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深入理解java之多线程(一）

article 2024/9/24 21:18:08

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前言：

本章节我们将开始学习多线程，多线程是一个很重要的知识点，他在我们实际开发中应用广泛并且基础，可以说掌握多线程编写程序是每一个程序员都应当必备的技能，很多小伙伴也会吐槽多线程比较难，但因为其实用性和广泛性，我们一定要学好多线程。

引入：

在现代社会，计算机已经渗透到了我们生活的方方面面。我们使用计算机来处理各种任务，从简单的文档编辑到复杂的数据分析和图像处理。然而，你是否曾想过，当我们的计算机只能运行单个任务时，我们是否能够充分发挥其潜力，实现更高效的处理能力呢？

想象一下，你正在处理一个巨大的数据集，并且需要对其中的每个元素进行计算。在单线程的情况下，你会发现程序需要花费很长的时间来完成这些计算，同时你的计算机的其他资源却处于闲置状态。这是不是让你感到有些无奈？

正是在这样的背景下，多线程技术应运而生。多线程允许我们同时执行多个任务，并将计算机的资源充分利用起来。通过将任务分解为多个线程，并让它们并行执行，我们可以极大地提高程序的执行效率，缩短处理时间，甚至解决一些繁重任务下难以应付的问题。

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一.程序？进程？线程

1.什么是程序？

程序（Program）是一个静态的概念，一般对应于操作系统中的一个可执行文件。

2.什么是进程？

执行中的程序叫做进程(Process)，是一个动态的概念。其实进程就是一个在内存中独立运行的程序空间 。

现代操作系统比如Mac OS X，Linux，Windows等，都是支持“多任务”的操作系统，叫“多任务”呢？简单地说，就是操作系统可以同时运行多个任务。打个比方，你一边在用逛淘宝，一边在听音乐，一边在用微信聊天，这就是多任务，至少同时有3个任务正在运行。还有很多任务悄悄地在后台同时运行着，只是桌面上没有显示而已。

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3.什么是线程？

线程（Thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。

有些进程还不止同时干一件事，比如微信，它可以同时进行打字聊天，视频聊天，朋友圈等事情。在一个进程内部，要同时干多件事，就需要同时运行多个“子任务”，我们把进程内的这些“子任务”称为线程（Thread）。

4.进程、线程的区别

一个故事说明进程、线程的关系

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乔布斯想开工厂生产手机，费劲力气，制作一条生产线，这个生产线上有很多的器件以及材料。一条生产线就是一个进程。
只有生产线是不够的，所以找五个工人来进行生产，这个工人能够利用这些材料最终一步步的将手机做出来，这五个工人就是五个线程。
为了提高生产率，有两种办法：
1.一条生产线上多招些工人，一起来做手机，这样效率是成倍増长，即单进程多线程方式
2.多条生产线，每个生产线上多个工人，即多进程多线程
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  • 线程是程序执行的最小单位，而进程是操作系统分配资源的最小单位；
  • 一个进程由一个或多个线程组成，线程是一个进程中代码的不同执行路线；
  • 进程之间相互独立，但同一进程下的各个线程之间共享程序的内存空间(包括代码段、数据集、堆等)及一些进程级的资源(如打开文件和信号)，某进程内的线程在其它进程不可见；
  • 调度和切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。

5.线程的执行特点

方法的执行特点

void f(){
 
 g();
 
}

当f方法调用g方法时 f会暂停运行，直到g方法调用完，才会继续运行
（也就是f会等g方法运行完后运行）
线程的执行特点
f和g会同时并列运行，谁也不会等谁

二 .并发

1.什么是并发

并发是指在一段时间内同时做多个事情。当有多个线程在运行时,如果只有一个CPU,这种情况下计算机操作系统会采用并发技术实现并发运行，具体做法是采用“ 时间片轮询算法”，在一个时间段的线程代码运行时，其它线程处于就绪状。这种方式我们称之为并发。(Concurrent)。
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  • 串行(serial)：一个CPU上，按顺序完成多个任务
  • 并行(parallelism)：指的是任务数小于等于cpu核数，即任务真的是一起执行的
  • 并发(concurrency)：一个CPU采用时间片管理方式，交替的处理多个任务。一般是是任务数多余cpu核数，通过操作系统的各种任务调度算法，实现用多个任务“一起”执行（实际上总有一些任务不在执行，因为切换任务的速度相当快，看上去一起执行而已）

