同步监视器的调用。
  • Lock作为接口，提供了多种实现类，适合更多更复杂的场景，效率更高。

五、线程间通信

线程之间通信

为什么要处理线程间通信：
当我们需要多个线程来共同完成一件任务，并且我们希望他们有规律的执行，那么多线程之间需要一些通信机制，可以协调它们的工作，以此实现多线程共同操作一份数据。
比如：线程A用来生产包子的，线程B用来吃包子的，包子可以理解为同一个资源，线程A与线程B处理的动作，一个是生产，一个是消费，此时B线程必须等到A线程完成后才能执行，那么线程A与B之间就需要线程通信，就是–等待唤醒机制，以此实现多线程共同操作一份数据。

等待唤醒机制

• 当线程1在进入waite状态后，就会阻塞，并释放同步锁(同步监视器)，方便线程2进来；
• 线程2拿到同步锁之后，就会将等待状态的线程1给notify(多个则按优先级高低，相同则随机)，线程1状态此时进入了就绪状态;
• 当线程2执行到了wite状态，并释放了同步锁，线程1在得到了同步锁时，就会接着上一次wait的位置继续往下执行到结束。
• 如下序列图所示：

涉及到三个方法的使用：

• wait()：线程一旦执行此方法，就进入等待状态。同时，会释放对同步锁的调用。
• notify()：一旦执行此方法，就会唤醒被wait()的线程中优先级最高的那一个线程。(如果被wait()的多个线程的优先级相同，随机唤醒一个)。被唤醒的线程从当初被wait的位置继续执行。
• notifyAll()：一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程。
  

注意点：

• 上面三个方法的使用，必须是在同步代码块或同步方法中使用。但不能在JUC中的Lock里面使用。
• 因为这三个方法是和同步监视器绑定的。否则就会报错。
• 因同步监视器对象继承自Object,所以这三个方法，所以这3个方法是在Object中声明。
  

wait()和sleep()的区别：

**相同点：**一旦执行，当前线程就会进入阻塞状态。
不同点：

• 声明的位置：
  • wait()：声明在Object类中
  • sleep()：声明在Thread类中，属于静态方法
• 使用的场景不同：
  • wait()：只能使用在同步代码块或同步方法中
  • sleep()：可以在任何需要使用的场景
• 使用在同步代码块或同步方法中：
  • wait()：一旦执行，会执行同步监视器
  • sleep()：一旦执行，不会释放同步监视
• 结束阻塞的方式：
  • wait()：到达指定时间自动结束阻塞或通过被notify唤醒，结束阻塞
  • sleep()：到达指定时间自动结束阻塞
    

六、线程池

待续

七、总结：

• 在多线程模式下，如果存在共享数据，就会出现因并发引起的资源抢占的情况，需要加同步机制，尽量避免出现thread.sleep()等线程阻塞的情况。