JavaSE学习笔记(12)---线程

时间:2020-02-13 22:45:00 来源:互联网 作者: 神秘的大神 字体:

JavaSE学习笔记(12)---线程

多线程

并发与并行

  • 并发:指两个或多个事件在同一个时间段内发生。
  • 并行:指两个或多个事件在同一时刻发生(同时发生)。

在操作系统中,安装了多个程序,并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行,这在单 CPU 系统中,每一时刻只能有一道程序执行,即微观上这些程序是分时的交替运行,只不过是给人的感觉是同时运行,那是因为分时交替运行的时间是非常短的。

而在多个 CPU 系统中,则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上(CPU),实现多任务并行执行,即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序,这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核 CPU,便是多核处理器,核 越多,并行处理的程序越多,能大大的提高电脑运行的效率。

注意:单核处理器的计算机肯定是不能并行的处理多个任务的,只能是多个任务在单个CPU上并发运行。同理,线程也是一样的,从宏观角度上理解线程是并行运行的,但是从微观角度上分析却是串行运行的,即一个线程一个线程的去运行,当系统只有一个CPU时,线程会以某种顺序执行多个线程,我们把这种情况称之为线程调度。

线程与进程

  • 进程:是指一个内存中运行的应用程序,每个进程都有一个独立的内存空间,一个应用程序可以同时运行多个进程;进程也是程序的一次执行过程,是系统运行程序的基本单位;系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。

  • 线程:线程是进程中的一个执行单元,负责当前进程中程序的执行,一个进程中至少有一个线程。一个进程中是可以有多个线程的,这个应用程序也可以称之为多线程程序。

    简而言之:一个程序运行后至少有一个进程,一个进程中可以包含多个线程

线程调度:

  • 分时调度

    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。

  • 抢占式调度

    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(线程随机性),Java使用的为抢占式调度。

    • 设置线程的优先级

    • 抢占式调度详解

      大部分操作系统都支持多进程并发运行,现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。比如:现在我们上课一边使用编辑器,一边使用录屏软件,同时还开着画图板,dos窗口等软件。此时,这些程序是在同时运行,”感觉这些软件好像在同一时刻运行着“。

      实际上,CPU(中央处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换。对于CPU的一个核而言,某个时刻,只能执行一个线程,而 CPU的在多个线程间切换速度相对我们的感觉要快,看上去就是在同一时刻运行。
      其实,多线程程序并不能提高程序的运行速度,但能够提高程序运行效率,让CPU的使用率更高。

创建线程类

第一种: 通过继承Thread类实现多线程

Java使用java.lang.Thread类代表线程,所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例。每个线程的作用是完成一定的任务,实际上就是执行一段程序流即一段顺序执行的代码。Java使用线程执行体来代表这段程序流。Java中通过继承Thread类来创建启动多线程的步骤如下:

  1. 定义Thread类的子类,并重写该类的run()方法,该run()方法的方法体就代表了线程需要完成的任务,因此把run()方法称为线程执行体。
  2. 创建Thread子类的实例,即创建了线程对象
  3. 调用线程对象的start()方法来启动该线程

代码如下:

测试类:

public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建自定义线程对象
        MyThread mt = new MyThread("新的线程!");
        //开启新线程
        mt.start();
        //在主方法中执行for循环
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("main线程!"+i);
        }
    }
}

自定义线程类:

public class MyThread extends Thread {
    //定义指定线程名称的构造方法
    public MyThread(String name) {
        //调用父类的String参数的构造方法,指定线程的名称
        super(name);
    }
    /**
     * 重写run方法,完成该线程执行的逻辑
     */
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(getName()+":正在执行!"+i);
        }
    }
}

第二种: 通过Runnable接口实现多线程

在开发中,我们应用更多的是通过Runnable接口实现多线程。这种方式克服了11.2.1节中实现线程类的缺点,即在实现Runnable接口的同时还可以继承某个类。所以实现Runnable接口的方式要通用一些。

通过Runnable接口实现多线程

public class TestThread2 implements Runnable {//自定义类实现Runnable接口;
    //run()方法里是线程体;
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程对象,把实现了Runnable接口的对象作为参数传入;
        Thread thread1 = new Thread(new TestThread2());
        thread1.start();//启动线程;
        Thread thread2 = new Thread(new TestThread2());
        thread2.start();
    }
}

线程状态

图11-4 线程生命周期图.png

一个线程对象在它的生命周期内,需要经历5个状态。

▪ 新生状态(New)

用new关键字建立一个线程对象后,该线程对象就处于新生状态。处于新生状态的线程有自己的内存空间,通过调用start方法进入就绪状态。

▪ 就绪状态(Runnable)

处于就绪状态的线程已经具备了运行条件,但是还没有被分配到CPU,处于“线程就绪队列”,等待系统为其分配CPU。就绪状态并不是执行状态,当系统选定一个等待执行的Thread对象后,它就会进入执行状态。一旦获得CPU,线程就进入运行状态并自动调用自己的run方法。有4中原因会导致线程进入就绪状态:

\1. 新建线程:调用start()方法,进入就绪状态;

