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JavaSE20【 线程、同步】

主要内容

  • 线程
  • 同步
  • 线程状态

学习目标

  • 能够描述Java中多线程运行原理
  • 能够使用继承类的方式创建多线程
  • 能够使用实现接口的方式创建多线程
  • 能够说出实现接口方式的好处
  • 能够解释安全问题的出现的原因
  • 能够使用同步代码块解决线程安全问题
  • 能够使用同步方法解决线程安全问题
  • 能够说出线程6个状态的名称

第一章 线程

1.1 多线程原理

昨天的时候我们已经写过一版多线程的代码,很多同学对原理不是很清楚,那么我们今天先画个多线程执行时序图 来体现一下多线程程序的执行流程。

代码如下:

自定义线程类:

 public class MyThread extends Thread{
    /*
     * 利用继承中的特点
     *   将线程名称传递  进行设置
     */
    public MyThread(String name){
        super(name);
    }
    /*
     * 重写run方法
     *  定义线程要执行的代码
     */
    public void run(){
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
      //getName()方法 来自父亲
        System.out.println(getName()+i);
      }
    }
}

测试类:

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("这里是main线程");
        MyThread mt = new MyThread("小强");
        mt.start();//开启了一个新的线程
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println("旺财:"+i);
        }
    }
}

流程图:

程序启动运行main时候,java虚拟机启动一个进程,主线程main在main()调用时候被创建。随着调用mt的对象的 start方法,另外一个新的线程也启动了,这样,整个应用就在多线程下运行。

通过这张图我们可以很清晰的看到多线程的执行流程,那么为什么可以完成并发执行呢?我们再来讲一讲原理。 多线程执行时,到底在内存中是如何运行的呢?以上个程序为例,进行图解说明:

多线程执行时,在栈内存中,其实每一个执行线程都有一片自己所属的栈内存空间。进行方法的压栈和弹栈。

当执行线程的任务结束了,线程自动在栈内存中释放了。但是当所有的执行线程都结束了,那么进程就结束了。

1.2 Thread类

在上一天内容中我们已经可以完成最基本的线程开启,那么在我们完成操作过程中用到了 java.lang.Thread 类,API中该类中定义了有关线程的一些方法,具体如下:

构造方法:

public Thread() :分配一个新的线程对象。
public Thread(String name) :分配一个指定名字的新的线程对象。
public Thread(Runnable target) :分配一个带有指定目标新的线程对象。
public Thread(Runnable target,String name) :分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。

常用方法:

public String getName() :获取当前线程名称。
public void start() :导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法。
public void run() :此线程要执行的任务在此处定义代码。
public static void sleep(long millis) :使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停(暂时停止执行)。
public static Thread currentThread() :返回对当前正在执行的线程对象的引用。

翻阅API后得知创建线程的方式总共有两种,一种是继承Thread类方式,一种是实现Runnable接口方式,方式一我 们上一天已经完成,接下来讲解方式二实现的方式。

1.3 创建线程方式二

采用 java.lang.Runnable 也是非常常见的一种,我们只需要重写run方法即可。

步骤如下:

  1. 定义Runnable接口的实现类,并重写该接口的run()方法,该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。
  2. 创建Runnable实现类的实例,并以此实例作为Thread的target来创建Thread对象,该Thread对象才是真正的线程对象。
  3. 调用线程对象的start()方法来启动线程。

代码如下:

public class MyRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);
        }
    }
}
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建自定义类对象  线程任务对象
        MyRunnable mr = new MyRunnable();
        //创建线程对象
        Thread t = new Thread(mr, "小强");
        t.start();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println("旺财 " + i);
        }
    }
}

通过实现Runnable接口,使得该类有了多线程类的特征。run()方法是多线程程序的一个执行目标。所有的多线程代码都在run方法里面。Thread类实际上也是实现了Runnable接口的类。

在启动的多线程的时候,需要先通过Thread类的构造方法Thread(Runnable target) 构造出对象,然后调用Thread 对象的start()方法来运行多线程代码。

实际上所有的多线程代码都是通过运行Thread的start()方法来运行的。因此,不管是继承Thread类还是实现Runnable接口来实现多线程,最终还是通过Thread的对象的API来控制线程的,熟悉Thread类的API是进行多线程 编程的基础。

Runnable对象仅仅作为Thread对象的target,Runnable实现类里包含的run()方法仅作为线程执行体。
而实际的线程对象依然是Thread实例,只是该Thread线程负责执行其target的run()方法。

1.4 Thread和Runnable的区别

如果一个类继承Thread,则不适合资源共享。但是如果实现了Runable接口的话,则很容易的实现资源共享。

总结:
实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势:

