Java基础简历1

一 线程

1.线程的引入

如果说在操作系统中引入进程的目的是使多个程序并发执行以改善资源利用率及提高系统的吞吐量；那么在操作系统中再引入线程，则是为了减少程序并发执行时所付出的时空开销，使操作系统具有更好的并发性。

进程的基本属性：进程是一个可拥有资源的独立单位；进程同时又是一个可以独立调度和分配的基本单位。

简而言之，进程是一个资源拥有者，因而在创建，撤销和切换中，系统必须付出为之较大的时空开销。在系统中所设置的进程不易过高，切换频率也不宜过高，但是这也就限制了并发程度的进一步提高。

如何使多个程序更好的并发执行，同时又尽量减少系统的开销—》线程：作为调度和分派的基本单位，不同时作为独立资源的单位，轻装运行。

2 线程的创建方式

（1）继承Thread：定义THread的子类，重写run()方法，run方法就代表线程需要完成的任务-线程执行体。创建Thread子类的实例，即创建线程对象。调用线程对象的start方法启动。

（2）实现Runnable接口：实现Runnable接口，重写run；创建Runnable实例，并将该实例作为参数传递到Thread中。

（3）使用Callable和Future创建线程：创建Callable接口的实现类，并重写call()方法，该方法就是线程方法执行体，且call()方法有执行返回值，再创建Callable实现类的实例；使用Future Task的实例，来包装Callable对象，即把callable的实例以形参的方式传入Future Task()的构造函数中；使用FutureTask对象作为Thread对象的target创建启动线程；通过FutureTask实例对象调用get方法得到子线程的返回值。

3 创建方式对比：使用实现Runnable接口 或Callable接口，同时开可以继承其他类；

多个线程可以共享一个target对象，非常适合多个相同线程来处理同一资源的情况，从而将CPU，代码，数据分开，形成清晰的模型，较好的体现了面向对象的思想。

缺点：编程复杂，如果要访问当前线程，必须使用Thread.currentThread()方法

使用继承Thread类：可以使用this访问当前线程，不可以继承其他类。

4 Java中的6种线程状态及转换

状态	说明
NEW	初始状态，线程被构建，但是还没有调用start()方法
RUNNABLE	运行状态，Java线程将操作系统中的就绪和运行两种状态笼统的称作为"运行中"
BLOCKED	阻塞状态，表示线程阻塞于锁
WAITING	等待状态，表示线程进入等待状态，进入该状态表示当前线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）
TIME_WAITING	超时等待，该状态不同于WAITING，它是可以在指定的时间自行返回的。
TERMINATED	终止状态，表示当前线程已经执行完毕。

5 线程间通信

（1）使用wait/notify实现线程间的通信

方法wait()的作用是使当前执行代码的线程进行等待，wait()方法是Object类的方法，该方法用来将当前线程置入“预执行队列”中，并且在wait()所在的代码行处停止执行，直到接到通知或被中断为止。在调用wait()之前，线程必须获得该对象的对象级别锁，即只能在同步方法或同步代码块中调用wait()方法。在执行wait()方法后，当前线程锁被释放。在wait()返回前，线程与其他线程竞争重新获得锁。如果调用wait()时没有持有适当锁，会抛出异常。不需要try catch进行捕获。

方法notify()也要在同步方法或者同步块中调用，即在调用前，线程也必须获得该对象的对象级别锁。该方法用来通知那些可能等待该对象的对象锁的其他线程，如果有多个线程等待，则由线程规划器随机挑选出一个呈wait状态的线程，对其发出notify通知，并使它等待获取该对象的对象锁。需说明的是，在执行notify()方法后，当前线程不会马上释放该对象锁，呈wait状态的线程也并不能马上获取该对象锁，要等到执行notify()方法的线程将程序执行完，也就是退出synchronized代码块后，当前线程才会释放锁，而呈wait状态所在的线程才可以获取该对象锁。

关键字synchronized可以将任何一个Object对象作为同步对象来看，而Java为每个Object都实现了wait()方法和notify()方法，他们必须用在被synchronized同步的Object的临界区内。

