[Java]线程详解

Java线程

一、线程介绍

程序

是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合（简单来说就是写的代码）。

进程

  • 进程是指运行中的程序，比如我们使用的QQ，就启动了一个进程，操作系统会对该进程分配内存空间。当我们使用迅雷，又启动了一个进程，操作系统将会为迅雷分配内存空间。
  • 进程是程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。是动态过程：有它自身的产生、存在和消亡的过程。

什么是线程

  • 线程是由进程创建的，是进程的一个实体。
  • 一个进程可以拥有多个线程，就比如迅雷可以同时下载多个文件。

其他相关概念

  • 单线程：同一时刻，只允许执行一个线程。
  • 多线程：同一时刻，可以执行多个线程，比如：一个QQ进程，可以同时打开多个聊天窗口，一个迅雷进程，可以同时下载多个文件。
  • 并发：同一个时刻，多个任务交通执行，造成一种“貌似同时”的感觉，简单的说，单核CPU实现的多任务就是并发。

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  • 并行：同一个时刻，多个任务同时执行。多核CPU可以实现并行。并行和并发可能同时存在。

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二、线程的使用

2.1 线程的创建

在Java线程创建有两种方式：

  • 继承Thread类，重写run方法
  • 实现Runnable接口，重写run方法

在这里插入图片描述

2.1.1继承Thread类，重写run方法

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public class Thread01 {public static void main(String[] args) {Cat cat = new Cat();//启动线程，最终会执行cat的run方法cat.start();}static class Cat extends Thread {int time = 0;@Overridepublic void run() {while (true) {System.out.println("喵喵，我是小猫咪" + (++time));try {//线程休眠1秒Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}if (time == 8) {break;}}}}
}

在main里面建立一个循环，此时main线程和main建立的Thread0线程交替执行（并发），主线程不会阻塞。进程可以创建线程，线程也可以创建线程。只有所有线程执行结束，进程才会挂掉。

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public class Thread01 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//创建Cat对象，可以当做线程使用Cat cat = new Cat();cat.start();//启动线程-> 最终会执行cat的run方法System.out.println("主线程继续执行" + Thread.currentThread().getName());//名字mainfor(int i = 0; i < 60; i++) {System.out.println("主线程 i=" + i);//让主线程休眠Thread.sleep(1000);}}
}class Cat extends Thread {int times = 0;@Overridepublic void run() {//重写run方法，写上自己的业务逻辑while (true) {//该线程每隔1秒。在控制台输出 “喵喵, 我是小猫咪”System.out.println("喵喵, 我是小猫咪" + (++times) + " 线程名=" + Thread.currentThread().getName());//让该线程休眠1秒 ctrl+alt+ttry {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}if(times == 80) {break;//当times 到80, 退出while, 这时线程也就退出..}}}
}

问题：启动线程为什么调用start方法，而不是run方法？

run方法只是一个普通的方法，没有真正的启动一个线程，如果调用cat.run()，就会把run方法执行完毕后，才向下执行（串行）。

而调用cat.start()，会启动线程，最终在线程内执行cat的run方法。

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2.1.2 实现Runnable接口，重写run方法

Java是单继承的，在某些情况下，一个类可能已经继承了某一个父类，这时候如果想要创建线程只能通过实现接口来创建。

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因为Runable接口当中只有run()方法，因此不能直接调用start()方法，所以需要一个代理完成该方法的调用。

public class Thread02 {public static void main(String[] args) {Dog dog = new Dog();//dog.start(); 这里不能调用start//创建了Thread对象，把 dog对象(实现Runnable),放入ThreadThread thread = new Thread(dog);thread.start();}
}class Dog implements Runnable { //通过实现Runnable接口，开发线程int count = 0;@Overridepublic void run() { //普通方法while (true) {System.out.println("小狗汪汪叫..hi" + (++count) + Thread.currentThread().getName());//休眠1秒try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}if (count == 10) {break;}}}
}

模拟代理

//线程代理类 , 模拟了一个极简的Thread类
class ThreadProxy implements Runnable {//你可以把Proxy类当做 ThreadProxyprivate Runnable target = null;//属性，类型是 Runnable@Overridepublic void run() {if (target != null) {target.run();//动态绑定（运行类型Tiger）}}public ThreadProxy(Runnable target) {this.target = target;}public void start() {start0();//这个方法时真正实现多线程方法}public void start0() {run();}
}

class Animal {
}class Tiger extends Animal implements Runnable {@Overridepublic void run() {System.out.println("老虎嗷嗷叫....");}
}

public class Thread02 {public static void main(String[] args) {Tiger tiger = new Tiger();//实现了 RunnableThreadProxy threadProxy = new ThreadProxy(tiger);threadProxy.start();}
}

