java基础thread——多线程的纷争（循序渐进）

╰半夏微凉° 2022-05-23 06:09 111阅读 0赞

### 一、多线程概述 ###

#### 进程： ####

正在运行的程序，是系统进行资源分配和调用的独立单位。  
每一个进程都有它自己的内存空间和系统资源。

##### 多进程有什么意义呢? #####

单进程的计算机只能做一件事情，而我们现在的计算机都可以做多件事情。  
举例：一边玩游戏(游戏进程)，一边听音乐(音乐进程)。  
也就是说现在的计算机都是支持多进程的，可以在一个时间段内执行多个任务。  
并且呢，可以提高CPU的使用率。

那问题来了，一边玩游戏，一边听音乐是同时进行的吗?

不是。因为单CPU在某一个时间点上只能做一件事情。  
而我们在玩游戏，或者听音乐的时候，是CPU在做着程序间的高效切换让我们觉得是同时进行的。

#### 线程： ####

在同一个进程内又可以执行多个任务，而这每一个任务就可以看作是一个线程。  
线程是程序的执行单元，执行路径。是程序使用CPU的最基本单位。

**单线程：**  
如果程序只有一条执行路径。

**多线程：**  
如果程序有多条执行路径。

##### 多线程有什么意义呢? #####

多线程的存在，不是提高程序的执行速度。其实是为了提高应用程序的使用率。  
程序的执行其实都是在抢CPU的资源，CPU的执行权。  
多个进程是在抢这个资源，而其中的某一个进程如果执行路径比较多，就会有更高的几率抢到CPU的执行权。  
我们是不敢保证哪一个线程能够在哪个时刻抢到，所以线程的执行有随机性。

#### Java程序运行原理 ####

java 命令会启动 java 虚拟机，启动 JVM，等于启动了一个应用程序，也就是启动了一个进程。该进程会自动启动一个 “主线程” ，然后主线程去调用某个类的 main 方法。所以 main方法运行在主线程中。在此之前的所有程序都是单线程的。

思考一个问题，  
jvm虚拟机的启动是单线程的还是多线程的？

JVM的启动是多线程的，因为它最低有两个线程启动了，主线程和垃圾回收线程。

#### 我们要如何实现多线程程序呢？ ####

由于线程是依赖进程而存在的，所以我们应该先创建一个进程出来。而进程是由系统创建的，所以我们应该去调用系统功能创建一个进程。Java是不能直接调用系统功能的，所以，我们没有办法直接实现多线程程序。但是呢?Java可以去调用C/C++写好的程序来实现多线程程序。  
由C / C ++去调用系统功能创建进程，然后由Java去调用这样的东西，然后提供一些类供我们使用。我们就可以实现多线程程序了。

### 二、多线程的实现（继承与实现） ###

#### 继承Thread类（第一种方案） ####

MyThread.java

public class MyThread extends Thread { 
    
        public MyThread() {
        }
        public MyThread(String name){
            super(name);
        }
        @Override
        public void run(){
            try {
                Thread.sleep(5000);
                for (int x = 0; x < 10; x++) {
                    System.out.println(getName() + ":" + x);
                    Thread.yield();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("线程中断");
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("结束");
    
        }
    }

test1.java

public class test1 {
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());//main
            MyThread my1 = new MyThread("线程一");
            MyThread my2 = new MyThread("线程二");
            my1.start();
            my2.start();
            //发现两个线程在抢着执行
        }
    }

##### 步骤： #####

1.  自定义类MyThread 继承Thread
2.  在MyThread 中重写run()
3.  创建MyThread的对象
4.  启动线程对象(start())

