Java筆記：多線程

来源:https://www.cnblogs.com/guyuyun/archive/2020/06/21/13174715.html
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1. Java線程理解 進程：進程就相當於一個應用程式，而線程是進程中的執行場景或者說執行單元，一個進程可以啟動多個線程。 線程併發：對於電腦的CPU，例如4核的CPU，表示在同一個時間點上，可以真正做到有4個進程併發執行。而對於單核CPU，是不能做到真正的多線程併發的，只是由於CPU線上程之間切換 ...


1. Java線程理解

進程：進程就相當於一個應用程式，而線程是進程中的執行場景或者說執行單元，一個進程可以啟動多個線程。

線程併發：對於電腦的CPU，例如4核的CPU，表示在同一個時間點上，可以真正做到有4個進程併發執行。而對於單核CPU，是不能做到真正的多線程併發的，只是由於CPU線上程之間切換太快，讓我們人在使用時產生了多個線程在同時運行的假象，在主觀感覺上多個線程是併發的，但其實單核的CPU是不能做到真正的併發的。

JVM進程：運行Java程式，首先會先啟動一個JVM，JVM就是一個進程，然後JVM再啟動一個主線程調用main方法，與此同時，再啟動一個垃圾回收線程負責看護main主線程並回收其產生的垃圾。所以，一個Java程式中至少會有兩個線程併發，一個是垃圾回收線程，一個是執行main方法的主線程。

線程的記憶體使用：Java中堆記憶體和方法區記憶體線上程間是共用的，也就是它們在程式運行期間都只有“一塊”，但是棧是獨立的，每一個線程擁有一個自己的棧，啟動了多少線程就會有多少塊棧記憶體。

 

2. 創建線程的三種方式：Thread，Runnable，Callable

Thread方式：定義一個類，繼承java.lang.Thread，並重寫run方法即可。運行時，調用線程對象的start方法，然後JVM就會自動創建一個分支線程（分支棧）來運行run方法中的代碼。這種方式也是最核心的，其他兩種方式都是基於這個Thread來實現的。

Thread中的常用方法：

  • void start()：start()方法的作用是啟動一個分支線程，調用時會在JVM中開闢出一個新的棧空間，這個棧空間開闢出來後start()方法就結束了，表示線程啟動成功了。註意，start()方法本身並不屬於新的分支線程，而是屬於調用者線程。start()方法結束後，啟動成功的線程會自動調用run方法，並且run方法處於分支棧的底部（壓棧），其作用和意義就相當於是分支棧的main方法，即主線程的main方法和分支線程的run方法對於各自的線程來講是意義一樣的。
  • void run()：如果在當前線程中直接調用run方法，那它就是線程對象中的一個普通方法，並不會啟動一個新的分支線程，所以想要啟動一個新的分支線程，必須要通過調用start方法來運行run方法中的代碼。
  • String getName()：獲取線程的名稱，預設為“Thread-[n]”，n表示數字。
  • void setName(String name)：設置線程的名稱。
  • static Thread currentThread()：獲取當前線程的線程對象，當前線程指的是正在執行currentThread()這個方法的線程。（註意這是個靜態方法）
  • static void sleep(long millis)：使當前線程暫停執行指定毫秒數。（註意這是個靜態方法）
  • void interrupt()：中斷sleep的睡眠。原理是調用sleep方法進行睡眠時，會產生一個InterruptedException的編譯時異常，代碼中通常會使用try塊將sleep方法包裹起來，當調用interrupt方法時，就會主動拋出一個InterruptedException異常，此時的sleep睡眠就被中斷了。
  • static void yield()：線程讓位，讓當前線程短暫的暫停一下，以便讓其他線程得以有更多時間執行。（註意這是個靜態方法）
  • void join()：線程合併，讓當前線程阻塞，直到調用join方法的線程執行完畢，即讓其他線程合入當前線程。
  • void setDaemon(boolean on)：將on設置true傳入，表示線上程調用start之前將其設置為守護線程，註意，這個方法需要線上程啟動之前調用進行設置。Java中線程分為兩類，用戶線程和守護線程，守護線程也稱為後臺線程，而且守護線程通常是一個死迴圈程式，並且所有的用戶線程結束之後，守護線程就會自動結束，不用程式員手動去結束。主線程main線程是屬於用戶線程，而垃圾回收機制的線程則屬於守護線程。