2.2 多线程执行

public class Thread03 {public static void main(String[] args) {T1 t1 = new T1();T2 t2 = new T2();Thread thread1 = new Thread(t1);Thread thread2 = new Thread(t2);thread1.start();thread2.start();}
}
class T1 implements Runnable{int count=0;@Overridepublic void run() {while (true){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":hello"+(++count));try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}if (count==5){break;}}}
}class T2  implements Runnable{int count=0;@Overridepublic void run() {while (true){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":hi"+(++count));try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}if (count==10){break;}}}
}

注意：线程全部结束，该进程才会结束。

2.3 继承Thread与实现Runnable的区别

  • 从Java的设计来看，通过继承Thread或者实现Runnable接口来创建线程本质上没有区别，因为Thread类本身就实现了Runnable接口。
  • 实现Runnable接口方式更适合多个线程共享一个资源的情况，并且避免了单继承限制。

下图程序当中，线程thread01和thread02就共享了t3。

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2.4 多线程售票问题

public class SellTicket {public static void main(String[] args) {SellTicketByRunnable sellTicketByRunnable = new SellTicketByRunnable();new Thread(sellTicketByRunnable).start();//第1个线程-窗口new Thread(sellTicketByRunnable).start();//第2个线程-窗口new Thread(sellTicketByRunnable).start();//第3个线程-窗口}
}class SellTicketByRunnable implements Runnable {//让多个线程共享TICKET_NUMBERprivate static int TICKET_NUMBER = 100;@Overridepublic void run() {while (true) {if (TICKET_NUMBER <= 0) {System.out.println("售票结束");break;}try {Thread.sleep(50);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}System.out.println("窗口：" + Thread.currentThread().getName() + "售出一张票，剩余票数=" + (--TICKET_NUMBER));}}
}

可能会出现多售票的情况，因为线程不是同步的。

假设剩余一张票，三个线程可能同时进去，这样会出现多卖问题。

2.5 线程终止

基本说明

  • 当线程完成任务后，会自动退出。
  • 还可以通过使用变量来控制run方法退出的方式停止线程，即通知方式。

应用实例

/*** 线程终止*/
public class ThreadExit {public static void main(String[] args) throws Exception {T t = new T();t.start();//让主线程休眠10sThread.sleep(10 * 1000);t.setLoop(false);}
}class T extends Thread {int count = 0;//设置一个控制变量Boolean loop = true;public void setLoop(Boolean loop) {this.loop = loop;}@Overridepublic void run() {while (loop) {System.out.println("T正在运行中   " + (++count));try {Thread.sleep(50);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}
}

三、线程方法

3.1 常用方法第一组

  • setName()：设置线程名称
  • getName()：返回该线程的名称
  • start()：使该线程开始执行，Java虚拟机底层调用该线程的start0()方法
  • run()：调用线程对象run方法
  • setPriority()：设置线程的优先级
  • getPriority()：获取线程的优先级
  • sleep()：在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠
  • interrupt()：中断线程，注意不是终止，如果线程正在休眠，则停止休眠，继续执行
public class ThreadMethod01 {public static void main(String[] args) throws Exception {T t = new T();t.setName("汤姆");t.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);t.start();//主线程打印5个hi ,然后就中断子线程的休眠for (int i = 0; i < 5; i++) {Thread.sleep(1000);System.out.println("hi " + i);}System.out.println(t.getName() + "线程的优先级= " + t.getPriority());t.interrupt();}
}class T extends Thread {@Overridepublic void run() {while (true) {for (int i = 0; i < 10; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  在学线程.." + i);}try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  在休眠中..");Thread.sleep(10000);} catch (InterruptedException e) {//当该线程执行到一个interrupt 方法时，就会catch 一个 异常, 可以加入自己的业务代码//InterruptedException 是捕获到一个中断异常System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "被interrupt了");}}}
}

3.2 注意事项和细节

  • start底层会创建新的线程，调用run，run就是一个简单的方法调用，不会启动新线程。

  • 线程优先级的范围

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  • interrupt是中断线程，但没有真正的结束线程，所以一般用于中断正在休眠的线程。

