Java 多线程

简介: Java 多线程

一,线程概述

进程

在一个操作系统中,每个独立执行的程序都可称为一个进程,也就是“正在运行的程序”。


目前大部分计算机上安装的都是多任务操作系统,即能够同时执行多个应用程序。


在计算机中,所有的应用程序都是由CPU执行的,对于一个CPU而言,在某个时间点只能运行一个程序,也就是说只能执行一个进程。

线程

每个运行的程序都是一个进程,一个进程中还可以有多个执行单元同时运行,这些执行单元可以看做程序执行的一条条线索,称为线程。

操作系统中的每一个进程中都至少存在一个线程。当一个Java程序启动时,就会产生了一个进程,该进程中会默认创建一个线程,在这个线程上会运行main()方法中的代码


如果希望程序中实现多段程序代码交替运行的效果,则需要创建多个线程,即多线程程序。多线程程序在运行时,每个线程之间都是独立的,它们可以并发执行


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二,线程的创建

继承Thread类创建多线程

DK中提供了一个线程类Thread,通过继承Thread类,并重写Thread类中的run()方法便可实现多线程。

Thread类中,提供start()方法用于启动新线程,线程启动后,系统会自动调用run()方法,如果子类重写了该方法便会执行子类中的方

单线程和多线程的区别

通过继承Thread类实现多线程有局限性,因为Java中只支持单继承,一个类一旦继承了某个父类就无法再继承Thread类。

实现Runnable接口创建多线程

Thread类的另一个构造方法

Thread(Runnable target),其中Runnable是一个接口,它只有一个run()方法。

通过Thread(Runnable target))构造方法创建线程对象时,只需为该方法传递一个实现了Runnable接口的实例对象

创建的线程将调用实现了Runnable接口中的run()方法作为运行代码,而不需要调用Thread类中的run()方法

两种实现多线程方式的对比分析

例:假设售票厅有四个窗口可发售某日某次列车的100张车票,这时,100张车票可以看做共享资源,四个售票窗口需要创建四个线程,为了更直观显示窗口的售票情况,可以通过Thread的currentThread()方法得到当前的线程的实例对象,然后调用getName()可以获取到线程的名称。用创建线程的两种方式分别实现


实现Runnable接口相对于继承Thread类来说,有如下显著好处:


适合多个相同程序代码的线程去处理同一个资源的情况,把线程同程序代码、数据有效的分离,很好的体现了面向对象的设计思想。


可以避免由于Java的单继承带来的局限性。使用一个已经继承了某一个类的子类创建线程,由于一个类不能同时有两个父类,所以不能用继承Thread类的方式,那么就只能采用实现Runnable接口的方式。

后台线程(守护线程)

Java程序来说,只要有一个前台线程在运行,这个进程就不会结束,如果一个进程中只有后台线程运行,这个进程就会结束。

新创建的线程默认都是前台线程,如某个线程对象在启动之前调用了setDaemon(true)语句,这个线程就变成一个后台线程

线程的生命周期及状态转换

线程整个生命周期分为五个阶段

新建状态(New)

创建一个线程对象后,该线程对象就处于新建状态,此时它不能运行,和其它Java对象一样,仅仅由Java虚拟机为其分配了内存,没有表现出任何线程的动态特征。

就绪状态(Runnable)

当线程对象调用了start()方法后,该线程就进入就绪状态(也称可运行状态)。处于就绪状态的线程位于可运行池中,此时它只是具备了运行的条件,能否获得CPU的使用权开始运行,还需要等待系统的调度。

运行状态(Running)

处于就绪状态的线程获得了CPU的使用权,开始执行run()方法中的线程执行体,则该线程处于运行状态   只有处于就绪状态的线程才可能转换到运行状态。

当一个线程启动后,它不可能一直处于运行状态(除非它的线程执行体足够短,瞬间就结束了)

当使用完系统分配的时间后,系统会剥夺该线程占用的CPU资源,让其它线程获得执行机会。

阻塞状态(Blocked)

