java多線程基礎理解

時間 2019-11-13

標籤 java 多線程基礎理解欄目 Java 简体版

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1、概述

理解多線程先要理解線程，理解線程先要理解進程。

1. 進程

一個正在執行的程序。
每一個進程的執行都有一個執行的順序，順序是一個執行路徑，也叫一個控制單元。

2. 線程

進程中獨立的控制單元稱爲線程。
線程控制進程的執行。
進程中只要有一個線程在執行，進程就不會結束。
一個進程中至少存在一個線程。

3. 多線程

Java 虛擬機啓動時，會有一個 java.exe 的執行程序，也就是一個進程。
這個進程中至少存在一個線程負責 java 程序的執行，這個線程的運行代碼存在 main 方法中，這個線程稱之爲主線程。
JVM 啓動時除了執行一個主線程，還會啓動負責垃圾回收機制的線程。
在一個進程中有多個線程執行的方式，稱爲多線程。

4. 多線程的意義

多線程能讓程序產生同時運行的效果，能夠提升程序執行的效率。
- 例如：
  - java.exe 進程執行主程序時，若是程序的代碼很是多，在堆內存中會產生不少對象，而對象調用完後就會變成垃圾。若是垃圾過多的話，可能會致使堆內存出現內存不足的現象，影響程序的運行。這種狀況下，若是隻有一個線程在運行處理的話，程序執行的效率很是低；若是有多個線程在幫助處理的話，程序執行的效率將大大的提升。
    - 例如：垃圾回收機制的線程在幫助進行垃圾回收的話，那堆內存空間的釋放將快不少。

5. CPU 運行的原理

PC 上有不少程序「同時」進行，看起來好像是 CPU 「同時」處理全部程序似的，其實在同一時刻，單核的 CPU 只能運行一個程序，看起來「同時」運行的效果，實際上只是 CPU 在多個線程之間作快速切換的動做而已。
CPU 執行哪一個程序，或者說是哪一個程序搶到了 CPU 的執行權，哪一個程序就執行，CPU 不會只執行一個線程，執行完一個後，會執行另外一個，或者說是另外一個線程搶走了 CPU 的執行權。至於如何執行是由 CPU 所決定。
CPU 執行哪一個程序，是毫無規律的，這是多線程的特性：隨機性。java

2、建立方式
建立線程的方式：繼承和實現。安全

1. 繼承

Java 中已經提供了對線程描述的類 —— Thread。繼承 Thread 類，重寫（覆蓋）run 方法，建立線程。
步驟：
1. 定義類繼承 Thread；
2. 重寫（覆蓋）Thread 中的 run 方法；
  - 自定義代碼存儲在 run 方法中，讓線程執行。
3. 建立自定義類的實例對象；
  - 至關於建立線程。
4. 實例對象調用線程的 start 方法。
  - 啓動線程，調用 run 方法。
    - 注：若是對象直接調用 run 方法，那麼就只有一個線程在執行，自定義的線程並無啓動。
重寫（覆蓋）run 方法的緣由：Thread 類用於描述線程，類中定義了一個功能，用於存儲線程要執行的代碼，存儲這個功能的就是 run 方法。總而言之，Thread 中的 run 方法用於存儲線程要執行的代碼。
例如：多線程
結果以下函數
注：線程是隨機、交替執行的，每次運行的結果都不一樣this

2. 實現

使用繼承 Thread 建立線程的方式有弊端，就是若是類繼承了其它的父類，就沒法使用 Thread 來建立線程，因而便有了經過實現 Runnable 接口來建立線程。實現 Runnable 接口，重寫（覆蓋）run 方法，建立線程。
步驟：
1. 定義類實現 Runnable；
2. 重寫（覆蓋）Runnable 中的 run 方法；
  - 自定義代碼存儲在 run 方法中，讓線程執行。
3. 經過 Thread 類建立線程對象。
4. 將 Runnable 的子類對象做爲實際參數傳遞給 Thread 的構造函數；
  - 將 Runnable 的子類對象傳遞給 Thread 的構造函數的緣由：
    - 自定義的 run 方法所屬的對象是 Runnable 的子類對象，要讓線程去指定對象的 run 方法，就必須明確 run 方法所屬的對象。
5. 調用 Thread 中的 start 方法啓動線程。
  - start 方法會自動調用 Runnable 子類的 run 方法。
好處：避免了單繼承的侷限性。（定義線程時，建議優先使用）
例如：
結果以下：spa
注：線程是隨機、交替執行的，每次運行的結果都不一樣。線程

3、區別及狀態

1. 建立方式的區別

繼承：線程代碼存儲在 Thread 子類的 run 方法中。
實現：線程代碼存儲在 Runnable 子類的 run 方法中。

2. 狀態

被建立：等待啓動，調用 start 啓動。
運行狀態：具備執行資格和執行權。
臨時狀態（阻塞）：具備執行資格，但沒有執行權。
凍結狀態：遇到 sleep(time) 方法和 wait() 方法時，失去執行資格和執行權；sleep 方法的時間結束或調用 notify() 方法時，得到執行資格，變爲臨時狀態（阻塞）。
消亡狀態：調用 stop() 方法或 run 方法結束。
- 注：線程從建立狀態到了運行狀態後，再次調用 start() 方法時，已經沒有任何意義，Java 運行時會提示線程狀態異常。

