Java多线程、同步

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Java多线程、同步

知识点

  • 能够描述Java中多线程运行原理
  • 能够使用继承类的方式创建多线程
  • 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 线程

1.1 多线程原理

先画个多线程执行时序图来体现一下多线程程序的执行流程。
代码如下：
自定义线程类：

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public class MyThread extends Thread{
/*
* 利用继承中的特点
* 将线程名称传递 进行设置
*/
public MyThread(String name){
	super(name);
}
/*
* 重写run方法
* 定义线程要执行的代码
*/
public void run(){
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        //getName()方法 来自父亲
        System.out.println(getName()+i);
            }
        }
}

测试类：

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public class Demo {
	public static void main(String[] args) {
    System.out.println("这里是main线程");
    MyThread mt = new MyThread("小强");
    mt.start();//开启了一个新的线程
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
    	System.out.println("旺财:"+i);
    	}
	}
}

流程图：

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。

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。

1.2 Thread类

我们已经可以完成最基本的线程开启，那么在我们完成操作过程中用到了java.lang.Thread 类，
API中该类中定义了有关线程的一些方法，具体如下：
构造方法：

  • public Thread() :分配一个新的线程对象。

  • public Thread(String name) :分配一个指定名字的新的线程对象。

  • public Thread(Runnable target) :分配一个带有指定目标新的线程对象。

  • public Thread(Runnable target,String name) :分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。

常用方法：

  • public String getName() :获取当前线程名称。

  • public void start() :导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法。

  • public void run() :此线程要执行的任务在此处定义代码。

  • public static void sleep(long millis) :使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停（暂时停止执行）。

  • public static Thread currentThread() :返回对当前正在执行的线程对象的引用。

翻阅API后得知创建线程的方式总共有两种，一种是继承Thread类方式，一种是实现Runnable接口方式。

1.3 创建线程方式二

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。
    代码如下：
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public class MyRunnable implements Runnable{
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 20; i++) {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);
		}
	}
}
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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, "小强");
		t.start();
		for (int i = 0; i < 20; i++) {
			System.out.println("旺财 " + 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。
tips:Runnable对象仅仅作为Thread对象的target，Runnable实现类里包含的run()方法仅作为线程执行体。
而实际的线程对象依然是Thread实例，只是该Thread线程负责执行其target的run()方法。

1.4 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. 线程池只能放入实现Runable或Callable类线程，不能直接放入继承Thread的类。

扩充：在java中，每次程序运行至少启动2个线程。一个是main线程，一个是垃圾收集线程。因为每当使用java命令执行一个类的时候，实际上都会启动一个JVM，每一个JVM其实在就是在操作系统中启动了一个进程。

1.5 匿名内部类方式实现线程的创建

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：

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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);
				}
			}
	}

第二章 线程安全

2.1 线程安全

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：

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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：

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public class Demo {
    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：

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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。

2.2 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。

2.3 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。
格式:

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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.

  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：
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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‐‐);
                }
            }
        }
    }
}

当使用了同步代码块后，上述的线程的安全问题，解决了

2.4 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。
格式：

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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)。
使用同步方法代码如下：

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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) {
            // 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‐‐);
        }
    }
}

2.5 Lock锁

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。
使用如下：

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public class Ticket implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    /*
    * 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){
            lock.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‐‐);
        }
        lock.unlock();
        }
    }
}

第三章 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。
TimedWaiting(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。

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。

3.2 Timed Waiting（计时等待）

Timed Waiting在API中的描述为：一个正在限时等待另一个线程执行一个（唤醒）动作的线程处于这一状态。单独的去理解这句话，真是玄之又玄，其实我们在之前的操作中已经接触过这个状态了，在哪里呢？
在我们写卖票的案例中，为了减少线程执行太快，现象不明显等问题，我们在run方法中添加了sleep语句，这样就强制当前正在执行的线程休眠（暂停执行），以“减慢线程”。
其实当我们调用了sleep方法之后，当前执行的线程就进入到“休眠状态”，其实就是所谓的Timed Waiting(计时等
待)，那么我们通过一个案例加深对该状态的一个理解。
实现一个计数器，计数到100，在每个数字之间暂停1秒，每隔10个数字输出一个字符串
代码：