  1. 适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。
  2. 可以避免java中的单继承的局限性。
  3. 增加程序的健壮性,实现解耦操作,代码可以被多个线程共享,代码和线程独立。
  4. 线程池只能放入实现Runable或Callable类线程,不能直接放入继承Thread的类。

扩充:
在java中,每次程序运行至少启动2个线程。一个是main线程,一个是垃圾收集线程。因为每当使用java命令执行一个类的时候,实际上都会启动一个JVM,每一个JVM其实在就是在操作系统中启动了一个进程。

1.5 匿名内部类方式实现线程的创建

使用线程的内匿名内部类方式,可以方便的实现每个线程执行不同的线程任务操作。

使用匿名内部类的方式实现Runnable接口,重新Runnable接口中的run方法:

public class NoNameInnerClassThread {
    public static void main(String[] args) {
//      new Runnable(){
//          public void run(){
//              for (int i = 0; i < 20; i++) {
//                  System.out.println("张宇:"+i);
//              }
//          }
//      }; //‐‐‐这个整体  相当于new MyRunnable()
        Runnable r = new Runnable(){
            public void run(){
                for (int i = 0; i < 20; i++) {
                    System.out.println("张宇:"+i);
                }
            }
        };
        new Thread(r).start();

        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println("费玉清:"+i);
        }
    }
}

第二章 线程安全

2.1 线程安全

如果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。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样 的,而且其他的变量的值也和预期的是一样的,就是线程安全的。

我们通过一个案例,演示线程的安全问题:

电影院要卖票,我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “葫芦娃大战奥特曼”,本次电影的座位共100个(本场电影只能卖100张票)。

我们来模拟电影院的售票窗口,实现多个窗口同时卖 “葫芦娃大战奥特曼”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)

需要窗口,采用线程对象来模拟;需要票,Runnable接口子类来模拟

模拟票:

public class Ticket implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    /*
     * 执行卖票操作
     */
    @Override
    public void run() {
        //每个窗口卖票的操作
        //窗口 永远开启
        while (true) {
            if (ticket > 0) {//有票 可以卖
                //出票操作
                //使用sleep模拟一下出票时间
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto‐generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                //获取当前线程对象的名字
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println(name + "正在卖:" + ticket‐‐);
            }
        }
    }
}

测试类:

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程任务对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建三个窗口对象
        Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");

        //同时卖票
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

结果中有一部分这样现象:

file

发现程序出现了两个问题:

  1. 相同的票数,比如5这张票被卖了两回。
  2. 不存在的票,比如0票与-1票,是不存在的。

这种问题,几个窗口(线程)票数不同步了,这种问题称为线程不安全。

线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作,而无写操作,一般来说,这个全局变量是线程安全的;若有多个线程同时执行写操作,一般都需要考虑线程同步,否则的话就可能影响线程安全。

2.2 线程同步

当我们使用多个线程访问同一资源的时候,且多个线程中对资源有写的操作,就容易出现线程安全问题。

要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题,Java中提供了同步机制(synchronized)来解决。

根据案例简述:

窗口1线程进入操作的时候,窗口2和窗口3线程只能在外等着,窗口1操作结束,窗口1和窗口2和窗口3才有机会进入代码 去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候,其他线程不能修改该资源,等待修改完毕同步之后,才能去抢夺CPU 资源,完成对应的操作,保证了数据的同步性,解决了线程不安全的现象。

为了保证每个线程都能正常执行原子操作,Java引入了线程同步机制。 那么怎么去使用呢?有三种方式完成同步操作:

  1. 同步代码块。
  2. 同步方法。
  3. 锁机制。

2.3 同步代码块

同步代码块: synchronized 关键字可以用于方法中的某个区块中,表示只对这个区块的资源实行互斥访问。

格式:

synchronized(同步锁){
    需要同步操作的代码
}
  • 同步锁:
    对象的同步锁只是一个概念,可以想象为在对象上标记了一个锁.
  1. 锁对象 可以是任意类型。
  2. 多个线程对象 要使用同一把锁。

注意:
在任何时候,最多允许一个线程拥有同步锁,谁拿到锁就进入代码块,其他的线程只能在外等着(BLOCKED)。

使用同步代码块解决代码:

public class Ticket implements Runnable{
    private int ticket = 100;

    Object lock = new Object();
    /*
     * 执行卖票操作
     */
    @Override
    public void run() {
        //每个窗口卖票的操作
        //窗口 永远开启
        while(true){
            synchronized (lock) {
                if(ticket>0){//有票 可以卖
                    //出票操作
                    //使用sleep模拟一下出票时间
                    try {
                        Thread.sleep(50);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto‐generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    //获取当前线程对象的名字
                    String name = Thread.currentThread().getName();
                    System.out.println(name+"正在卖:"+ticket‐‐);
                }
            }
        }
    }
}

