多線程的創(chuàng)建和啟動(dòng)

IT那活兒發(fā)布于2023-01-11 13:19 / 775人閱讀

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一

多線程的創(chuàng)建和啟動(dòng)

1. 多線程的實(shí)現(xiàn)原理

Java語(yǔ)言的JVM允許程序運(yùn)行多個(gè)線程，多線程可以通過Java中的java.lang.Thread類來體現(xiàn)。
Thread類的特性。

每個(gè)線程都是通過某個(gè)特定的Thread對(duì)象的run()方法來完成操作，經(jīng)常把run()方法的主體作為線程體。

通過Thread方法的start()方法來啟動(dòng)這個(gè)線程，而非直接調(diào)用run()。

2. 多線程的創(chuàng)建

2.1 繼承Thread類

創(chuàng)建一個(gè)繼承于Thread類的子類；
重寫Thread類的run()方法；
創(chuàng)建Thread類的子類的對(duì)象；
通過此對(duì)象調(diào)用start()來啟動(dòng)一個(gè)線程。

示例一--多線程執(zhí)行同一段代碼：

示例二--多線程執(zhí)行多段代碼：

示例三--創(chuàng)建Thread匿名子類：

2.2 實(shí)現(xiàn)Runnable接口

創(chuàng)建一個(gè)實(shí)現(xiàn)Runnable接口的類；
實(shí)現(xiàn)類去實(shí)現(xiàn)Runnable接口中的抽象方法：run()；
創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)類的對(duì)象；
將此對(duì)象作為參數(shù)傳到Thread類的構(gòu)造器中，創(chuàng)建Thread類的對(duì)象；
通過Thread類的對(duì)象調(diào)用start()方法。

示例：

2.3 兩種創(chuàng)建方式比較

Java中只允許單進(jìn)程，以賣票程序TiketSales類來說，很有可能這個(gè)類本來就有父類，這樣一來就不可以繼承Thread類來完成多線程了，但是一個(gè)類可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)接口，因此實(shí)現(xiàn)的方式?jīng)]有類的單繼承性的局限性，用實(shí)現(xiàn)Runnable接口的方式來完成多線程更加實(shí)用。
實(shí)現(xiàn)Runnable接口的方式天然具有共享數(shù)據(jù)的特性（不用static變量）。
因?yàn)槔^承Thread的實(shí)現(xiàn)方式，需要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)子類的對(duì)象來進(jìn)行多線程，如果子類中有變量A，而不使用static約束變量的話，每個(gè)子類的對(duì)象都會(huì)有自己獨(dú)立的變量A，只有static約束A后，子類的對(duì)象才共享變量A。
而實(shí)現(xiàn)Runnable接口的方式，只需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)實(shí)現(xiàn)類的對(duì)象，要將這個(gè)對(duì)象傳入Thread類并創(chuàng)建多個(gè)Thread類的對(duì)象來完成多線程，而這多個(gè)Thread類對(duì)象實(shí)際上就是調(diào)用一個(gè)實(shí)現(xiàn)類對(duì)象而已。實(shí)現(xiàn)的方式更適合來處理多個(gè)線程有共享數(shù)據(jù)的情況。
聯(lián)系：Thread類中也實(shí)現(xiàn)了Runnable接口。
相同點(diǎn)：兩種方式都需要重寫run()方法，線程的執(zhí)行邏輯都在run()方法中。

2.4 通過實(shí)現(xiàn)Callable接口

與Runnable相比，Callable功能更加強(qiáng)大：

相比run()方法，可以有返回值；
方法可以拋出異常；
支持泛型的返回值；
需要借助FutureTask類，比如獲取返回結(jié)果。

示例：

2.5 通過線程池創(chuàng)建

1）背景

經(jīng)常創(chuàng)建和銷毀、使用量特別大的資源，比如并發(fā)情況下的線程，對(duì)性能影響很大。

2）思路

提前創(chuàng)建好多個(gè)線程，放入線程池中，使用時(shí)直接獲取，使用完放回線程池中。可以避免頻繁的創(chuàng)建銷毀，實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。

3）優(yōu)點(diǎn)

提高響應(yīng)速度（減少了創(chuàng)建新線程的時(shí)間）；
降低資源消耗（重復(fù)利用線程池中線程，不需要每次都創(chuàng)建）；
便于管理。

