一篇文章快速了解多线程

1. 基本概念

1.1 进程与线程

• 程序(program) 是为完成特定任务、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)是程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。 是一个动态的过程：有它自身的产生、存在和消亡的过程。——生命周期
  • 如：运行中的QQ，运行中的MP3播放器
  • 程序是静态的，进程是动态的
  • 进程作为资源分配的单位，系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域
• 线程(thread)，进程可进一步细化为线程，是一个程序内部的一条执行路径。
  • 若一个进程同一时间并行执行多个线程，就是支持多线程的
  • 线程作为调度和执行的单位，每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器(pc)，线程切换的开销小
  • 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间，它们从同一堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患

1.2 并行与并发

• 并行：多个CPU同时执行多个任务,指同⼀时刻内发⽣两个或多个事件。在不同实体上的多个事件。 比如：多个人同时做不同的事。
• 并发：一个CPU(采用时间片)同时执行多个任务,同⼀时间间隔内发⽣两个或多个事件,同⼀实体上的多个事件。比如：秒杀、多个人做同一件事。
• 并⾏是针对进程的，并发是针对线程的

2. 实现多线程

2.1 继承Thread

1. 定义子类继承Thread类。
2. 子类中重写Thread类中的run方法。
3. 创建Thread子类对象，即创建了线程对象。
4. 调用线程对象start方法：启动线程，调用run方法。

//1. 创建一个继承于Thread类的子类
class MyClass extends Thread {
    //2. 重写Thread类中的run方法
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":  " + i);
        }
    }
}


public class ThreadTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        //3.创建Thread类的子类的对象
        MyClass t1 = new MyClass();
        //4.通过此方法调用start方法
        t1.start();

        MyClass t2 = new MyClass();
        t2.start();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("main");
        }
    }
}

注意事项：

1. 如果自己手动调用run()方法，那么就只是普通方法，没有启动多线程模式，想要启动多线程，必须调用start方法。
2. 一个线程对象只能调用一次start()方法启动，如果重复调用了，则将抛出以上的异常“IllegalThreadStateException”。

2.2 实现Runnable接口

1. 定义子类，实现Runnable接口。
2. 子类中重写Runnable接口中的run方法。
3. 通过Thread类含参构造器创建线程对象。
4. 将Runnable接口的子类对象作为实际参数传递给Thread类的构造器中。
5. 调用Thread类的start方法：开启线程，调用Runnable子类接口的run方法。

//1.创建一个实现了Runnable接口的类
class MyThread1 implements Runnable {
    //2.实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
            }
        }
    }
}


public class ThreadTest2 {
    public static void main(String[] args) {
		//3.创建实现类的对象
        MyThread1 myThread1 = new MyThread1();
		//4. 将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
        Thread t1 = new Thread(myThread1);
        t1.setName("线程一");
		//5.通过Thread类的对象调用start（）
        t1.start();
    }
}

2.3 实现Callable接⼝

与使用Runnable相比， Callable功能更强大些

• 相比run()方法，可以有返回值
• 方法可以抛出异常
• 支持泛型的返回值、

Future接口

• 可以对具体Runnable、Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等。
• FutrueTask是Futrue接口的唯一的实现类
• FutureTask 同时实现了Runnable, Future接口。它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值

1. 创建一个实现Callable的实现类
2. 实现call方法，将此线程需要执行的操作声明在call()中
3. 创建Callable接口实现类的对象
4. 将此Callable接口实现类的对象作为传递到FutureTask构造器中，创建FutureTask的对象
5. 将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，并调用start()
6. 获取Callable中call方法的返回值(可选)

//1.创建一个实现Callable的实现类
class NumberThread implements Callable<Integer> {
    //2.实现call方法，将此线程需要执行的操作声明在call()中
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(i);
                sum += i;
            }
        }
        return sum;
    }
}
public class CallableTest {
    public static void main(String[] args) {
        //3.创建Callable接口实现类的对象
        NumberThread numberThread = new NumberThread();
        //4.将此Callable接口实现类的对象作为传递到FutureTask构造器中，创建FutureTask的对象
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(numberThread);
        //5.将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，并调用start()
        new Thread(futureTask).start();

        Integer sum = null;
        try {
            //6.获取Callable中call方法的返回值
            //get()返回值即为FutureTask构造器参数Callable实现类重写的call()的返回值。
            sum = futureTask.get();
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("总和为： "+sum);
    }
}

2.4 线程池

经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。可以提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。