Thread簡單示例：

public class ThreadTest{
    public static void main(String[] args){
        // main方法中的代碼屬於主線程，在主棧中運行
        MyThread myThread = new MyThread();
        // 調用線程對象的start方法會啟動一個新的分支線程，並執行線程對象中run方法的代碼
        // 此時主線程的main方法並不會等myThread的run方法運行完畢，而是會直接往下繼續執行
        // 因為它們屬於兩個獨立的線程，它們的運行是並行執行的
        myThread.start();
        System.out.println("主線程正在運行...");
    }
}


class MyThread extends Thread {
    public void run(){
        // run方法中的代碼會運行在創建的分支線程中
        System.out.println("分支線程正在執行...");
    }
}

 

 

Runnable方式：定義一個類，實現java.lang.Runnable介面，並重寫介面的run方法，這個類也稱之為可運行的類。然後再創建一個Thread對象，在創建Thread對象時，構造方法中將這個自定義的可運行類對象傳入即可。

註：這種實現介面的方式其實更加常用，因為定義的可運行類在將來還可以繼承別的類，但定義Thread子類的方式因為Java只支持單繼承的原因就沒有機會再繼承別的類了，即無法通過繼承的方式擴展功能了。

Runnable簡單示例：

public class ThreadTest{
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
        Thread t = new Thread(myRunnable);
        // 啟動分支線程，併在分支線程中運行myRunnable對象中的run方法
        t.start();
        System.out.println("主線程正在運行...");
    }
}

// 這隻是一個實現了Runnable介面的普通類
// 只有將它傳入Thread對象才能在單獨的線程中運行
class MyRunnable implements Runnable{
    public void run(){
        System.out.println("分支線程正在執行...");
    }
}

 

 

Callable方式：實現java.util.concurrent.Callable介面，並重寫call()方法，具體使用方法見示例。這種方式的特點是可以獲取線程的返回值。但是，也有一個缺點，調用get方法獲取返回值時會阻塞當前線程。

Callable簡單示例：

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.FutureTask;

public class CallableTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        // FutureTask使用了泛型，使用時可以傳入自己需要的類型
        // 這裡採用了匿名內部類的實現方式
        FutureTask task = new FutureTask(new Callable(){
            // 需要重寫call方法，就相當於Thread中的run方法
            @Override
            public Object call() throws Exception {
                System.out.println("Callable線程正在運行...");
                return new Object();
            }
        });

        Thread t = new Thread(task);
        t.start();
        // 執行get方法是會阻塞當前線程（這裡是主線程main），
        // 直到線程t執行完畢
        Object obj = task.get();
        System.out.println("線程執行的結果：" + obj);
    }
}

 

 

3. 使用布爾標記終止線程

終止線程的方法具體的使用場景可能有所不同，以下示例只是常用方法之一。

// 終止線程的一種方式：定義一個布爾標記
public class ThreadTest{
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
        Thread t = new Thread(myRunnable);
        t.start();

        // 主線程暫停5秒
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 主線程暫停5秒之後，手動去終止t線程
        myRunnable.run = false;
    }
}


class MyRunnable implements Runnable{
    // 定義一個布爾標記
    boolean run = true;
    public void run(){
        // 讓當前線程sleep 10秒，模擬程式執行10秒
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if (run) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            } else {
                // 終止線程
                return;
            }
        }
    }
}

 

 

