Java-多线程

多线程

并行和并发

• 并行：多个处理器或多核处理器在同一时刻同时处理多个任务。
• 并发：同一时间段内多个任务在同一个 CPU 核上，按细分的时间片轮流(交替)执行，从逻辑上来看那些任务是同时执行。

进程和线程

• 进程是资源分配的基本单位，是正运行的程序。
• 线程是CPU调度的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位，是进程中的一个执行单元。

进程和线程的区别和联系

• 一个进程中可以有多个线程，它们共享进程资源。
  • QQ 和浏览器是两个进程，浏览器进程里面有很多线程，例如 HTTP 请求线程、事件响应线程、渲染线程等等，线程的并发执行使得在浏览器中点击一个新链接从而发起 HTTP 请求时，浏览器还可以响应用户的其它事件。
• 拥有资源
  • 进程是资源分配的基本单位，但是线程不拥有资源，线程可以访问隶属进程的资源。
• 调度
  • 线程是独立调度的基本单位，在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换，从一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时，会引起进程切换。
• 系统开销
  • 由于创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I/O 设备等，所付出的开销远大于创建或撤销线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及当前执行进程 CPU 环境的保存及新调度进程 CPU 环境的设置，而线程切换时只需保存和设置少量寄存器内容，开销很小。
• 通信方面
  • 线程间可以通过直接读写同一进程中的数据进行通信，但是进程通信需要借助 IPC。

Java使用线程

有三种使用线程的方法：

• 继承 Thread 类;
• 实现 Runnable 接口；
• 实现 Callable 接口；

实现 Runnable 和 Callable 接口的类只能当做一个可以在线程中运行的任务，不是真正意义上的线程，因此最后还需要通过 Thread 来调用。可以理解为任务是通过线程驱动从而执行的。

1. 继承 Thread 类

• 创建类继承Thread类；
• 实现 run() 方法；
• 当调用 start() 方法启动一个线程时，虚拟机会将该线程放入就绪队列中等待被调度，当一个线程被调度时会执行该线程的 run() 方法。

       
public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // ...
    }
}
public static void main(String[] args) {
    MyThread mt = new MyThread();
    mt.start();
}     

2. 实现 Runnable 接口

需要实现接口中的 run() 方法。

     
public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // ...
    }
}     

使用 Runnable 实例再创建一个 Thread 实例，然后调用 Thread 实例的 start() 方法来启动线程。

     
public static void main(String[] args) {
    MyRunnable instance = new MyRunnable();
    Thread thread = new Thread(instance);
    thread.start();
}   

3. 实现 Callable 接口

与 Runnable 相比，Callable 可以有返回值，返回值通过 FutureTask 进行封装。

      
public class MyCallable implements Callable<Integer> {
    public Integer call() {
        return 123;
    }
}  
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    MyCallable mc = new MyCallable();
    FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(mc);
    Thread thread = new Thread(ft);
    thread.start();
    System.out.println(ft.get());
}

实现接口 VS 继承 Thread

实现接口会更好一些，因为： Java 不支持多重继承，因此继承了 Thread 类就无法继承其它类，但是可以实现多个接口；类可能只要求可执行就行，继承整个 Thread 类开销过大。

Thread 类中的start() 和 run() 方法有什么区别？

start()方法被用来启动新创建的线程，而且start()内部 调用了run()方法，这和直接调用run()方法的效果不一样。当你调用run()方法的时候，只会是在原来的线程中调用，没有新的线程启 动，start()方法才会启动新线程。

Java中Runnable和Callable有什么不同？

Runnable和Callable都代表那些要在不同的线程中执行的任务。Runnable从JDK1.0开始就有了，Callable是在 JDK1.5增加的。它们的主要区别是Callable的 call() 方法可以返回值和抛出异常，而Runnable的run()方法没有这些功能。Callable可以返回装载有计算结果的Future对象。

Thread类中的yield方法有什么作用？

Yield方法可以暂停当前正在执行的线程对象，让其它有相同优先级的线程执行。它是一个静态方法而且只保证当前线程放弃CPU占用而不能保证使其它线程一定能占用CPU，执行yield()的线程有可能在进入到暂停状态后马上又被执行。