好处：

• 提高响应速度（减少了创建新线程的时间）
• 降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）
• 便于线程管理
  • corePoolSize：核心池的大小
  • maximumPoolSize：最大线程数
  • keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止

ExecutorService：真正的线程池接口。 常见子类ThreadPoolExecutor

• void execute(Runnable command) ：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable
• < T > Future< T > submit(Callable< T > task)：执行任务，有返回值，一般又来执行Callable
• void shutdown() ：关闭连接池

Executors：工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池

• Executors.newCachedThreadPool()：创建一个可根据需要创建新线程的线程池
• Executors.newFixedThreadPool(n); 创建一个可重用固定线程数的线程池
• Executors.newSingleThreadExecutor() ：创建一个只有一个线程的线程池
• Executors.newScheduledThreadPool(n)：创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行

class NumberThread implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0;i <= 100;i++){
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
            }
        }
    }
}

class NumberThread1 implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0;i <= 100;i++){
            if(i % 2 != 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
            }
        }
    }
}

public class ThreadPool {

    public static void main(String[] args) {
        //1. 提供指定线程数量的线程池
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
        ThreadPoolExecutor service1 = (ThreadPoolExecutor) service;
        //设置线程池的属性
//        System.out.println(service.getClass());
//        service1.setCorePoolSize(15);
//        service1.setKeepAliveTime();


        //2.执行指定的线程的操作。需要提供实现Runnable接口或Callable接口实现类的对象
        service.execute(new NumberThread());//适合适用于Runnable
        service.execute(new NumberThread1());//适合适用于Runnable

//        service.submit(Callable callable);//适合使用于Callable
        //3.关闭连接池
        service.shutdown();
    }
}

3. Thread类

3.1 构造方法

• Thread()：创建新的Thread对象
• Thread(String threadname)：创建线程并指定线程实例名
• 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
• Thread(Runnable target, String name)：创建新的Thread对象

3.2 常用方法

• void start(): 启动线程，并执行对象的run()方法

• run(): 线程在被调度时执行的操作

• String getName(): 返回线程的名称

• void setName(String name):设置该线程名称

• static Thread currentThread(): 返回当前线程。在Thread子类中就
  是this，通常用于主线程和Runnable实现类

• static void yield()：线程让步

  • 暂停当前正在执行的线程，把执行机会让给优先级相同或更高的线程
  • 若队列中没有同优先级的线程，忽略此方法

• join() ：当某个程序执行流中调用其他线程的 join() 方法时，调用线程将被阻塞，直到 join() 方法加入的 join 线程执行完为止

  • 低优先级的线程也可以获得执行

• static void sleep(long millis)：(指定时间:毫秒)

  • 令当前活动线程在指定时间段内放弃对CPU控制,使其他线程有机会被执行,时间到后重排队。
  • 抛出InterruptedException异常

• stop(): 强制线程生命期结束，不推荐使用，过时了

• boolean isAlive()：返回boolean，判断线程是否还活着

3.3 线程优先级

Java的调度方法

• 同优先级线程组成先进先出队列（先到先服务），使用时间片策略
• 对高优先级，使用优先调度的抢占式策略

线程的优先级等级

• MAX_PRIORITY：10
• MIN _PRIORITY：1
• NORM_PRIORITY：5
• 涉及的方法
  • getPriority() ：返回线程优先值
  • setPriority(int newPriority) ：改变线程的优先级
• 说明
  • 线程创建时继承父线程的优先级
  • 低优先级只是获得调度的概率低，并非一定是在高优先级线程之后才被调用

4. 线程的生命周期

JDK中用Thread.State类定义了线程的几种状态要想实现多线程，必须在主线程中创建新的线程对象。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的五种状态：

• 新建： 当一个Thread类或其子类的对象被声明并创建时，新生的线程对象处于新建状态
• 就绪：处于新建状态的线程被start()后，将进入线程队列等待CPU时间片，此时它已具备了运行的条件，只是没分配到CPU资源
• 运行：当就绪的线程被调度并获得CPU资源时,便进入运行状态， run()方法定义了线程的操作和功能
• 阻塞：在某种特殊情况下，被人为挂起或执行输入输出操作时，让出 CPU 并临时中止自己的执行，进入阻塞状态
• 死亡：线程完成了它的全部工作或线程被提前强制性地中止或出现异常导致结束
  