4. 線程生命周期

線程生命周期的狀態通常有以下幾個狀態：新建狀態、就緒狀態、運行狀態、阻塞狀態和死亡狀態。

新建狀態：創建線程對象之後，調用start()方法之前，線程就處於新建狀態，此時線程還沒有被創建，因為一旦創建線程成功之後就會立馬進入就緒狀態。

就緒狀態：調用start()方法啟動線程之後，線程就處於就緒狀態，就緒狀態表示此時的線程擁有搶奪CPU的時間片的權利（CPU執行權），即我這個線程可以占用多少時間的CPU。當搶到時間片之後就會進入運行狀態。

運行狀態：當線程搶到時間片之後就會去占用CPU，並使用CPU執行run()方法中的代碼，一直到這個時間片使用完畢。時間片使用完畢之後，run方法中的代碼會暫停執行併進入就緒狀態，等下一次再次搶到時間片的時候就會繼續運行run方法中的代碼了。當在使用時間片的過程中，程式阻塞了，例如需要等待用戶輸入、程式sleep等，就會立馬釋放掉擁有的時間片，併進入阻塞狀態。

阻塞狀態：當進入阻塞狀態後，直到用戶輸入完畢、sleep時間到等，此時會解除程式的阻塞狀態，並使程式進入就緒狀態，繼續參與CPU執行權的搶奪以便運行後續的代碼。

死亡狀態：當run方法中的代碼執行完畢之後，線程就進入死亡狀態了。

註：對於單核CPU來說，主線程和分支線程併發時，它們都在搶奪CPU的時間片，由於它們的運行狀態交替太快，導致了我們主觀感覺上的並行，但其實並沒有真正的併發執行。

 

5. synchronized關鍵字

可以使用synchronized語法來實現線程之間的同步，以給某個代碼塊、方法或者類添加鎖的方式，以達到數據安全的目的。

代碼塊中的synchronized：在代碼塊中使用synchronized，語法如下：

/* 例如線程t1、t2、t3之間共用對象testShare，而需要同步的代碼正好是testShare中的一個方法，
   那麼synchronized就需要用在testShare中，
   小括弧中的"線程之間共用的對象"就可以寫this，而方法體中的代碼就可以放在synchronized
   的大括弧中來執行。這樣，同一個類new出來的不同對象就可以實現各自的線程間同步，互不幹擾。
   註意：線程之間共用需要共用的對象可能是不同的，而大括弧中的代碼和共用對象之間不一定是有關係的，
   這兩個部分可以是沒有關係的，所以這裡不一定是this。這個共用對象只是給線程獲取鎖提供了一個對象，
   多個線程之間只有需要獲取相同對象的鎖的時候，才會發生線程的同步。
*/
synchronized(線程之間共用的對象){
    需要同步的代碼
}

 

synchronized原理：synchronized語法實現線程之間同步的原理其實就是線程對對象鎖的占有和釋放，每一個Java對象都有一個鎖（其實就是一個標記，我們稱之為鎖而已），當第一個線程遇到synchronized之後就會占有小括弧中“共用對象”的鎖，然後執行大括弧中需要同步的代碼塊，如果在執行過程中，第二個線程也來到了這裡，遇到了synchronized，也會去占有這個“共用對象”的鎖，但是發現它已經被占有了，那麼就只好排隊等待，直到第一個線程執行完畢，釋放這個“共用對象”的鎖，然後第二個線程才能占有鎖並繼續執行後面的代碼。以此類推，後面的線程也會來占有鎖，如果鎖已經被占有了，就停止執行並等待，直到“有鎖可占”，如此，也就達到了這段代碼的線程間同步。

synchronized效率提升：

  • 大括弧中的內容越多，範圍越大，執行效率越低，所以應該儘量保證大括弧中的內容少一點，範圍小一點。
  • 對於局部變數，因為它始終都在棧中，而各自的線程都有自己的棧，所以局部變數是不存線上程安全問題的，因此，對於Java中的某些引用數據類型，在局部變數的使用中，應該使用非線程安全的數據類型，比如ArrayList、HashSet、StringBuilder等，它們雖然本身不是線程安全的，但是因為是局部變數，所以不存線上程安全問題，也就不用去考慮它們本身的線程安全問題了。