4、安全問題

1. 緣由

當多條語句操做同一個線程的共享數據時，一個線程對多條語句只執行了一部分，沒執行完成時，另外的線程參與執行，會致使共享數據的錯誤異常，也就是線程的安全問題。
總而言之：
1. 線程的隨機性。
2. 多個線程訪問出現延遲。
注：線程的安全問題在理想狀態下，通常不容易出現，可是一旦出現線程的安全問題，將會對程序軟件形成很是大的影響。

2. 同步

對於線程的安全問題，在對多條操做共享數據的語句時，只讓一個線程執行完，再讓下個線程去執行，每條線程在執行的過程當中，其它線程都不能夠參與執行。
Java 中提供了專業的解決辦法 —— synchronized（同步）。
解決的方式：同步代碼塊和同步函數。（均是使用關鍵字 synchronized 實現）
1. 同步代碼塊
  - 格式：code
```
synchronized(對象){ 
    須要被同步的代碼;
 }
```
  - 同步之因此能夠解決線程的安全問題，根本緣由在於對象上，對象若是加了同步鎖，持有鎖的線程能夠在同步中執行，沒持有鎖的線程即便獲取 CPU 的執行權，也沒法進入去執行，由於沒有獲取到同步鎖。
  - 例如：htm

同步函數

格式：

在函數上加 synchronized 修飾符便可。

函數須要被對象所調用，函數就擁有一個所屬對象的引用，就是 this，也就是說同步函數所使用的鎖是 this。
例如：

前提：
1. 必須有兩個或以上的線程；
2. 必須是多個線程使用同一個鎖。
利與弊：
- 利：解決了多線程的安全問題。
- 弊：多個線程均須要判斷鎖，消耗資源，影響效率。
如何尋找多線程的安全問題？
1. 明確共享數據；
2. 明確哪些代碼是多線程運行的代碼；
3. 明確多線程運行的代碼中哪些語句是操做共享數據的。

3. 靜態函數的同步

同步函數被靜態所修飾後，使用的同步鎖再也不是 this，由於靜態函數中不能夠定義 this，靜態進入內存時，內存中沒有本類對象，但必定存在類所對應的字節碼文件對象。
- 例如：類名.class（對象的類型是 Class）
靜態函數所使用的同步鎖就是所在類的字節碼文件對象。
- 類名.class
例如：

4. 死鎖

同步中嵌套同步時，有可能出現死鎖現象。
例如：

說明：程序卡死，沒法繼續執行。

5、通訊

多個線程操做同一個資源，可是操做的動做不相同，就是線程間通訊。
同步操做同一個資源
- 例如：

問題點：
1. wait()、notify()、notifyAll() 用來操做線程的，爲何是定義在 Object 類中呢？
  1. 這些方法存在於同步中；
  2. 使用這些方法時必需要有標識所屬的同步鎖；
    - 例如：同一個鎖上 wait 的線程，只能被同一個鎖上的 notify 喚醒。
  3. 鎖能夠是任意的對象，任意對象調用的方法必定要定義在 Object 類中。
2. wait() 和 sleep() 有什麼區別呢？
  - wait()：釋放 CPU 的執行權，釋放同步鎖。
  - sleep()：釋放 CPU 的執行權，不釋放同步鎖。
3. 爲何要定義 notifyAll()？
  - 須要喚醒對方線程時，若是隻用 notify()，容易出現只喚醒本方線程的狀況，會致使程序中全部線程都處於等待狀態。

JDK 5 及以上版本中提供了多線程同步鎖的升級解決方案

將 synchronized（同步）替換成 Lock，將 Object 類中的 wait()、notify()、notifyAll() 替換成 Condition 對象。
Condition 對象可經過 Lock（鎖）進行獲取，而且支持多個相關的 Condition 對象。
例如：

6、線程中止

JDK 5 以前，中止線程用 stop() 方法，JDK 5 及以上版本中，stop() 方法已過期。
- 線程中止的辦法就是讓 run() 方法結束。
  - 啓動多線程運行通常都是使用循環結構的代碼，只需控制循環的條件，就可讓 run() 方法結束，也就是線程中止。
    - 例如：

說明：只要在主函數或者其它線程中，對標記 flag 賦值 false，就可讓 run() 方法結束，線程中止。

特殊狀況：當線程處於凍結狀態時，沒法讀取到 run() 方法中的代碼，線程就沒法中止。

須要對線程的凍結狀態進行清除，強制讓線程恢復運行，Thread 類中提供了 interrupt();
例如：

7、什麼狀況須要多線程？

某些代碼須要同時執行時，可用單獨的線程封裝，多線程運行執行。
例如

8、拓展

join();
- 臨時加入線程去執行：
  - 當 A 線程執行到了 B 線程的 join(); 方法時，A 線程等待，B 線程執行完後，A 線程才繼續執行（此時的 B 線程與其它線程交替執行）。
setPriority();
- 設置優先級：
  - MIN_PRIORITY：最低優先級 1
  - MAX_PRIORITY：最高優先級 10
  - NORM_PRIORITY：默認優先級
yield();
- 能夠暫停當前線程，讓其它線程執行。