##### 考虑几个小问题： #####

*  为什么要重写run()方法？——因为run()里的代码才会被线程执行。
 *  启动线程使用的是那个方法？ —— start()
 *  线程能不能多次启动？——不能。一个线程多次启动会报错，IllegalThreadStateException:非法的线程状态异常  
    为什么呢?因为这个相当于是my线程被调用了多次，而不是多个线程启动。
 *  run()和start()方法的区别？——run() 仅仅是封装被线程执行的代码,就是普通的方法;start()首先启动了线程，然后再由jvm去调用该线程的run()方法。

#### 如何获取和设置线程的名称？ ####

Thread类的线程名获取和设置方法

public final String getName()
    public final void setName(String name)

其实通过构造方法也可以给线程起名字

public Thread(String name) {
            init(null, null, name, 0);
        }

代码示意：

MyThread my1 = new MyThread("线程一");
    MyThread my2 = new MyThread("线程二");
    my1.setName("线程1");
    my1.getName();
    my1.start();
    my2.start();

**还有一种方式：**  
获得和设置当前线程的名字。

Thread.currentThread().getName()
    Thread.currentThread().setName("主线程");

#### 线程调度 ####

##### 线程有两种调度模型： #####

*  **分时调度模型：**  
    所有线程轮流使用 CPU 的使用权，平均分配每个线程占用 CPU 的时间片
 *  **抢占式调度模型：**  
    优先让优先级高的线程使用 CPU，如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个，优先级高的线程获取的 CPU 时间片相对多一些。

*Java使用的是抢占式调度模型*。

##### 设置和获取优先级 #####

我们的线程没有设置优先级,肯定有默认优先级。  
那么，默认优先级是多少呢?

获取线程对象的优先级：

> public final int getPriority():返回线程对象的优先级

设置线程对象的优先级：

> public final void setPriority(int newPriority)：更改线程的优先级。

线程默认优先级是5。

线程优先级的范围是：1-10。

线程优先级高仅仅表示线程获取的 CPU时间片的几率高，但是要在次数比较多，或者多次运行的时候才能看到比较好的效果。

MyThread my1 = new MyThread("线程一");
    MyThread my2 = new MyThread("线程二");
    MyThread my3 = new MyThread("线程三");
    System.out.println(my1.getPriority());//默认调度5
    my2.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);//1 最小
    my3.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);//10 最大
    my1.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);//5 默认

#### 线程控制 ####

*  线程休眠  
    public static void sleep(long millis)
 *  线程加入  
    public final void join()
 *  线程礼让  
    public static void yield()
 *  后台线程  
    public final void setDaemon(boolean on)
 *  中断线程  
    public final void stop()、  
    public void interrupt()

**sleep()**  
线程休眠就是模拟阻塞，把调用cpu的机会交给其他线程。

public class ThreadSleep extends Thread { 
        @Override
        public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
        }
    }

**join()**  
当某个线程被join()后，其他线程必须等这个线程执行完毕，才能执行其他线程。

MyThread my1 = new MyThread("线程一");
     MyThread my2 = new MyThread("线程二");
     my2.start();
     my2.join();
     my1.start();
     //线程二执行完了，线程一才执行

**yield()**  
暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。让多个线程的执行更和谐，但是不能靠它保证一人一次。

@Override
        public void run(){
            for (int x = 0; x < 10; x++) {
                System.out.println(getName() + ":" + x);
                Thread.yield();
                }
        }

**setDaemon(boolean on)**  
将该线程标记为守护线程或用户线程。当正在运行的线程都是守护线程时，Java 虚拟机退出。 该方法必须在启动线程前调用。

当主线程main结束后，守护线程也就停止了。

public class ThreadDaemonDemo {
        public static void main(String[] args) {
            ThreadDaemon td1 = new ThreadDaemon();
            ThreadDaemon td2 = new ThreadDaemon();
    
            td1.setName("关羽");
            td2.setName("张飞");
    
            // 设置收获线程
            td1.setDaemon(true);
            td2.setDaemon(true);
    
            td1.start();
            td2.start();
    
            Thread.currentThread().setName("刘备");
            for (int x = 0; x < 5; x++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + x);
            }
        }
    }