示例：

二

Thread類的常用方法

start()：啟動(dòng)當(dāng)前線程, 調(diào)用當(dāng)前線程的run()方法；
run() : 通常需要重寫Thread類中的此方法, 將創(chuàng)建的線程要執(zhí)行的操作聲明在此方法中；
currentThread() : 靜態(tài)方法, 返回當(dāng)前代碼執(zhí)行的線程；
getName() : 獲取當(dāng)前線程的名字；
setName() : 設(shè)置當(dāng)前線程的名字；
yield() : 釋放當(dāng)前CPU的執(zhí)行權(quán)；
join() : 在線程a中調(diào)用線程b的join(), 此時(shí)線程a進(jìn)入阻塞狀態(tài), 知道線程b完全執(zhí)行完以后, 線程a才結(jié)束阻塞狀態(tài)；
stop() : 已過時(shí). 當(dāng)執(zhí)行此方法時(shí),強(qiáng)制結(jié)束當(dāng)前線程；
sleep(long militime) : 讓線程睡眠指定的毫秒數(shù)，在指定時(shí)間內(nèi)，線程是阻塞狀態(tài)；
isAlive() ：判斷當(dāng)前線程是否存活。

三

線程的調(diào)度

1. CPU的調(diào)度策略

時(shí)間片：cpu正常情況下的調(diào)度策略。即CPU分配給各個(gè)程序的時(shí)間，每個(gè)線程被分配一個(gè)時(shí)間段，稱作它的時(shí)間片，即該進(jìn)程允許運(yùn)行的時(shí)間，使各個(gè)程序從表面上看是同時(shí)進(jìn)行的。
如果在時(shí)間片結(jié)束時(shí)進(jìn)程還在運(yùn)行，則CPU將被剝奪并分配給另一個(gè)進(jìn)程。如果進(jìn)程在時(shí)間片結(jié)束前阻塞或結(jié)束，則CPU當(dāng)即進(jìn)行切換。而不會(huì)造成CPU資源浪費(fèi)。
在宏觀上：我們可以同時(shí)打開多個(gè)應(yīng)用程序，每個(gè)程序并行不悖，同時(shí)運(yùn)行。
在微觀上：由于只有一個(gè)CPU，一次只能處理程序要求的一部分，如何處理公平，一種方法就是引入時(shí)間片，每個(gè)程序輪流執(zhí)行。
搶占式：高優(yōu)先級(jí)的線程搶占cpu。

2. Java的調(diào)度算法

同優(yōu)先級(jí)線程組成先進(jìn)先出隊(duì)列（先到先服務(wù)），使用時(shí)間片策略。
堆高優(yōu)先級(jí)，使用優(yōu)先調(diào)度的搶占式策略。

1）線程的優(yōu)先級(jí)等級(jí)（一共有10檔）

MAX_PRIORITY：10；
MIN_PRIORITY：1；
NORM_PRIORITY：5 (默認(rèn)優(yōu)先級(jí))。

2）獲取和設(shè)置當(dāng)前線程的優(yōu)先級(jí)

getPriority()獲取；
setPriority(int p)設(shè)置。

說明：高優(yōu)先級(jí)的線程要搶占低優(yōu)先級(jí)線程cpu的執(zhí)行權(quán)。但是只是從概率上講，高優(yōu)先級(jí)的線程高概率的情況下被執(zhí)行。并不意味著只有高優(yōu)先級(jí)的線程執(zhí)行完成以后，低優(yōu)先級(jí)的線程才執(zhí)行。

四

線程的生命周期

1. JDK中用Thread State類定義了線程的幾種狀態(tài)

新建：當(dāng)一個(gè)Thread類或其子類的對(duì)象被聲明并創(chuàng)建時(shí)，新的線程對(duì)象處于新建狀態(tài)。
就緒：處于新建狀態(tài)的線程被start()后，將進(jìn)入線程隊(duì)列等待CPU時(shí)間片，此時(shí)它已具備了運(yùn)行的條件，只是沒分配到CPU資源。
運(yùn)行：當(dāng)就緒的線程被調(diào)度并獲得CPU資源時(shí)，便進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，run()方法定義了線程的操作和功能。
阻塞：在某種特殊情況下，被認(rèn)為掛起或執(zhí)行輸入輸出操作時(shí)，讓出CPU并臨時(shí)中止自己的執(zhí)行，進(jìn)入阻塞狀態(tài)。
死亡：線程完成了它的全部工作或線程被提前強(qiáng)制性的中止或出現(xiàn)異常倒置導(dǎo)致結(jié)束。