\2. 阻塞线程:阻塞解除,进入就绪状态;

\3. 运行线程:调用yield()方法,直接进入就绪状态;

\4. 运行线程:JVM将CPU资源从本线程切换到其他线程。

▪ 运行状态(Running)

在运行状态的线程执行自己run方法中的代码,直到调用其他方法而终止或等待某资源而阻塞或完成任务而死亡。如果在给定的时间片内没有执行结束,就会被系统给换下来回到就绪状态。也可能由于某些“导致阻塞的事件”而进入阻塞状态。

▪ 阻塞状态(Blocked)

阻塞指的是暂停一个线程的执行以等待某个条件发生(如某资源就绪)。有4种原因会导致阻塞:

\1. 执行sleep(int millsecond)方法,使当前线程休眠,进入阻塞状态。当指定的时间到了后,线程进入就绪状态。

\2. 执行wait()方法,使当前线程进入阻塞状态。当使用nofity()方法唤醒这个线程后,它进入就绪状态。

\3. 线程运行时,某个操作进入阻塞状态,比如执行IO流操作(read()/write()方法本身就是阻塞的方法)。只有当引起该操作阻塞的原因消失后,线程进入就绪状态。

\4. join()线程联合: 当某个线程等待另一个线程执行结束后,才能继续执行时,使用join()方法。

▪ 死亡状态(Terminated)

死亡状态是线程生命周期中的最后一个阶段。线程死亡的原因有两个。一个是正常运行的线程完成了它run()方法内的全部工作; 另一个是线程被强制终止,如通过执行stop()或destroy()方法来终止一个线程(注:stop()/destroy()方法已经被JDK废弃,不推荐使用)。

当一个线程进入死亡状态以后,就不能再回到其它状态了。

终止线程我们一般不使用JDK提供的stop()/destroy()方法(它们本身也被JDK废弃了)。通常的做法是提供一个boolean型的终止变量,当这个变量置为false,则终止线程的运行。

终止线程的典型方法(重要)

public class TestThreadCiycle implements Runnable {
    String name;
    boolean live = true;// 标记变量,表示线程是否可中止;
    public TestThreadCiycle(String name) {
        super();
        this.name = name;
    }
    public void run() {
        int i = 0;
        //当live的值是true时,继续线程体;false则结束循环,继而终止线程体;
        while (live) {
            System.out.println(name + (i++));
        }
    }
    public void terminate() {
        live = false;
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        TestThreadCiycle ttc = new TestThreadCiycle("线程A:");
        Thread t1 = new Thread(ttc);// 新生状态
        t1.start();// 就绪状态
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("主线程" + i);
        }
        ttc.terminate();
        System.out.println("ttc stop!");
    }
}

执行结果如图所示:

图11-5 示例11-3运行效果图(因为是多线程,故每次运行结果不一定一致).png

运行效果图(因为是多线程,故每次运行结果不一定一致)

暂停线程执行sleep/yield

暂停线程执行常用的方法有sleep()和yield()方法,这两个方法的区别是:

  1. sleep()方法:可以让正在运行的线程进入阻塞状态,直到休眠时间满了,进入就绪状态。

  2. yield()方法:可以让正在运行的线程直接进入就绪状态,让出CPU的使用权。

暂停线程的方法-sleep()

public class TestThreadState {
    public static void main(String[] args) {
        StateThread thread1 = new StateThread();
        thread1.start();
        StateThread thread2 = new StateThread();
        thread2.start();
    }
}
//使用继承方式实现多线程
class StateThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(this.getName() + ":" + i);
            try {
                Thread.sleep(2000);//调用线程的sleep()方法;
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

执行结果如下所示(注:以下图示只是部分结果,运行时可以感受到每条结果输出之前的延迟,是Thread.sleep(2000)语句在起作用):

图11-6示例11-4运行效果图.png

图11-6示例11-4运行效果图

暂停线程的方法-yield()

public class TestThreadState {
    public static void main(String[] args) {
        StateThread thread1 = new StateThread();
        thread1.start();
        StateThread thread2 = new StateThread();
        thread2.start();
    }
}
//使用继承方式实现多线程
class StateThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(this.getName() + ":" + i);
            Thread.yield();//调用线程的yield()方法;
        }
    }
}

执行结果如图所示(注:以下图示只是部分结果,可以引起线程切换,但运行时没有明显延迟):

图11-7示例11-5运行效果图.png

运行效果图

线程的联合join()