三. 线程

1.主线程及子线程

主线程
当Java程序启动时，一个线程会立刻运行，该线程通常叫做程序的主线程（main thread），即main方法对应的线程，它是程序开始时就执行的。
java应用程序会有一个main方法，是作为某个类的方法出现的。当程序启动时，该方法就会第一个自动的得到执行，并成为程序的主线程。也就是说，main方法是一个应用的入口，也代表了这个应用的主线程。JVM在执行main方法时,main方法会进入到栈内存,JVM会通过操作系统开辟一条main方法通向cpu的执行路径,cpu就可以通过这个路径来执行main方法,而这个路径有一个名字,叫main(主)线程

主线程的特点
它是产生其他子线程的线程。
它不一定是最后完成执行的线程，子线程可能在它结束之后还在运行。

子线程
在主线程中创建并启动的线程，一般称之为子线程。

2.线程的创建

通过继承Thread类实现多线程

继承Thread类实现多线程的步骤：

  • 在Java中负责实现线程功能的类是java.lang.Thread 类。
    此种方式的缺点：如果我们的类已经继承了一个类（如小程序必须继承自 Applet 类），则无法再继承 Thread 类。

  • 可以通过创建 Thread的实例来创建新的线程。

  • 每个线程都是通过某个特定的Thread对象所对应的方法run( )来完成其操作的，方法run( )称为线程体。

  • 通过调用Thread类的start()方法来启动一个线程。

  • 线程启动后会默认调用run()方法


public class ThreadTest extends Thread{

    //run()方法里是线程体 线程方法 该方法不能直接调用 而是通过Thread类中的start方法来启动
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(this.getName() + ":" + i);//getName()方法是返回线程名称
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        //创建线程1对象
        ThreadTest thread1=new ThreadTest();
        //启动线程
        thread1.start();
        //创建线程2对象
        ThreadTest thread2 = new ThreadTest();
        //启动线程
        thread2.start();
    }
}
运行结果（运行结果不唯一）：
Thread-0:0
Thread-0:1
Thread-0:2
Thread-0:3
Thread-0:4
Thread-1:0
Thread-0:5
Thread-0:6
Thread-0:7
Thread-1:1
Thread-0:8
Thread-0:9
Thread-1:2
Thread-1:3
Thread-1:4
Thread-1:5
Thread-1:6
Thread-1:7
Thread-1:8
Thread-1:9

通过Runnable接口实现多线程

在开发中，我们应用更多的是通过Runnable接口实现多线程。这种方式克服了继承Thread类的缺点，即在实现Runnable接口的同时还可以继承某个类。

从源码角度看，Thread类也是实现了Runnable接口。Runnable接口的源码如下：

public interface Runnable {
   void run();
}

两种方式比较看，实现Runnable接口的方式要通用一些。

通过Runnable接口实现多线程

package com.jjy;

public class ThreadTest implements Runnable {

    //自定义类实现Runnable接口；
    //run()方法里是线程体；
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程对象，把实现了Runnable接口的对象作为参数传入；
        Thread thread1 = new Thread(new ThreadTest());
        thread1.start();//启动线程；
        Thread thread2 = new Thread(new ThreadTest());
        thread2.start();
    }
}

3.线程的执行流程

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，它要经过 新建（New）、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞（Blocked）和死亡（Dead） 5种状态。尤其是当线程启动以后，它不可能一直"霸占"着CPU独自运行，所以CPU需要在多条线程之间切换，于是 线程状态也会多次在运行、阻塞之间切换。

  1. 新建（New）状态
    当程序使用new关键字创建了一个线程之后，该线程就处于 新建状态，此时的线程情况如下：

    • 此时JVM为其分配内存，并初始化其成员变量的值；
    • 此时线程对象没有表现出任何线程的动态特征，程序也不会执行线程的线程执行体；

  2. 就绪（Runnable）状态
    当线程对象调用了start()方法之后，该线程处于 就绪状态 。此时的线程情况如下：

    • 此时JVM会为其 创建方法调用栈和程序计数器；

    • 该状态的线程一直处于 线程就绪队列（尽管是采用队列形式，事实上，把它称为可运行池而不是可运行队列。因为CPU的调度不一定是按照先进先出的顺序来调度的），线程并没有开始运行；

    • 此时线程 等待系统为其分配CPU时间片，并不是说执行了start()方法就立即执行；
      调用start()方法与run()方法，对比如下：

      1. 调用start()方法来启动线程，系统会把该run()方法当成线程执行体来处理。但如果直接调用线程对象的run()方法，则run()方法立即就会被执行，而且在run()方法返回之前其他线程无法并发执行。也就是说，系统把线程对象当成一个普通对象，而run()方法也是一个普通方法，而不是线程执行体；
      2. 需要指出的是，调用了线程的run()方法之后，该线程已经不再处于新建状态，不要再次调用线程对象的start()方法。只能对处于新建状态的线程调用start()方法，否则将引发IllegaIThreadStateExccption异常；