2. 線程的生命周期流程圖

五

線程的同步

1. 多線程的安全性問題解析

1.1 線程的安全問題

多個(gè)線程執(zhí)行的不確定性引起執(zhí)行結(jié)果的不穩(wěn)定性；
多個(gè)線程對(duì)賬本的共享, 會(huì)造成操作的不完整性, 會(huì)破壞數(shù)據(jù)；
多個(gè)線程訪問共享的數(shù)據(jù)時(shí)可能存在安全性問題。

示例：

1.2 輸出結(jié)果

1.3 錯(cuò)誤分析

當(dāng)票數(shù)為1的時(shí)候，三個(gè)線程中有線程被阻塞沒有執(zhí)行票數(shù)-1的操作，這是其它線程就會(huì)通過if語(yǔ)句的判斷，這樣一來就會(huì)造成多賣了一張票，出現(xiàn)錯(cuò)票的情況。

極端情況為，當(dāng)票數(shù)為1時(shí)，三個(gè)線程同時(shí)判斷通過，進(jìn)入阻塞，然后多執(zhí)行兩側(cè)賣票操作。

1.4 重票分析

如果t1在輸出票號(hào)22和票數(shù)-1的操作之間被阻塞，這就導(dǎo)致這時(shí)候t1賣出了22號(hào)票，但是總票數(shù)沒有減少。在t1被阻塞期間，如果t2運(yùn)行到輸出票號(hào)時(shí)，那么t2也會(huì)輸出和t1相同的票號(hào)22。

通過以上兩種情況可以看出，線程的安全性問題時(shí)因?yàn)槎鄠€(gè)線程正在執(zhí)行代碼的過程中，并且尚未完成的時(shí)候，其他線程參與進(jìn)來執(zhí)行代碼所導(dǎo)致的。

2. 多線程安全性問題解決

2.1 原理

當(dāng)一個(gè)線程在操作共享數(shù)據(jù)的時(shí)候，其他線程不能參與進(jìn)來。知道這個(gè)線程操作完共享數(shù)據(jù)的時(shí)候，其他線程才可以操作。即使當(dāng)這個(gè)線程操作共享數(shù)據(jù)的時(shí)候發(fā)生了阻塞，依舊無法改變這種情況。

在Java中，我們通過同步機(jī)制，來解決線程的安全問題。

2.2 解決方式

1）同步代碼塊

synchronized(同步監(jiān)視器){需要被同步的代碼塊}

優(yōu)點(diǎn)：同步的方式，解決了線程安全的問題。
缺點(diǎn)：操作同步代碼時(shí)，只能有一個(gè)線程參與，與其他線程等待。相當(dāng)于是一個(gè)單線程的過程，效率低。

2）同步方法

將所要同步的代碼放到一個(gè)方法中，將方法聲明為synchronized同步方法。之后可以在run()方法中調(diào)用同步方法。

要點(diǎn)：

同步方法仍然涉及到同步監(jiān)視器，只是不需要我們顯示的聲明。
非靜態(tài)的同步方法，同步監(jiān)視器是：this。
靜態(tài)的同步方法，同步監(jiān)視器是：當(dāng)前類本身。

3）Lock鎖-JDK 5.0的新特性

JDK5.0之后，可以通過實(shí)例化ReentrantLock對(duì)象，在所需要同步的語(yǔ)句前，調(diào)用ReentrantLock對(duì)象的lock()方法，實(shí)現(xiàn)同步鎖，在同步語(yǔ)句結(jié)束時(shí)，調(diào)用unlock()方法結(jié)束同步鎖。

建議使用順序：Lock->同步代碼塊（已經(jīng)進(jìn)入了方法體，分配了相應(yīng)的資源）->同步方法（在方法體之外）。

2.3 線程同步的死鎖問題

1）原理

不同的線程分別占用對(duì)方需要的同步資源不放棄，都在等待對(duì)方放棄自己需要的同步資源，就形成了死鎖。
出現(xiàn)死鎖后，并不會(huì)出現(xiàn)異常，不會(huì)出現(xiàn)提示，只是所有的線程都處于阻塞狀態(tài)，無法繼續(xù)。
使用同步時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)死鎖。