线程A在运行期间,可以调用线程B的join()方法,让线程B和线程A联合。这样,线程A就必须等待线程B执行完毕后,才能继续执行。如下面示例中,“爸爸线程”要抽烟,于是联合了“儿子线程”去买烟,必须等待“儿子线程”买烟完毕,“爸爸线程”才能继续抽烟。

public class TestThreadState {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("爸爸和儿子买烟故事");
        Thread father = new Thread(new FatherThread());
        father.start();
    }
}
 
class FatherThread implements Runnable {
    public void run() {
        System.out.println("爸爸想抽烟,发现烟抽完了");
        System.out.println("爸爸让儿子去买包红塔山");
        Thread son = new Thread(new SonThread());
        son.start();
        System.out.println("爸爸等儿子买烟回来");
        try {
            son.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("爸爸出门去找儿子跑哪去了");
            // 结束JVM。如果是0则表示正常结束;如果是非0则表示非正常结束
            System.exit(1);
        }
        System.out.println("爸爸高兴的接过烟开始抽,并把零钱给了儿子");
    }
}
 
class SonThread implements Runnable {
    public void run() {
        System.out.println("儿子出门去买烟");
        System.out.println("儿子买烟需要10分钟");
        try {
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                System.out.println("第" + i + "分钟");
                Thread.sleep(1000);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("儿子买烟回来了");
    }
}

图11-8示例11-6运行效果图.png

线程的优先级

  1. 处于就绪状态的线程,会进入“就绪队列”等待JVM来挑选。

  2. 线程的优先级用数字表示,范围从1到10,一个线程的缺省优先级是5。

  3. 使用下列方法获得或设置线程对象的优先级。

    int getPriority();

void setPriority(int newPriority);

注意:优先级低只是意味着获得调度的概率低。并不是绝对先调用优先级高的线程后调用优先级低的线程。

什么是线程同步

▪ 同步问题的提出

现实生活中,我们会遇到“同一个资源,多个人都想使用”的问题。 比如:教室里,只有一台电脑,多个人都想使用。天然的解决办法就是,在电脑旁边,大家排队。前一人使用完后,后一人再使用。

▪ 线程同步的概念

处理多线程问题时,多个线程访问同一个对象,并且某些线程还想修改这个对象。 这时候,我们就需要用到“线程同步”。 线程同步其实就是一种等待机制,多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列,等待前面的线程使用完毕后,下一个线程再使用。

由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间,在带来方便的同时,也带来了访问冲突的问题。Java语言提供了专门机制以解决这种冲突,有效避免了同一个数据对象被多个线程同时访问造成的这种问题。

由于我们可以通过 private 关键字来保证数据对象只能被方法访问,所以我们只需针对方法提出一套机制,这套机制就是synchronized关键字,它包括两种用法:synchronized 方法和 synchronized 块。

▪ synchronized 方法

通过在方法声明中加入 synchronized关键字来声明,语法如下:

public  synchronized  void accessVal(int newVal);

synchronized 方法控制对“对象的类成员变量”的访问:每个对象对应一把锁,每个 synchronized 方法都必须获得调用该方法的对象的锁方能执行,否则所属线程阻塞,方法一旦执行,就独占该锁,直到从该方法返回时才将锁释放,此后被阻塞的线程方能获得该锁,重新进入可执行状态。

▪ synchronized块

synchronized 方法的缺陷:若将一个大的方法声明为synchronized 将会大大影响效率。

Java 为我们提供了更好的解决办法,那就是 synchronized 块。 块可以让我们精确地控制到具体的“成员变量”,缩小同步的范围,提高效率。

synchronized 块:通过 synchronized关键字来声明synchronized 块,语法如下:

synchronized(syncObject)
   { 
   //允许访问控制的代码 
   }

多线程操作同一个对象(使用线程同步)

public class TestSync {
    public static void main(String[] args) {
        Account a1 = new Account(100, "高");
        Drawing draw1 = new Drawing(80, a1);
        Drawing draw2 = new Drawing(80, a1);
        draw1.start(); // 你取钱
        draw2.start(); // 你老婆取钱
    }
}
/*
 * 简单表示银行账户
 */
class Account {
    int money;
    String aname;
    public Account(int money, String aname) {
        super();
        this.money = money;
        this.aname = aname;
    }
}
/**
 * 模拟提款操作
 * 
 * @author Administrator
 *
 */
class Drawing extends Thread {
    int drawingNum; // 取多少钱
    Account account; // 要取钱的账户
    int expenseTotal; // 总共取的钱数
 
    public Drawing(int drawingNum, Account account) {
        super();
        this.drawingNum = drawingNum;
        this.account = account;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        draw();
    }
 
    void draw() {
        synchronized (account) {
            if (account.money - drawingNum < 0) {
                System.out.println(this.getName() + "取款,余额不足!");
                return;
            }
            try {
                Thread.sleep(1000); // 判断完后阻塞。其他线程开始运行。
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            account.money -= drawingNum;
            expenseTotal += drawingNum;
        }
        System.out.println(this.getName() + "--账户余额:" + account.money);
        System.out.println(this.getName() + "--总共取了:" + expenseTotal);
    }
}

图11-12示例11-10运行效果图1.png

图11-13示例11-10运行效果图2.png

synchronized (account)” 意味着线程需要获得account对象的“锁”才有资格运行同步块中的代码。 Account对象的“锁”也称为“互斥锁”,在同一时刻只能被一个线程使用。A线程拥有锁,则可以调用“同步块”中的代码;B线程没有锁,则进入account对象的“锁池队列”等待,直到A线程使用完毕释放了account对象的锁,B线程得到锁才可以开始调用“同步块”中的代码。