5. 线程同步

当多条语句在操作同一个线程共享数据时，一个线程对多条语句只执行了一部分，还没有执行完，另一个线程参与进来执行。导致共享数据的错误。所以呢，对多条操作共享数据的语句，只能让一个线程都执行完，在执行过程中，其他线程不可以参与执行。

5.1 synchronized锁

对于并发工作，你需要某种方式来防止两个任务访问相同的资源（其实就是共享资源竞争）。 防止这种冲突的方法就是当资源被一个任务使用时，在其上加锁。第一个访问某项资源的任务必须锁定这项资源，使其他任务在其被解锁之前，就无法访问它了，而在其被解锁之时，另一个任务就可以锁定并使用它了。

注意：

• 任意对象都可以作为同步锁。所有对象都自动含有单一的锁（监视器）。
• 同步方法的锁：静态方法（类名.class）、非静态方法（this）
• 同步代码块：自己指定，很多时候也是指定为this或类名.class
• 必须确保使用同一个资源的多个线程共用一把锁，这个非常重要，否则就无法保证共享资源的安全
• 一个线程类中的所有静态方法共用同一把锁（类名.class），所有非静态方法共用同一把锁（this），同步代码块（指定需谨慎）

5.1.1 同步代码块

synchronized (同步监视器{
// 需要被同步的代码；
}

说明：
1.操作共享数据的代码，即为需要被同步的代码。不能包含代码多了，也不能包含代码少了。
2.共享数据：多个线程共同操作的变量。比如：ticket就是共享数据。
3.同步监视器，俗称：锁。任何一个类的对象，都可以充当锁。要求：多个线程必须要共用同一把锁。
4.在实现Runnable接口创建多线程的方式中，我们可以考虑使用this充当同步监视器。
5.在继承Thread类创建多线程的方式中，慎用this充当同步监视器，考虑使用当前类充当同步监视器。

实现Runnable接口创建多线程的方式

class Window1 implements Runnable{

    private int ticket = 100;
//    Object obj = new Object();
    @Override
    public void run() {
//        Object obj = new Object();
        while(true){
            synchronized (this){//此时的this:唯一的Window1的对象   //方式二：synchronized (obj) {

                if (ticket > 0) {

                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为：" + ticket);


                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}


public class WindowTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        Window1 w = new Window1();

        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }

}

继承Thread类创建多线程的方式

class Window2 extends Thread{


    private static int ticket = 100;

    private static Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {

        while(true){
            //正确的
//            synchronized (obj){
            synchronized (Window2.class){//Class clazz = Window2.class,Window2.class只会加载一次
                //错误的方式：this代表着t1,t2,t3三个对象
//              synchronized (this){

                if(ticket > 0){

                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    System.out.println(getName() + "：卖票，票号为：" + ticket);
                    ticket--;
                }else{
                    break;
                }
            }

        }

    }
}


public class WindowTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        Window2 t1 = new Window2();
        Window2 t2 = new Window2();
        Window2 t3 = new Window2();


        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

    }
}

5.1.2同步方法

synchronized放在方法声明中，表示整个方法为同步方法。
例如：
public synchronized void show (String name){
….
}

1.同步方法仍然涉及到同步监视器，只是不需要我们显式的声明。
2.非静态的同步方法，同步监视器是：this
3.静态的同步方法，同步监视器是：当前类本身

实现Runnable接口创建多线程的方式

class Window3 implements Runnable {

    private int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {

            show();
        }
    }

    private synchronized void show(){//同步监视器：this
        //synchronized (this){

            if (ticket > 0) {

                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为：" + ticket);

                ticket--;
            }
        //}
    }
}


public class WindowTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        Window3 w = new Window3();

        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }

}

继承Thread类创建多线程的方式

class Window4 extends Thread {


    private static int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {

        while (true) {

            show();
        }

    }
    private static synchronized void show(){//同步监视器：Window4.class
        //private synchronized void show(){ //同步监视器：t1,t2,t3。此种解决方式是错误的
        if (ticket > 0) {

            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：卖票，票号为：" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}


public class WindowTest4 {
    public static void main(String[] args) {
        Window4 t1 = new Window4();
        Window4 t2 = new Window4();
        Window4 t3 = new Window4();