2）Java中思索最簡(jiǎn)單的情況

一個(gè)線程T1持有鎖L1并且申請(qǐng)獲得鎖L2，而另一個(gè)線程T2持有鎖L2并且申請(qǐng)獲得鎖L1，因?yàn)槟J(rèn)的鎖申請(qǐng)操作都是阻塞的，所以線程T1和T2永遠(yuǎn)被阻塞了。導(dǎo)致了死鎖。這是最容易理解也是最簡(jiǎn)單的死鎖的形式。但是實(shí)際環(huán)境中的死鎖往往比這個(gè)復(fù)雜的多。可能會(huì)有多個(gè)線程形成了一個(gè)死鎖的環(huán)路，比如：線程T1持有鎖L1并且申請(qǐng)獲得鎖L2，而線程T2持有鎖L2并且申請(qǐng)獲得鎖L3，而線程T3持有鎖L3并且申請(qǐng)獲得鎖L1，這樣導(dǎo)致了一個(gè)鎖依賴的環(huán)路：T1依賴T2的鎖L2，T2依賴T3的鎖L3，而T3依賴T1的鎖L1。從而導(dǎo)致了死鎖。

從上面的例子分析出原因：

線程在獲得一個(gè)鎖L1的情況下再去申請(qǐng)另外一個(gè)鎖L2，也就是鎖L1想要包含了鎖L2，也就是說在獲得了鎖L1，并且沒有釋放鎖L1的情況下，又去申請(qǐng)獲得鎖L2，這個(gè)是產(chǎn)生死鎖的最根本原因。另一個(gè)原因是默認(rèn)的鎖申請(qǐng)操作是阻塞的。

3）死鎖的解決辦法

專門的算法、原則。
盡量減少同步資源的定義。
盡量避免嵌套同步。

示例：

六

線程通信

很多情況下，盡管我們創(chuàng)建了多個(gè)線程，也會(huì)出現(xiàn)幾乎一個(gè)線程執(zhí)行完所有操作的時(shí)候，這時(shí)候我們就需要讓線程間相互交流。

1. 原理

當(dāng)一個(gè)線程執(zhí)行完成其所應(yīng)該執(zhí)行的代碼后，手動(dòng)讓這個(gè)線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，這樣一來，接下來的操作只能由其他線程來操作。

當(dāng)其他線程執(zhí)行的開始階段，再手動(dòng)讓已經(jīng)阻塞的線程停止阻塞，進(jìn)入就緒狀態(tài)，雖說這時(shí)候阻塞的線程停止了阻塞，但是由于現(xiàn)在正在運(yùn)行的線程拿著同步鎖，所以停止阻塞的線程也無法立馬執(zhí)行。

如此操作就可以完成線程間的通信。

2. 所用到的方法

wait()：一旦執(zhí)行此方法，當(dāng)前線程就會(huì)進(jìn)入阻塞，一旦執(zhí)行wait()會(huì)釋放同步監(jiān)視器。
notify()：一旦執(zhí)行此方法，將會(huì)喚醒被wait的一個(gè)線程。如果有多個(gè)線程被wait，就喚醒優(yōu)先度最高的。
notifyAll() ：一旦執(zhí)行此方法，就會(huì)喚醒所有被wait的線程。

3. 說明

這三個(gè)方法必須在同步代碼塊或同步方法中使用。

三個(gè)方法的調(diào)用者必須是同步代碼塊或同步方法中的同步監(jiān)視器。

這三個(gè)方法并不時(shí)定義在Thread類中的，而是定義在Object類當(dāng)中的。因?yàn)樗械膶?duì)象都可以作為同步監(jiān)視器，而這三個(gè)方法需要由同步監(jiān)視器調(diào)用，所以任何一個(gè)類都要滿足，那么只能寫在Object類中。

4. sleep()和wait()的異同

相同點(diǎn)：兩個(gè)方法一旦執(zhí)行，都可以讓線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

不同點(diǎn)：

兩個(gè)方法聲明的位置不同：Thread類中聲明sleep(),Object類中聲明wait()。
調(diào)用要求不同：sleep()可以在任何需要的場(chǎng)景下調(diào)用。wait()必須在同步代碼塊中調(diào)用。
關(guān)于是否釋放同步監(jiān)視器：如果兩個(gè)方法都使用在同步代碼塊呵呵同步方法中，sleep不會(huì)釋放鎖，wait會(huì)釋放鎖。

示例：