1）新建一个线程对象后，再调用它的start()方法，系统会为此线程分配CPU资源，使其处于Runnable（可运行）状态，这是一个准备运行的阶段。如果线程抢占到CPU资源就处于Running 状态。

2）线程进入Runnable状态大体分为如下5种情况：

调用sleep()方法后经过的时间超过了指定的休眠时间

线程调用的阻塞IO已经返回，阻塞方法执行完毕

线程成功获得了试图同步的监视器

线程正在等待某个通知，其他线程发出了通知

处于挂起的线程调用了resume恢复方法

Blocked是阻塞的意思，例如遇到了一个IO操作，此时CPU处于空闲状态，可能会转而把CPU时间片分配给其他线程，这时也可以称为“暂停”状态。Blocked结束后，进入Runnable状态，等待系统重新分配资源。

3）出现阻塞的情况大致分为如下5种：

线程调用sleep，主动放弃占用的处理器资源

线程调用了阻塞式IO方法，在该方法返回前，该线程被阻塞

线程试图获得一个同步监视器，但该同步监视器正被其他线程所持有

线程等待某个通知

程序调用了suspend方法将该线程挂起。此方法容易死锁，尽量避免。

4）run()方法运行结束后进入销毁阶段，整个线程执行完毕。

每个锁对象都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列。就绪队列存储了将要获得锁的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程。一个线程被唤醒后，才会进入就绪队列，等待CPU的调度；反之，一个线程被wait后，就会进入阻塞队列，等待下一次被唤醒。

（2）生产者/消费者的实现

（3）方法join的使用

在很多情况下，主线程创建并启动子线程，如果子线程中药进行大量的耗时运算，主线程往往将早于子线程之前结束。这时，如果主线程想等待子线程执行完毕之后再结束，比如子线程处理一个数据，主线程要取得这个数据中的值，就要用到join()方法了，方法join()的作用是等待线程对象的销毁。

（4）ThreadLocal类的使用

变量值的共享可以用public static变量的形式，所有线程使用同一个public static变量。如果想实现每一个线程都有自己的共享变量该如何解决呢，JDK中提供的类ThreadLocal正是为了解决这样的问题。

类ThreadLocal主要解决的就是每个线程绑定自己的值。

问题：

• 如何让两个线程依次执行？  
•            

  假设有两个线程，一个是线程 A，另一个是线程 B，两个线程分别依次打印 1-3 三个数字即可。我们来看下代码：

  private static void demo1() {
      Thread A = new Thread(new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
              printNumber("A");
          }
      });
      Thread B = new Thread(new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
              printNumber("B");
          }
      });
      A.start();
      B.start();
  }

  其中的 printNumber(String) 实现如下，用来依次打印 1, 2, 3 三个数字：

  private static void printNumber(String threadName) {
      int i=0;
      while (i++ < 3) {
          try {
              Thread.sleep(100);
          } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
          }
          System.out.println(threadName + "print:" + i);
      }
  }

  这时我们得到的结果是：

  B print: 1
  A print: 1
  B print: 2
  A print: 2
  B print: 3
  A print: 3

  可以看到 A 和 B 是同时打印的。

  那么，如果我们希望 B 在 A 全部打印 完后再开始打印呢？我们可以利用 thread.join() 方法，代码如下:

  private static void demo2() {
      Thread A = new Thread(new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
              printNumber("A");
          }
      });
      Thread B = new Thread(new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
              System.out.println("B 开始等待 A");
              try {
                  A.join();
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
              printNumber("B");
          }
      });
      B.start();
      A.start();
  }

  得到的结果如下：

  B 开始等待 A
  A print: 1
  A print: 2
  A print: 3
  B print: 1
  B print: 2
  B print: 3

  所以我们能看到 A.join() 方法会让 B 一直等待直到 A 运行完毕。

• 那如何让 两个线程按照指定方式有序交叉运行呢？

• 还是上面那个例子，我现在希望 A 在打印完 1 后，再让 B 打印 1, 2, 3，最后再回到 A 继续打印 2, 3。这种需求下，显然 Thread.join() 已经不能满足了。我们需要更细粒度的锁来控制执行顺序。