        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

    }
}

5.2 Lock锁

Lock显示锁是JDK1.5之后才有的，这给协调线程带来了更多的控制功能。一个锁就是一个Lock接口的实例。

• void lock（）：得到一个锁
• void unlock（）：释放锁
• Condition newCondition（）：创建任意个数的Condition对象，用于线程通信。
• ReentrantLock（boolean fair）：Lock的常用实现，创建一个带有公平策略的锁，一个公平锁偏爱等待时间更长的进程。但会降低性能，一般都是false。
• ReentrantLock（）：等价于ReentrantLock（false）

class Window implements Runnable{

    private int ticket = 100;
    //1.实例化ReentrantLock
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while(true){
            try{

                //2.调用锁定方法lock()
                lock.lock();

                if(ticket > 0){

                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：售票，票号为：" + ticket);
                    ticket--;
                }else{
                    break;
                }
            }finally {
                //3.调用解锁方法：unlock()
                lock.unlock();
            }

        }
    }
}

public class LockTest {
    public static void main(String[] args) {
        Window w = new Window();

        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

面试题：synchronized 与 Lock的异同？
相同：二者都可以解决线程安全问题
不同：synchronized机制在执行完相应的同步代码以后，自动的释放同步监视器
Lock需要手动的启动同步（lock()），同时结束同步也需要手动的实现（unlock()）

5.3 总结

5.3.1 释放锁的操作

• 当前线程的同步方法、同步代码块执行结束。
• 当前线程在同步代码块、同步方法中遇到break、return终止了该代码块、该方法的继续执行。
• 当前线程在同步代码块、同步方法中出现了未处理的Error或Exception，导致异常结束。
• 当前线程在同步代码块、同步方法中执行了线程对象的wait()方法，当前线程暂停，并释放锁。

5.3.2 不会释放锁的操作

• 线程执行同步代码块或同步方法时，程序调用Thread.sleep()、Thread.yield()方法暂停当前线程的执行
• 线程执行同步代码块时，其他线程调用了该线程的suspend()方法将该线程挂起，该线程不会释放锁（同步监视器）。应尽量避免使用suspend()和resume()来控制线程

6. 线程通信

线程同步完全可以避免竞争条件的发生，但有时候，还需要线程之间的相互协调，可以使用条件实现线程之间的通信。

6.1 常用方法

• wait()：令当前线程挂起并放弃CPU、同步资源并等待，使别的线程可访问并修改共享资源，而 当前线程排队等候其他线程调用notify()或notifyAll()方法唤醒，唤醒后等待重新获得对监视器的所有权后才能继续执行。
• notify()：唤醒正在排队等待同步资源的线程中优先级最高者结束等待
• notifyAll ()：唤醒正在排队等待资源的所有线程结束等待

class Number implements Runnable{
    private int number = 1;
    private Object obj = new Object();
    @Override
    public void run() {

        while(true){

            synchronized (obj) {

                obj.notify();

                if(number <= 100){

                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + number);
                    number++;

                    try {
                        //使得调用如下wait()方法的线程进入阻塞状态
                        obj.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                }else{
                    break;
                }
            }

        }

    }
}


public class CommunicationTest {
    public static void main(String[] args) {
        Number number = new Number();
        Thread t1 = new Thread(number);
        Thread t2 = new Thread(number);

        t1.setName("线程1");
        t2.setName("线程2");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

面试题：sleep() 和 wait()的异同？
1.相同点：一旦执行方法，都可以使得当前的线程进入阻塞状态。
2.不同点：
1）两个方法声明的位置不同：Thread类中声明sleep() , Object类中声明wait()
2）调用的要求不同：sleep()可以在任何需要的场景下调用。 wait()必须使用在同步代码块或同步方法中
3）关于是否释放同步监视器：如果两个方法都使用在同步代码块或同步方法中，sleep()不会释放锁，wait()会释放锁。

7. 死锁（以后补充）

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，就形成了线程的死锁出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所的线程都处于阻塞状态，无法继续
我们使用同步时，要避免出现死锁。

public static void main(String[] args) {

    StringBuffer s1 = new StringBuffer();
    StringBuffer s2 = new StringBuffer();


    new Thread(){
        @Override
        public void run() {

            synchronized (s1){

                s1.append("a");
                s2.append("1");

                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }


                synchronized (s2){
                    s1.append("b");
                    s2.append("2");

                    System.out.println(s1);
                    System.out.println(s2);
                }


            }

        }
    }.start();


    new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (s2){

                s1.append("c");
                s2.append("3");

                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                synchronized (s1){
                    s1.append("d");
                    s2.append("4");

                    System.out.println(s1);
                    System.out.println(s2);
                }


            }



        }
    }).start();


}