线程安全

线程安全定义

• 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。

• 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。

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:也就是解决重复数据与不存在数据问题，Java中提供了同步机制(synchronized)来解决。

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。有三种方式完成同步操作：

• 同步代码块
• 同步方法
• 锁机制

1. 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。

  
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.
  • 锁对象 可以是任意类型。
  • 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)。

       
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‐‐);  
		}
}

2. 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。

    
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)。

3. 同步类

    
public void func() {
    synchronized (SynchronizedExample.class) {
        // ...
    }
}   

作用于整个类，也就是说两个线程调用同一个类的不同对象上的这种同步语句，也会进行同步。

4. 锁机制

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。

   
public class LockExample {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    public void func() {
        lock.lock();
        try {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        } finally {
            lock.unlock(); // 确保释放锁，从而避免发生死锁。
        }
    }
}

比较

1. 锁的实现: synchronized 是 JVM 实现的，而 ReentrantLock 是 JDK 实现的。

2. 性能: 新版本 Java 对 synchronized 进行了很多优化，例如自旋锁等，synchronized 与 ReentrantLock 大致相同。

3. 等待可中断: 当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情。ReentrantLock 可中断，而 synchronized 不行。

4. 公平锁: 公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁。
   synchronized 中的锁是非公平的，ReentrantLock 默认情况下也是非公平的，但是也可以是公平的。

5. 锁绑定多个条件: 一个 ReentrantLock 可以同时绑定多个 Condition 对象。

使用选择

除非需要使用 ReentrantLock 的高级功能，否则优先使用 synchronized。这是因为 1) synchronized 是 JVM 实现的一种锁机制，JVM 原生地支持它，而 ReentrantLock 不是所有的 JDK 版本都支持。并且2) 使用 synchronized 不用担心没有释放锁而导致死锁问题，因为 JVM 会确保锁的释放。

线程间的协作

当多个线程可以一起工作去解决某个问题时，如果某些部分必须在其它部分之前完成，那么就需要对线程进行协调。

1. join()

在线程中调用另一个线程的 join() 方法，会将当前线程挂起，而不是忙等待，直到目标线程结束。

对于以下代码，虽然 b 线程先启动，但是因为在 b 线程中调用了 a 线程的 join() 方法，b 线程会等待 a 线程结束才继续执行，因此最后能够保证 a 线程的输出先于 b 线程的输出。

   
public class JoinExample {
    private class A extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("A");
        }
    }
    private class B extends Thread {
        private A a;
        B(A a) {
            this.a = a;
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                a.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("B");
        }
    }
    public void test() {
        A a = new A();
        B b = new B(a);
        b.start();
        a.start();
    }
}   

     
public static void main(String[] args) {
    JoinExample example = new JoinExample();
    example.test();
}

     
A
B  

2. wait() notify() notifyAll()

调用 wait() 使得线程等待某个条件满足，线程在等待时会被挂起，当其他线程的运行使得这个条件满足时，其它线程会调用 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程。

它们都属于 Object 的一部分，而不属于 Thread。

只能用在同步方法或者同步控制块中使用，否则会在运行时抛出 IllegalMonitorStateException。

使用 wait() 挂起期间，线程会释放锁。这是因为，如果没有释放锁，那么其它线程就无法进入对象的同步方法或者同步控制块中，那么就无法执行 notify() 或者 notifyAll() 来唤醒挂起的线程，造成死锁。

1) wait() 和 sleep() 的区别

• wait() 是 Object 的方法，而 sleep() 是 Thread 的静态方法；
• wait() 会释放锁，sleep() 不会;
• wait()方法用于线程间通信，如果等待条件为真且其它线程被唤醒时它会释放锁，而 sleep()方法仅仅释放CPU资源或者让当前线程停止执行一段时间，但不会释放锁.