方法定義中的synchronized：synchronized可以在方法定義上使用，此時共用對象預設為this，同步的代碼為整個方法體的代碼。但是註意，如果是靜態方法，那麼執行這個方法時查找的鎖就是類鎖了，而不是對象鎖了。這種用法雖然直接使用了this和整個方法體中的代碼，但是也可以看情況使用，滿足這個使用條件的就可以使用這個方式，代碼也會更簡潔。

public synchronized void myFunc(){
    ....
}

類定義中的synchronized：如果synchronized關鍵字出現在類的定義修飾符中，那麼表示這個類創建的所有對象都擁有同一個鎖，也稱之為類鎖，類鎖的定義主要是為了保證靜態變數的線程安全。

 

6. 死鎖

當線程之間某個線程想要獲取的鎖被對方線程占有了，與此同時，對方線程想要獲取的鎖也被自己獲取了，此時兩個線程就都會處於一直等待的狀態，而不往下執行的情況，這種場景稱之為死鎖。

註：synchronized在開發中應該儘量避免嵌套使用，因為嵌套synchronized有可能會造成死鎖問題，而死鎖問題大多時候很難定位。

死鎖示例：

public class ThreadTest{
    public static void main(String[] args){
        Object o1 = new Object();
        Object o2 = new Object();
        MyThread1 t1 = new MyThread1(o1, o2);
        MyThread2 t2 = new MyThread2(o1, o2);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

class MyThread1 extends Thread{
    Object o1;
    Object o2;

    public MyThread1(Object o1, Object o2){
        this.o1 = o1;
        this.o2 = o2;
    }

    public void run(){
        synchronized(o1){
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 此時想要去獲取o2的鎖，但是已經被MyThread2的線程獲取了，只能暫定並等待
            synchronized(o2){
                System.out.println("MyThread1 run...");
            }
        }
    }
}

class MyThread2 extends Thread{
    Object o1;
    Object o2;

    public MyThread2(Object o1, Object o2){
        this.o1 = o1;
        this.o2 = o2;
    }

    public void run(){
        synchronized(o2){
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 此時想要去獲取o1的鎖，但是已經被MyThread1的線程獲取了，只能暫定並等待
            synchronized(o1){
                System.out.println("MyThread2 run...");
            }
        }
    }
}

 

 

7. 定時器

使用java.util.Timer就可以自己實現一個定時器。

可以從構造方法指定定時器的名稱，以及該定時器是否作為守護線程運行。註意，這裡說的定時器，包括了定時器本身線程和在定時器中運行的任務線程。

常用方法：

  • void schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period)：從指定的時間firstTime開始，每隔period（毫秒）時間執行一次任務task。註意，TimerTask是一個抽象類，使用時需要自己新寫一個類，繼承TimerTask並重寫它的run方法。調用這個方法之後，定時器就開始工作了。

 

8. wait和notify

 wait和notify方法不是線程Thread類的方法，而是Object的方法，即任何類都有這兩個方法。但是註意，這兩個方法是建立線上程同步的機制上的。

  • wait()：讓正在該對象（調用wait方法的對象）上活動的線程（當前線程）進入無限期等待的狀態，直到被喚醒為止。並且該線程會釋放在該對象上占有的鎖。
  • notify()：喚醒正在該對象（調用notify方法的對象）上等待的線程。但是註意，這個方法只是起到通知的作用，並不會釋放在該對象上占有的鎖，通常是線程執行完畢就自動釋放了。
  • notifyAll()：喚醒所有正在該對象（調用notify方法的對象）上等待的線程，這個方法同樣不會釋放對象鎖。

 


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