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public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if ((i) % 10 == 0) {
            	System.out.println("‐‐‐‐‐‐‐" + i);
            }
            System.out.print(i);
            try {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.print(" 线程睡眠1秒！\n");
            } catch (InterruptedException e) {
            	e.printStackTrace();
            }
            }
        }
	public static void main(String[] args) {
	new MyThread().start();
    }
}

通过案例可以发现，sleep方法的使用还是很简单的。我们需要记住下面几点：

  1. 进入 TIMED_WAITING 状态的一种常见情形是调用的 sleep 方法，单独的线程也可以调用，不一定非要有协
    作关系。
  2. 为了让其他线程有机会执行，可以将Thread.sleep()的调用放线程run()之内。这样才能保证该线程执行过程
    中会睡眠
  3. sleep与锁无关，线程睡眠到期自动苏醒，并返回到Runnable（可运行）状态。
    小提示：sleep()中指定的时间是线程不会运行的最短时间。因此，sleep()方法不能保证该线程睡眠到期后就
    开始立刻执行。
    Timed Waiting 线程状态图：

image-20200121170950015

3.3 BLOCKED（锁阻塞）

Blocked状态在API中的介绍为：一个正在阻塞等待一个监视器锁（锁对象）的线程处于这一状态。
我们已经学完同步机制，那么这个状态是非常好理解的了。比如，线程A与线程B代码中使用同一锁，如果线程A获取到锁，线程A进入到Runnable状态，那么线程B就进入到Blocked锁阻塞状态。
这是由Runnable状态进入Blocked状态。除此Waiting以及Time Waiting状态也会在某种情况下进入阻塞状态，而这部分内容作为扩充知识点带领大家了解一下。
Blocked 线程状态图

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3.4 Waiting（无限等待）

Wating状态在API中介绍为：一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的（唤醒）动作的线程处于这一状态。那么我们之前遇到过这种状态吗？答案是并没有，但并不妨碍我们进行一个简单深入的了解。我们通过一段代码来学习一下：

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public class WaitingTest {
    public static Object obj = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        // 演示waiting
        new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            while (true){
            synchronized (obj){
                try {
                    System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"=== 获取到锁对象，调用wait方法，进入waiting状态，释放锁对象");
                    obj.wait(); //无限等待
                    //obj.wait(5000); //计时等待, 5秒 时间到，自动醒来
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println( Thread.currentThread().getName() + "=== 从waiting状
                态醒来，获取到锁对象，继续执行了");
                }
                }
            }
        },"等待线程").start();
        new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            // while (true){ //每隔3秒 唤醒一次
                try {
                    System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"‐‐‐‐‐ 等待3秒钟");
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                	e.printStackTrace();
                }
                synchronized (obj){
                    System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"‐‐‐‐‐ 获取到锁对
                    象,调用notify方法，释放锁对象");
                    obj.notify();
                }
            }
            // }
        },"唤醒线程").start();
    }
}

通过上述案例我们会发现，一个调用了某个对象的 Object.wait 方法的线程会等待另一个线程调用此对象的
Object.notify()方法 或 Object.notifyAll()方法。
其实waiting状态并不是一个线程的操作，它体现的是多个线程间的通信，可以理解为多个线程之间的协作关系，
多个线程会争取锁，同时相互之间又存在协作关系。就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在晋升时的竞
争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。
当多个线程协作时，比如A，B线程，如果A线程在Runnable（可运行）状态中调用了wait()方法那么A线程就进入了Waiting（无限等待）状态，同时失去了同步锁。假如这个时候B线程获取到了同步锁，在运行状态中调用了
notify()方法，那么就会将无限等待的A线程唤醒。注意是唤醒，如果获取到锁对象，那么A线程唤醒后就进入
Runnable（可运行）状态；如果没有获取锁对象，那么就进入到Blocked（锁阻塞状态）。
Waiting 线程状态图

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3.5 线程状态切换

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