  这里，我们可以利用 object.wait() 和 object.notify() 两个方法来实现。代码如下：

  /**
   * A 1, B 1, B 2, B 3, A 2, A 3
   */
  private static void demo3() {
      Object lock = new Object();
      Thread A = new Thread(new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
              synchronized (lock) {
                  System.out.println("A 1");
                  try {
                      lock.wait();
                  } catch (InterruptedException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
                  System.out.println("A 2");
                  System.out.println("A 3");
              }
          }
      });
      Thread B = new Thread(new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
              synchronized (lock) {
                  System.out.println("B 1");
                  System.out.println("B 2");
                  System.out.println("B 3");
                  lock.notify();
              }
          }
      });
      A.start();
      B.start();
  }

  打印结果如下：

  A 1
  A waiting…
  B 1
  B 2
  B 3
  A 2
  A 3

  正是我们要的结果。

  那么，这个过程发生了什么呢？

• 首先创建一个 A 和 B 共享的对象锁 lock = new Object();
• 当 A 得到锁后，先打印 1，然后调用 lock.wait() 方法，交出锁的控制权，进入 wait 状态；
• 对 B 而言，由于 A 最开始得到了锁，导致 B 无法执行；直到 A 调用 lock.wait() 释放控制权后， B 才得到了锁；
• B 在得到锁后打印 1， 2， 3；然后调用 lock.notify() 方法，唤醒正在 wait 的 A;
• A 被唤醒后，继续打印剩下的 2，3
• 四个线程 A B C D，其中 D 要等到 A B C 全执行完毕后才执行，而且 A B C 是同步运行的
•    

  最开始我们介绍了 thread.join()，可以让一个线程等另一个线程运行完毕后再继续执行，那我们可以在 D 线程里依次 join A B C，不过这也就使得 A B C 必须依次执行，而我们要的是这三者能同步运行。

  或者说，我们希望达到的目的是：A B C 三个线程同时运行，各自独立运行完后通知 D；对 D 而言，只要 A B C 都运行完了，D 再开始运行。针对这种情况，我们可以利用 CountdownLatch 来实现这类通信方式。它的基本用法是：

• 创建一个计数器，设置初始值，CountdownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
• 在 等待线程 里调用 countDownLatch.await() 方法，进入等待状态，直到计数值变成 0；
• 在 其他线程 里，调用 countDownLatch.countDown() 方法，该方法会将计数值减小 1；
• 当 其他线程 的 countDown() 方法把计数值变成 0 时，等待线程 里的 countDownLatch.await() 立即退出，继续执行下面的代码。

• 实现代码如下：

  private static void runDAfterABC() {
      int worker = 3;
      CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(worker);
      new Thread(new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
              System.out.println("D is waiting for other three threads");
              try {
                  countDownLatch.await();
                  System.out.println("All done, D starts working");
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
          }
      }).start();
      for (char threadName='A'; threadName <= 'C'; threadName++) {
          final String tN = String.valueOf(threadName);
          new Thread(new Runnable() {
              @Override
              public void run() {
                  System.out.println(tN + "is working");
                  try {
                      Thread.sleep(100);
                  } catch (Exception e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
                  System.out.println(tN + "finished");
                  countDownLatch.countDown();
              }
          }).start();
      }
  }

  下面是运行结果：

  D is waiting for other three threads
  A is working
  B is working
  C is working
  A finished
  C finished
  B finished
  All done, D starts working

  其实简单点来说，CountDownLatch 就是一个倒计数器，我们把初始计数值设置为3，当 D 运行时，先调用 countDownLatch.await() 检查计数器值是否为 0，若不为 0 则保持等待状态；当A B C 各自运行完后都会利用countDownLatch.countDown()，将倒计数器减 1，当三个都运行完后，计数器被减至 0；此时立即触发 D 的 await() 运行结束，继续向下执行。

  因此，CountDownLatch 适用于一个线程去等待多个线程的情况。

• 三个运动员各自准备，等到三个人都准备好后，再一起跑
•   

  上面是一个形象的比喻，针对 线程 A B C 各自开始准备，直到三者都准备完毕，然后再同时运行 。也就是要实现一种 线程之间互相等待 的效果，那应该怎么来实现呢？