守护线程的栗子：坦克大战

![坦克大战图解.jpg][.jpg]

**stop()、interrupt()**  
stop()官方已经弃用，终止线程推荐interrupt()

> public final void stop():让线程停止，过时了，但是还可以使用。
> 
> public void interrupt():中断线程。 把线程的状态终止，并抛出一个InterruptedException。

代码演示：

public class MyThreadStop extends Thread { 
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("开始执行：" + new Date());
    
            // 我要休息10秒钟，亲，不要打扰我哦
            try {
                Thread.sleep(10000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // e.printStackTrace();
                System.out.println("线程被终止了");
            }
    
            System.out.println("结束执行：" + new Date());
        }
    }
    
    public class test3 { 
        public static void main(String[] args) {
            MyThreadStop mys = new MyThreadStop();
            mys.start();
            try {
                Thread.sleep(3000);
                mys.stop();
                //mys.interrupt();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            //发现两个线程在抢着执行
        }
    }
    
    //stop() 运行打印：
    开始执行：Wed May 30 20:29:34 CST 2018
    
    //run里没执行就暴力的终止了
    
    //interrupt() 运行打印
    
    开始执行：Wed May 30 20:31:49 CST 2018
    线程被终止了
    结束执行：Wed May 30 20:31:52 CST 2018

注：终止线程推荐interrupt()

##### 线程的生命周期： #####

![线程.png][.png]

#### 实现Runnable接口（第二种方案） ####

public class MyRunnable implements Runnable { 
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i <10 ; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-"+i);
            }
        }
    }
    
    
    public class test1 { 
        public static void main(String[] args) {
            MyRunnable mr = new MyRunnable();
            Thread t1 = new Thread(mr,"线程一");
            Thread t2 = new Thread(mr,"线程二");
            t1.start();
            t2.start();
        }
    }

##### 步骤： #####

1.  自定义类MyRunnable实现Runnable接口
2.  重写run()方法
3.  创建MyRunnable类的对象
4.  创建Thread类的对象，并把C步骤的对象作为构造参数传递

@FunctionalInterface
    public interface Runnable {
        public abstract void run();
    }

从源码看出，Runnable是一个接口，只有一个run(),并没有name参数，所以我们该怎么获得和设置线程的名字呢。

Thread.currentThread().getName()
    Thread.currentThread().setName("线程名")

再看看源码,发现Thread也实现了Runnable这个接口。

**问题来了，为什么有了继承Thread实现线程的方式，还要有实现Runnable接口的方式。**

原因如下：  
\- 避免由于java单继承带来的局限性  
\- 适合多个相同程序的代码去处理同一个资源的情况，把线程同程序的代码，数据有效分离，较好的体现了面向对象的设计思想。

#### 举个栗子： ####

某电影院目前正在上映贺岁大片，共有100张票，而它有3个售票窗口售票，请设计一个程序模拟该电影院售票。

方式一：用继承Thread来模拟

public class SellTickets extends Thread { 
        public SellTickets(){
    
        }
        public SellTickets(String name){
            super(name);
        }
        private static int ticket = 20;//为了让三个窗口共享，设置为static的
        @Override
        public void run(){
                try {
                    while (true) {
                        if (ticket<=0){
                            break;
                        }
                        System.out.println(getName()+"正在售卖第" + (ticket--) + "票");
                        Thread.sleep(3000);//模拟网络延时
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
    
        }
    }
    
    public class test1 { 
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            SellTickets st1 = new SellTickets("窗口一");
            SellTickets st2 = new SellTickets("窗口二");
            SellTickets st3 = new SellTickets("窗口三");
            st1.start();
            st2.start();
            st3.start();
        }
    }
    