当使用了同步代码块后,上述的线程的安全问题,解决了。

2.4 同步方法

  • 同步方法:使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。

格式:

public synchronized void method(){
    可能会产生线程安全问题的代码
}

同步锁是谁?
对于非static方法,同步锁就是this。
对于static方法,我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。

使用同步方法代码如下:

public class Ticket implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    /*
     * 执行卖票操作
     */
    @Override
    public void run() {
        //每个窗口卖票的操作
        //窗口 永远开启
        while(true){
            sellTicket();
        }
    }

    /*
     * 锁对象 是 谁调用这个方法 就是谁
     *   隐含 锁对象 就是  this
     *
     */
    public synchronized void sellTicket(){
        if(ticket>0){//有票 可以卖
            //出票操作
            //使用sleep模拟一下出票时间
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto‐generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            //获取当前线程对象的名字
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name+"正在卖:"+ticket‐‐);
        }
    }
}

2.5 Lock锁

java.util.concurrent.locks.Lock 机制提供了比synchronized代码块和synchronized方法更广泛的锁定操作,同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有,除此之外更强大,更体现面向对象。

Lock锁也称同步锁,加锁与释放锁方法化了,如下:

  • public void lock() :加同步锁。
  • public void unlock() :释放同步锁。

使用如下:

public class Ticket implements Runnable{
    private int ticket = 100;

    Lock lock = new ReentrantLock();
    /*
     * 执行卖票操作
     */
    @Override
    public void run() {
        //每个窗口卖票的操作
        //窗口 永远开启
        while(true){
            lock.lock();
            if(ticket>0){//有票 可以卖
                //出票操作
                //使用sleep模拟一下出票时间
                try {
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto‐generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                //获取当前线程对象的名字
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println(name+"正在卖:"+ticket‐‐);
            }
            lock.unlock();
        }
    }
}

第三章 线程状态

3.1 线程状态概述

当线程被创建并启动以后,它既不是一启动就进入了执行状态,也不是一直处于执行状态。在线程的生命周期中, 有几种状态呢?在API中 java.lang.Thread.State 这个枚举中给出了六种线程状态:

这里先列出各个线程状态发生的条件,下面将会对每种状态进行详细解析

  • 线程状态:
    • NEW(新建)
      线程刚被创建,但是并未启动。还没调用start方法。
    • Runnable(可运行)
      线程可以在java虚拟机中运行的状态,可能正在运行自己代码,也可能没有,这取决于操 作系统处理器。
    • Blocked(锁阻塞)
      当一个线程试图获取一个对象锁,而该对象锁被其他的线程持有,则该线程进入Blocked状 态;当该线程持有锁时,该线程将变Runnable状态。
    • Waiting(无限等待)
      一个线程在等待另一个线程执行一个(唤醒)动作时,该线程进入Waiting状态。进入这个 状态后是不能自动唤醒的,必须等待另一个线程调用notify或者notifyAll方法才能够唤醒。
    • Timed Waiting(计时等待)
      同waiting状态,有几个方法有超时参数,调用他们将进入Timed Waiting状态。这一状态 将一直保持到超时期满或者接收到唤醒通知。带有超时参数的常用方法有Thread.sleep 、 Object.wait。
    • Teminated(被终止)
      因为run方法正常退出而死亡,或者因为没有捕获的异常终止了run方法而死亡。

我们不需要去研究这几种状态的实现原理,我们只需知道在做线程操作中存在这样的状态。那我们怎么去理解这几 个状态呢,新建与被终止还是很容易理解的,我们就研究一下线程从Runnable(可运行)状态与非运行状态之间的转换问题。

3.2 Timed Waiting(计时等待)

Timed Waiting在API中的描述为:一个正在限时等待另一个线程执行一个(唤醒)动作的线程处于这一状态。单独 的去理解这句话,真是玄之又玄,其实我们在之前的操作中已经接触过这个状态了,在哪里呢?