      如何让子线程调用start()方法之后立即执行而非"等待执行"：
      程序可以使用Thread.sleep(1) 来让当前运行的线程（主线程）睡眠1毫秒，1毫秒就够了，因为在这1毫秒内CPU不会空闲，它会去执行另一个处于就绪状态的线程，这样就可以让子线程立即开始执行；

  3. 运行（Running）状态
    当CPU开始调度处于 就绪状态 的线程时，此时线程获得了CPU时间片才得以真正开始执行run()方法的线程执行体，则该线程处于 运行状态。

    • 如果计算机只有一个CPU，那么在任何时刻只有一个线程处于运行状态；
    • 如果在一个多处理器的机器上，将会有多个线程并行执行，处于运行状态；
    • 当线程数大于处理器数时，依然会存在多个线程在同一个CPU上轮换的现象；

    处于运行状态的线程最为复杂，它 不可能一直处于运行状态（除非它的线程执行体足够短，瞬间就执行结束了），线程在运行过程中需要被中断，目的是使其他线程获得执行的机会，线程调度的细节取决于底层平台所采用的策略。线程状态可能会变为 阻塞状态、就绪状态和死亡状态。比如：

    • 对于采用 抢占式策略 的系统而言，系统会给每个可执行的线程分配一个时间片来处理任务；当该时间片用完后，系统就会剥夺该线程所占用的资源，让其他线程获得执行的机会。线程就会又 从运行状态变为就绪状态，重新等待系统分配资源；
    • 对于采用 协作式策略的系统而言，只有当一个线程调用了它的yield()方法后才会放弃所占用的资源—也就是必须由该线程主动放弃所占用的资源，线程就会又 从运行状态变为就绪状态。

  4. 阻塞（Blocked）状态
    处于运行状态的线程在某些情况下，让出CPU并暂时停止自己的运行，进入 阻塞状态。
    当发生如下情况时，线程将会进入阻塞状态：

    • 线程调用sleep()方法，主动放弃所占用的处理器资源，暂时进入中断状态（不会释放持有的对象锁），时间到后等待系统分配CPU继续执行；
    • 线程调用一个阻塞式IO方法，在该方法返回之前，该线程被阻塞；
    • 线程试图获得一个同步监视器，但该同步监视器正被其他线程所持有;
    • 程序调用了线程的suspend方法将线程挂起；
    • 线程调用wait，等待notify/notifyAll唤醒时(会释放持有的对象锁)；

    阻塞状态分类：

    • 等待阻塞：运行状态中的 线程执行wait() 方法，使本线程进入到等待阻塞状态；
    • 同步阻塞：线程在 获取synchronized同步锁失败（因为锁被其它线程占用），它会进入到同步阻塞状态；
    • 其他阻塞：通过调用线程的 **sleep()或join()**或发出I/O请求 时，线程会进入到阻塞状态。当 sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕 时，线程重新转入就绪状态；

    但有一个方法例外，调用yield()方法可以让运行状态的线程转入就绪状态。

    等待（WAITING）状态

    线程处于 无限制等待状态，等待一个特殊的事件来重新唤醒，如：

    • 通过wait()方法进行等待的线程等待一个notify()或者notifyAll()方法；
    • 通过join()方法进行等待的线程等待目标线程运行结束而唤醒；
      以上两种一旦通过相关事件唤醒线程，线程就进入了 就绪（RUNNABLE）状态 继续运行。

    时限等待（TIMED_WAITING）状态

    线程进入了一个 时限等待状态，如：
    sleep(3000)，等待3秒后线程重新进行 就绪（RUNNABLE）状态 继续运行。

  5. 死亡（Dead）状态
    线程会以如下3种方式结束，结束后就处于 死亡状态：

    • run()或call()方法执行完成，线程正常结束；
    • 线程抛出一个未捕获的Exception或Error；
    • 直接调用该线程stop()方法来结束该线程—该方法容易导致死锁，通常不推荐使用；

    处于死亡状态的线程对象也许是活的，但是，它已经不是一个单独执行的线程。线程一旦死亡，就不能复生。 如果在一个死去的线程上调用start()方法，会抛出java.lang.IllegalThreadStateException异常。

    所以，需要注意的是：
    一旦线程通过start()方法启动后就再也不能回到新建（NEW）状态，线程终止后也不能再回到就绪（RUNNABLE）状态。

    终止（TERMINATED）状态
    线程执行完毕后，进入终止（TERMINATED）状态。

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