    //运行结果你会发现，三个窗口可以卖同一张票。并且会出现负票

另一种方式模拟：

public class SellTicket2 implements Runnable { 
        private int ticket = 20;
        @Override
        public void run() {
            while (true){
                if (ticket<=0){
                    break;
                }
                //卖票这个动作不安全。
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在售卖第" + (ticket--) + "票");
            }
        }
    }
    
    
    public class test2 { 
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
           SellTicket2 st = new SellTicket2();
           Thread t1 = new Thread(st,"一");
           Thread t2 = new Thread(st,"二");
           Thread t3 = new Thread(st,"三");
           t1.start();
           t2.start();
           t3.start();
        }
    }
    
    同样的问题出现了，出现多个窗口买同一张票，出现负票。

这足以说明，以上两种方式是线程不安全的。（推荐实现接口Runnable 的模拟）

### 三、解决线程安全问题的基本思想 ###

##### 出现线程安全问题的情况 #####

*  多线程环境
 *  有共享数据
 *  有多条语句操作共享数据

#### 解决方案： ####

##### 同步代码块 #####

synchronized(对象){ 需要同步的代码; }

**两个问题：**

*  对象是什么呢? ——测试所得 任意对象做锁
 *  需要同步的代码是哪些呢?——把多条语句操作共享数据的代码的部分给包起来

注意：同步可以解决安全问题的根本原因就在那个对象上。该对象如同锁的功能。

多个线程必须是同一把锁。同一把锁，对象必须只有一个。

卖票升级：

public class SellTicket3 implements Runnable { 
        private int ticket = 100;
        //定义同一把锁对象
        private Object obj = new Object();
        @Override
        public void run() {
                while (true) {
                    synchronized (obj) {
                    if (ticket <= 0) {
                        break;
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在售卖第" + (ticket--) + "票");
                }
            }
        }
    }

解释：当窗口一进入同步代码块，就相当于上锁，在这期间别的窗口只能在外面等待，等窗口一把自己的事做完了，离开了代码块，这时三个窗口又重新竞争进入同步代码块的机会。

##### 同步方法： #####

就是把同步关键字加到方法上。

//如果一个方法一进去就看到了代码被同步了，那么我就再想能不能把这个同步加在方法上呢?,
        public synchronized void pay(){
            if (ticket > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在售卖第" + (ticket--) + "票");    }
        }

而我们想同步方法的锁对象是谁？经测试是**this**，所以我们一般也把同步代码块的对象也设置为this。

方法有静态方法，那么同步静态方法的锁对象又是谁？

经测试是**类的字节码文件对象**，就是.class。

##### 总结： #####

###### 同步的前提 ######

*  多个线程
 *  多个线程使用的是同一个锁对象

###### 同步的好处 ######

同步的出现解决了多线程的安全问题。

###### 同步的弊端 ######

当线程相当多时，因为每个线程都会去判断同步上的锁，这是很耗费资源的，无形中会降低程序的运行效率。

###### 同步的锁对象 ######

*  同步代码块——任意对象可以做锁对象（推荐this）
 *  同步方法——this
 *  同步静态方法——类.class

### 回顾java源码里线程安全的类 ###

// 线程安全的类
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    Vector<String> v = new Vector<String>();
    Hashtable<String, String> h = new Hashtable<String, String>();

我们之前经常用到的集合都是不安全的。java给我们提供了线程安全的集合

List<String> list1 = new ArrayList<String>();// 线程不安全
            List<String> list2 = Collections
                    .synchronizedList(new ArrayList<String>()); // 线程安全

![image][]

**源码码云地址：**  
[https://gitee.com/stefanpy/java][https_gitee.com_stefanpy_java]

[.jpg]: /images/20220523/ebbecdd06f6a44369a3b20c8f1866518.png
[.png]: /images/20220523/49df980016094cccb2c80b6ab6b630fa.png
[image]: /images/20220523/36380eb0b3954e8c98b134da1eee91f1.png
[https_gitee.com_stefanpy_java]: https://gitee.com/stefanpy/java