day09【多线程】

今日内容

• 进程概念
• 线程概念
• 线程的创建方式
• 线程名字设置获取
• 线程安全问题引发
• 同步代码块
• 同步方法
• 死锁

目标

• 说出进程的概念
• 说出线程的概念
• 能够使用继承类的方式创建多线程
• 能偶获取线程的名字
• 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 多线程的概念

1.1 概述

我们在之前，学习的程序在没有跳转语句的前提下，都是由上至下依次执行，那现在想要设计一个程序，边打游戏边听歌，怎么设计？

要解决上述问题,咱们得使用多进程或者多线程来解决。

1.2 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：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。

1.3 线程

进程与线程的区别

• 进程：有独立的内存空间，进程中的数据存放空间（堆空间和栈空间）是独立的，至少有一个线程。
• 线程：堆空间是共享的，栈空间是独立的，线程消耗的资源比进程小的多。

注意：下面内容为了解知识点

1. 因为一个进程中的多个线程是并发运行的，那么从微观角度看也是有先后顺序的，哪个线程执行完全取决于 CPU 的调度，程序员是干涉不了的。而这也就造成的多线程的随机性。
2. Java 程序的进程里面至少包含两个线程，主进程也就是 main()方法线程，另外一个是垃圾回收机制线程。每当使用 java 命令执行一个类时，实际上都会启动一个 JVM，每一个 JVM 实际上就是在操作系统中启动了一个线程，java 本身具备了垃圾的收集机制，所以在 Java 运行时至少会启动两个线程。
3. 由于创建一个线程的开销比创建一个进程的开销小的多，那么我们在开发多任务运行的时候，通常考虑创建多线程，而不是创建多进程。

第二章 线程的创建-继承方式

2.1 继承Thread类方式

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类来创建并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

自定义线程类：

public class MyThread extends Thread {
	/**
	 * 重写run方法，完成该线程执行的逻辑
	 */
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 200; i++) {
			System.out.println("自定义线程正在执行！"+i);
		}
	}
}

测试类：

public static void main(String[] args) {
    //创建自定义线程对象
    MyThread mt = new MyThread();
    //开启新线程
    mt.start();
    //在主方法中执行for循环
    for (int i = 0; i < 200; i++) {
    	System.out.println("main线程！"+i);
    }
}

2.2 线程的执行流程

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。

2.3 线程内存图

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。

2.4 run()方法和start()方法

• run()方法，是线程执行的任务方法，每个线程都会调用run()方法执行，我们将线程要执行的任务代码都写在run()方法中就可以被线程调用执行。
• start()方法，开启线程，线程调用run()方法。start()方法源代码中会调用本地方法start0()来启动线程：private native void start0()，本地方法都是和操作系统交互的，因此可以看出每次开启一个线程的线程都会和操作系统进行交互。
  • 注意：一个线程只能被启动一次！！

2.5 线程名字的设置和获取

• Thread类的方法String getName()可以获取到线程的名字。

• Thread类的方法setName(String name)设置线程的名字。

• 通过Thread类的构造方法Thread(String name)也可以设置线程的名字。

public class MyThread  extends Thread{
    public void run(){
        System.out.println("线程名字:"+super.getName());
    }
}

测试类：

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建自定义线程对象
        MyThread mt = new MyThread();
        //设置线程名字
        mt.setName("旺财");
        //开启新线程
        mt.start();
    }
}

注意：线程是有默认名字的，如果我们不设置线程的名字，JVM会赋予线程默认名字Thread-0,Thread-1。

2.6 获取运行main方法线程的名字

• Demo类不是Thread的子类，因此不能使用getName()方法获取。

• Thread类定义了静态方法static Thread currentThread()获取到当前正在执行的线程对象。

• main方法也是被线程调用了，也是具有线程名字的。

public static void main(String[] args){
	Thread t = Thread.currentThread();
	System.out.println(t.getName());
}

第三章 线程的创建-实现方式

3.1 实现Runnable接口方式

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。

public class MyRunnable implements Runnable{
	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);
        t.start();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println("main " + 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。

3.2 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. *实现了线程和任务的分离，接口里面就只有任务，必须要new一个线程对象，里面放我们这个接口任务（换句话说这个new的线程对象可以放任意的接口实现类，来实现任意的任务，线程对象跟run方法是分离的）。thread则就是相反

3.3 匿名内部类方式创建线程

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);
        }
   	}
}

第四章 线程安全

4.1 线程安全问题

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 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：

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。

线程安全问题引发：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。

4.2 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。

4.3 同步代码块

同步代码块：线程操作的共享数据进行同步。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:

同步锁又称为对象监视器。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;
	private 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--);
				}
			}
		}
	}
}

注意：线程运行至同步代码块的时候，需要判断锁，获取锁，出去同步代码块后要释放锁，增加了很多操作，因此线程安全，程序的运行速度慢！

4.4 同步方法

同步方法:当一个方法中的所有代码，全部是线程操作的共享数据的时候，可以将整个方法进行同步。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
}

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) {
              	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--);
        }
	}
}

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)。

第四章 死锁

死锁是指两个或两个以上的线程在执行过程中，由于竞争同步锁而产生的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的线程称为死锁。

根据图中所示：线程T1正在持有R1锁，但是T1线程必须要再获取到R2锁才能继续执行，而线程T2正在持有R2锁，但是T2线程必须再获取到R1锁后才能继续执行，两个线程就会处于无限的等待中，即死锁。在程序中的死锁将出现在同步代码块的嵌套中。

创建锁对象：

public class LockR1 {
    public static LockR1 r1 = new LockR1();
}

public class LockR2 {
    public static LockR2 r2 = new LockR2();
}

死锁程序：

public class DeadLock implements Runnable {
    private boolean flag;
    public DeadLock(boolean flag){
        this.flag = flag;
    }
    public void run() {
        while (true){
            if(flag){
                //线程获取r1对象锁
                synchronized (LockR1.r1){
                    System.out.println("if...获取r1锁");
                    synchronized (LockR2.r2){
                        //线程获取r2对象锁
                        System.out.println("if...获取r2锁");
                    }
                }
            }else{
                //线程获取r2对象锁
                synchronized (LockR2.r2){
                    System.out.println("else...获取r2锁");
                    //线程获取r1锁
                    synchronized (LockR1.r1){
                        System.out.println("else...获取r1锁");
                    }
                }
            }
        }
    }
}

测试类：

public class DeadLockTest {
    public static void main(String[] args) {
        DeadLock d1 = new DeadLock(true);
        DeadLock d2 = new DeadLock(false);

        Thread t1 = new Thread(d1);
        Thread t2 = new Thread(d2);

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

第五章 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	导致状态发生条件
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，该线程将变成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。

3.2 线程状态图

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。