一个正在执行的线程在某些特殊情况下,如执行耗时的输入/输出操作时,会放弃CPU的使用权,进入阻塞状态。

线程进入阻塞状态后,就不能进入排队队列。只有当引起阻塞的原因被消除后,线程才可以转入就绪状态

当线程试图获取某个对象的同步锁时,如该锁被其它线程所持有,则当前线程会进入阻塞状态,如想从阻塞状态进入就绪状态必须得获取到其它线程所持有的锁。

当线程调用了一个阻塞式的IO方法时,该线程就会进入阻塞状态,如果想进入就绪状态就必须要等到这个阻塞的IO方法返回。

当线程调用了某个对象的wait()方法时,也会使线程进入阻塞状态,如果想进入就绪状态就需要使用notify()方法唤醒该线程。

当线程调用了Thread的sleep(long millis)方法时,也会使线程进入阻塞状态,在这种情况下,只需等到线程睡眠的时间到了以后,线程就会自动进入就绪状态。


当在一个线程中调用了另一个线程的join()方法时,会使当前线程进入阻塞状态,在这种情况下,需要等到新加入的线程运行结束后才会结束阻塞状态,进入就绪状态。


死亡状态(Terminated)


线程的run()方法正常执行完毕或者线程抛出一个未捕获的异常(Exception)、错误(Error),线程就进入死亡状态。一旦进入死亡状态,线程将不再拥有运行的资格,也不能再转换到其它状态。

线程各种状态的转换关系

箭头表示可转换的方向

单箭头表示状态只能单向的转换

双箭头表示两种状态可以互相转换

三,线程的调度

线程的优先级

优先级越高的线程获得CPU执行机会越大,而优先级越低的线程获得CPU执行的机会越小。

线程的优先级用1~10之间的整数来表示,数字越大优先级越高。

线程的优先级Thread类中提供的三个静态常量表示。


线程休眠

使正在执行的线程暂停,将CPU让给别的线程使用静态方法sleep(long millis),该方法可以让当前正在执行的线程暂停一段时间,进入休眠等待状态。

当前线程调用sleep(long millis)方法后,在指定时间(参数millis)内该线程是不会执行的,这样其它的线程就可以得到执行的机会了。

线程让步

线程让步可以通过yield()方法来实现

yield() 方法和sleep()方法有点相似,都可以让当前正在运行的线程暂停,区别在yield()方法不会阻塞该线程,它只是将线程转换成就绪状态,让系统的调度器重新调度一次。

当某个线程调用yield()方法后,只有与当前线程优先级相同或者更高的线程才能获得执行的机会。

线程插队

Thread类中提供了join()方法来实现线程插队。

当在某个线程中调用其它线程的join()方法时,调用的线程将被阻塞,直到被join()方法加入的线程执行完成后它才会继续运行。

四,多线程同步

线程安全

如果某段代码所在的进程中有多个线程在同时运行,而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的,而且其它变量的值也和预期的是一样的,我们就说线程是安全的

同步代码块

解决线程安全问题,必须保证用于处理共享资源的代码在任何时刻只能有一个线程访问。

Java中提供了同步机制

当多个线程使用同一个共享资源时,可以将处理共享资源的代码放置在一个代码块中,使用synchronized关键字来修饰,称作同步代码块,其语法格式如下


同步方法

方法前面同样可以使用synchronized关键字来修饰,被修饰的方法为同步方法,它能实现和同步代码块同样的功能,具体语法格式

synchronized修饰的方法在某一时刻只允许一个线程访问,访问该方法的其它线程都会发生阻塞,直到当前线程访问完毕后,其它线程才有机会执行方法

死锁问题

线程同步保证数据的正确性,但会引发问题。

在线程同步中资源占用是互斥的,即当某个线程A占用一个共享资源后,又提出了占用其他共享资源的申请,如果此时线程A申请的资源被另一线程B占用,且线程B正在请求其他线程占用的共享资源,这有可能导致这些线程永远请求不到必需的资源而无法继续运行,这就产生了一种特殊现象----死锁。

五,多线程通信

线程通信问题解决方法

控制多个线程按照一定的顺序轮流执行,此时需要让线程间进行通信。

Object类中提供了wait()notify()notifyAll()方法用于解决线程间的通信问题,任何类的实例对象都可以直接使用这些方法。


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