在我们写卖票的案例中,为了减少线程执行太快,现象不明显等问题,我们在run方法中添加了sleep语句,这样就 强制当前正在执行的线程休眠(暂停执行),以“减慢线程”。

其实当我们调用了sleep方法之后,当前执行的线程就进入到“休眠状态”,其实就是所谓的Timed Waiting(计时等待),那么我们通过一个案例加深对该状态的一个理解。

实现一个计数器,计数到100,在每个数字之间暂停1秒,每隔10个数字输出一个字符串

代码:
 public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if ((i) % 10 == 0) {
                System.out.println("‐‐‐‐‐‐‐" + i);
            }
            System.out.print(i);
            try {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.print("    线程睡眠1秒!\n");
                } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new MyThread().start();
    }
}

通过案例可以发现,sleep方法的使用还是很简单的。我们需要记住下面几点:

  1. 进入 TIMED_WAITING 状态的一种常见情形是调用的 sleep 方法,单独的线程也可以调用,不一定非要有协作关系。
  2. 为了让其他线程有机会执行,可以将Thread.sleep()的调用放线程run()之内。这样才能保证该线程执行过程中会睡眠
  3. sleep与锁无关,线程睡眠到期自动苏醒,并返回到Runnable(可运行)状态。

注意:
sleep()中指定的时间是线程不会运行的最短时间。因此,sleep()方法不能保证该线程睡眠到期后就开始立刻执行

Timed Waiting 线程状态图:

3.3 BLOCKED(锁阻塞)

Blocked状态在API中的介绍为:一个正在阻塞等待一个监视器锁(锁对象)的线程处于这一状态。

我们已经学完同步机制,那么这个状态是非常好理解的了。比如,线程A与线程B代码中使用同一锁,如果线程A获 取到锁,线程A进入到Runnable状态,那么线程B就进入到Blocked锁阻塞状态。

这是由Runnable状态进入Blocked状态。除此Waiting以及Time Waiting状态也会在某种情况下进入阻塞状态,而 这部分内容作为扩充知识点带领大家了解一下。

Blocked 线程状态图

3.4 Waiting(无限等待)

Wating状态在API中介绍为:一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的(唤醒)动作的线程处于这一状态。

那么我们之前遇到过这种状态吗?答案是并没有,但并不妨碍我们进行一个简单深入的了解。我们通过一段代码来 学习一下:

public class WaitingTest {
    public static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        // 演示waiting
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true){
                    synchronized (obj){
                        try {
                            System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"=== 获取到锁对象,调用wait方法,进入waiting状态,释放锁对象");
                            obj.wait();  //无限等待
                            //obj.wait(5000); //计时等待, 5秒 时间到,自动醒来

                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println( Thread.currentThread().getName() + "=== 从waiting状 态醒来,获取到锁对象,继续执行了");
                    }
                }
            }
        },"等待线程").start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
//                while (true){   //每隔3秒 唤醒一次

                    try {
                        System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"‐‐‐‐‐ 等待3秒钟");                         Thread.sleep(3000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    synchronized (obj){
                        System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"‐‐‐‐‐ 获取到锁对
象,调用notify方法,释放锁对象");
                        obj.notify();
                    }
                }
//            }
        },"唤醒线程").start();
    }
}

通过上述案例我们会发现,一个调用了某个对象的 Object.wait 方法的线程会等待另一个线程调用此对象的Object.notify()方法 或 Object.notifyAll()方法。

其实waiting状态并不是一个线程的操作,它体现的是多个线程间的通信,可以理解为多个线程之间的协作关系, 多个线程会争取锁,同时相互之间又存在协作关系。就好比在公司里你和你的同事们,你们可能存在晋升时的竞 争,但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。

当多个线程协作时,比如A,B线程,如果A线程在Runnable(可运行)状态中调用了wait()方法那么A线程就进入 了Waiting(无限等待)状态,同时失去了同步锁。假如这个时候B线程获取到了同步锁,在运行状态中调用了notify()方法,那么就会将无限等待的A线程唤醒。注意是唤醒,如果获取到锁对象,那么A线程唤醒后就进入Runnable(可运行)状态;如果没有获取锁对象,那么就进入到Blocked(锁阻塞状态)。

Waiting 线程状态图

3.5 补充知识点

到此为止我们已经对线程状态有了基本的认识,想要有更多的了解,详情可以见下图:

我们在翻阅API的时候会发现Timed Waiting(计时等待) 与 Waiting(无限等待) 状态联系还是很紧密的, 比如Waiting(无限等待) 状态中wait方法是空参的,而timed waiting(计时等待) 中wait方法是带参的。 这种带参的方法,其实是一种倒计时操作,相当于我们生活中的小闹钟,我们设定好时间,到时通知,可是 如果提前得到(唤醒)通知,那么设定好时间在通知也就显得多此一举了,那么这种设计方案其实是一举两 得。如果没有得到(唤醒)通知,那么线程就处于Timed Waiting状态,直到倒计时完毕自动醒来;如果在倒 计时期间得到(唤醒)通知,那么线程从Timed Waiting状态立刻唤醒。