  上面的 CountDownLatch 可以用来倒计数，但当计数完毕，只有一个线程的 await() 会得到响应，无法让多个线程同时触发。

  为了实现线程间互相等待这种需求，我们可以利用 CyclicBarrier 数据结构，它的基本用法是：

• 先创建一个公共 CyclicBarrier 对象，设置 同时等待 的线程数，CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
• 这些线程同时开始自己做准备，自身准备完毕后，需要等待别人准备完毕，这时调用 cyclicBarrier.await(); 即可开始等待别人；
• 当指定的 同时等待 的线程数都调用了 cyclicBarrier.await();时，意味着这些线程都准备完毕好，然后这些线程才 同时继续执行。

• 实现代码如下，设想有三个跑步运动员，各自准备好后等待其他人，全部准备好后才开始跑：

  private static void runABCWhenAllReady() {
      int runner = 3;
      CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(runner);
      final Random random = new Random();
      for (char runnerName='A'; runnerName <= 'C'; runnerName++) {
          final String rN = String.valueOf(runnerName);
          new Thread(new Runnable() {
              @Override
              public void run() {
                  long prepareTime = random.nextInt(10000) + 100;
                  System.out.println(rN + "is preparing for time:" + prepareTime);
                  try {
                      Thread.sleep(prepareTime);
                  } catch (Exception e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
                  try {
                      System.out.println(rN + "is prepared, waiting for others");
                      cyclicBarrier.await(); // 当前运动员准备完毕，等待别人准备好
                  } catch (InterruptedException e) {
                      e.printStackTrace();
                  } catch (BrokenBarrierException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
                  System.out.println(rN + "starts running"); // 所有运动员都准备好了，一起开始跑
              }
          }).start();
      }
  }

  打印的结果如下：

  A is preparing for time: 4131
  B is preparing for time: 6349
  C is preparing for time: 8206
  A is prepared, waiting for others
  B is prepared, waiting for others
  C is prepared, waiting for others
  C starts running
  A starts running
  B starts running

  子线程完成某件任务后，把得到的结果回传给主线程

  实际的开发中，我们经常要创建子线程来做一些耗时任务，然后把任务执行结果回传给主线程使用，这种情况在 Java 里要如何实现呢？

  回顾线程的创建，我们一般会把 Runnable 对象传给 Thread 去执行。Runnable定义如下：

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

  可以看到 run() 在执行完后不会返回任何结果。那如果希望返回结果呢？这里可以利用另一个类似的接口类 Callable：

  @FunctionalInterface
  public interface Callable<V> {
      /**
       * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
       *
       * @return computed result
       * @throws Exception if unable to compute a result
       */
      V call() throws Exception;
  }

  可以看出 Callable 最大区别就是返回范型 V 结果。

  那么下一个问题就是，如何把子线程的结果回传回来呢？在 Java 里，有一个类是配合 Callable 使用的：FutureTask，不过注意，它获取结果的 get 方法会阻塞主线程。

  举例，我们想让子线程去计算从 1 加到 100，并把算出的结果返回到主线程。

  private static void doTaskWithResultInWorker() {
      Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
          @Override
          public Integer call() throws Exception {
              System.out.println("Task starts");
              Thread.sleep(1000);
              int result = 0;
              for (int i=0; i<=100; i++) {
                  result += i;
              }
              System.out.println("Task finished and return result");
              return result;
          }
      };
      FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);
      new Thread(futureTask).start();
      try {
          System.out.println("Before futureTask.get()");
          System.out.println("Result:" + futureTask.get());
          System.out.println("After futureTask.get()");
      } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
      } catch (ExecutionException e) {
          e.printStackTrace();
      }
  }

  打印结果如下：

  Before futureTask.get()
  Task starts
  Task finished and return result
  Result: 5050
  After futureTask.get()

  可以看到，主线程调用 futureTask.get() 方法时阻塞主线程；然后 Callable 内部开始执行，并返回运算结果；此时 futureTask.get() 得到结果，主线程恢复运行。

  这里我们可以学到，通过 FutureTask 和 Callable 可以直接在主线程获得子线程的运算结果，只不过需要阻塞主线程。当然，如果不希望阻塞主线程，可以考虑利用 ExecutorService，把 FutureTask 放到线程池去管理执行。