2) 为什么wait, notify 和 notifyAll这些方法不在thread类里面？

这是个设计相关的问题，它考察的是面试者对现有系统和一些普遍存在但看起来不合理的事物的看法。回答这些问题的时候，你要说明为什么把这些方法放在 Object类里是有意义的，还有不把它放在Thread类里的原因。一个很明显的原因是JAVA提供的锁是对象级的而不是线程级的，每个对象都有锁，通 过线程获得。如果线程需要等待某些锁那么调用对象中的wait()方法就有意义了。如果wait()方法定义在Thread类中，线程正在等待的是哪个锁 就不明显了。简单的说，由于wait，notify和notifyAll都是锁级别的操作，所以把他们定义在Object类中因为锁属于对象。

3. await() signal() signalAll()

java.util.concurrent 类库中提供了 Condition 类来实现线程之间的协调，可以在 Condition 上调用 await() 方法使线程等待，其它线程调用 signal() 或 signalAll() 方法唤醒等待的线程。

相比于 wait() 这种等待方式，await() 可以指定等待的条件，因此更加灵活。

使用 Lock 来获取一个 Condition 对象。

         
public class AwaitSignalExample {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();
    public void before() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("before");
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void after() {
        lock.lock();
        try {
            condition.await();
            System.out.println("after");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}   

     
public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    AwaitSignalExample example = new AwaitSignalExample();
    executorService.execute(() -> example.after());
    executorService.execute(() -> example.before());
}   

    
before
after   

线程状态

一个线程只能处于一种状态，并且这里的线程状态特指 Java 虚拟机的线程状态，不能反映线程在特定操作系统下的状态。

1. 新建（NEW）

创建后尚未启动。

2. 可运行（RUNABLE）

正在 Java 虚拟机中运行。但是在操作系统层面，它可能处于运行状态，也可能等待资源调度（例如处理器资源），资源调度完成就进入运行状态。所以该状态的可运行是指可以被运行，具体有没有运行要看底层操作系统的资源调度。

3. 阻塞（BLOCKED）

请求获取 monitor lock 从而进入 synchronized 函数或者代码块，但是其它线程已经占用了该 monitor lock，所以出于阻塞状态。要结束该状态进入从而 RUNABLE 需要其他线程释放 monitor lock。

4. 无限期等待（WAITING）

等待其它线程显式地唤醒。

阻塞和等待的区别在于，阻塞是被动的，它是在等待获取 monitor lock。而等待是主动的，通过调用 Object.wait() 等方法进入。

5. 限期等待（TIMED_WAITING）

无需等待其它线程显式地唤醒，在一定时间之后会被系统自动唤醒。

调用 Thread.sleep() 方法使线程进入限期等待状态时，常常用“使一个线程睡眠”进行描述。调用 Object.wait() 方法使线程进入限期等待或者无限期等待时，常常用“挂起一个线程”进行描述。睡眠和挂起是用来描述行为，而阻塞和等待用来描述状态。

6. 死亡（TERMINATED）

可以是线程结束任务之后自己结束，或者产生了异常而结束。

等待唤醒机制

多个线程在处理同一个资源，并且任务不同时，需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作。 就是多个线程在操作同一份数据时， 避免对同一共享变量的争夺。也就是我们需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。

这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争（race），比如去争夺锁，但这并不是故事的全部，线程间也会有协作机制。就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在在晋升时的竞争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。就是在一个线程进行了规定操作后，就进入等待状态（wait()）， 等待其他线程执行完他们的指定代码过后 再将其唤醒（notify()）;在有多个线程进行等待时， 如果需要，可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。

wait/notify 就是线程间的一种协作机制。

线程池

• 什么是线程池？ 为什么要使用它？
  创建线程要花费昂贵的资源和时间，如果任务来了才创建线程那么响应时间会变长，而且一个进程能创建的线程数有限。为了避免这些问题，在程序启动的时候就创建若干线程来响应处理，它们被称为线程池，里面的线程叫工作线程。从JDK1.5开始，Java API提供了Executor框架让你可以创建不同的线程池。比如单线程池，每次处理一个任务；数目固定的线程池或者是缓存线程池（一个适合很多生存期短 的任务的程序的可扩展线程池）。

• 线程池的概念： 其实就是一个容纳多个线程的容器，其中的线程可以反复使用，省去了频繁创建线程对象的操作，无需反复创建线程而消耗过多资源。

• 合理利用线程池能够带来三个好处：

  • 降低资源消耗。减少了创建和销毁线程的次数，每个工作线程都可以被重复利用，可执行多个任务。
  • 提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
  • 提高线程的可管理性。可以根据系统的承受能力，调整线程池中工作线线程的数目，防止因为消耗过多的内存，而把服务器累趴下。