  • sleep是线程的静态方法，使当前线程休眠。

3.3 常用方法第二组

yield：线程礼让

让出CPU，让其他线程执行，但是礼让的时间不确定，所以礼让不一定成功。

join：线程插队

插队的线程一旦成功，则肯定先执行完插入的线程所有的任务后，再去执行自己的任务。

案例

主线程和子线程同时吃10个苹果，当他们俩都吃到第五个的时候，主线程让子线程先吃，子线程吃完了主线程再吃。

/*** 线程礼让和插队*/
public class ThreadMethod02 {public static void main(String[] args) throws Exception {T1 t = new T1();t.start();for (int i = 1; i <= 10; i++) {Thread.sleep(999);System.out.println("主线程吃了 " + i + " 个苹果");if (i == 5) {System.out.println("子线程插队");//Thread.yield();//主线程礼让，不一定成功t.join(); //子线程插队，一定成功System.out.println("主线程继续执行");}}}
}class T1 extends Thread {@Overridepublic void run() {for (int i = 1; i <= 10; i++) {System.out.println("子线程吃了 " + i + " 个苹果");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}
}

3.4 用户线程和守护线程

用户线程

也叫工作线程，当线程的任务执行完或通知方式通知他结束。

守护线程

一般是为了工作线程服务的，当所有的工作线程结束，守护线程自动结束 。常见的守护线程就是垃圾回收机制。

public class ThreadMethod03 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyDaemonThread myDaemonThread = new MyDaemonThread();//如果我们希望当main线程结束后，子线程自动结束,只需将子线程设为守护线程即可myDaemonThread.setDaemon(true);myDaemonThread.start();for( int i = 1; i <= 10; i++) {//main线程System.out.println("宝强在辛苦的工作...");Thread.sleep(1000);}}
}class MyDaemonThread extends Thread {public void run() {for (; ; ) {//无限循环try {Thread.sleep(1000);//休眠1000毫秒} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("马蓉和宋喆快乐聊天，哈哈哈~~~");}}
}

四、线程的生命周期

线程有七种状态：

  • NEW
  • Runnable（Ready、Running）
  • TimeWaiting
  • Waiting
  • Blocked
  • Teminated

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public class ThreadState_ {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {T t = new T();System.out.println(t.getName() + " 状态 " + t.getState());t.start();while (Thread.State.TERMINATED != t.getState()) {System.out.println(t.getName() + " 状态 " + t.getState());Thread.sleep(500);}System.out.println(t.getName() + " 状态 " + t.getState());}
}class T extends Thread {@Overridepublic void run() {while (true) {for (int i = 0; i < 10; i++) {System.out.println("hi " + i);try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}break;}}
}

五、Synchronized

5.1 线程同步机制

  • 在多线程编程，一些敏感数据不允许被多个线程同时访问，此时就使用同步访问技术，保证数据在任何同一时刻最多有一个线程访问，以保证数据的完整性。
  • 线程同步，即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直至该线程完成操作，其他线程才能对该内存地址进行操作。

5.2 同步具体方法

同步代码块

	 synchronized（对象）{  //得到对象的锁，才能操作同步代码//需要被同步代码；}

同步方法

synchronized还可以放在方法声明中，表示整个方法。

 	public synchronized void m（String name）{//需要被同步的代码}

5.3 使用同步解决售票问题

注意：不能直接在run()方法前加synchronized，因为这样会使得只有一个窗口可以进入卖票，使得其他窗口一直处于锁死状态，直至票卖完退出。

public class SellTicket {public static void main(String[] args) {SellTicketByRunnable sellTicketByRunnable = new SellTicketByRunnable();new Thread(sellTicketByRunnable).start();//第1个线程-窗口new Thread(sellTicketByRunnable).start();//第2个线程-窗口new Thread(sellTicketByRunnable).start();//第3个线程-窗口}
}class SellTicketByRunnable implements Runnable {//让多个线程共享TICKET_NUMBERprivate static int TICKET_NUMBER = 100;private Boolean loop = true;public synchronized void sell() {if (TICKET_NUMBER <= 0) {System.out.println("售票结束");loop=false;return;}try {Thread.sleep(50);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}System.out.println("窗口：" + Thread.currentThread().getName() + "售出一张票，剩余票数=" + (--TICKET_NUMBER));}@Overridepublic void run() {while (loop) {sell();}}
}

六、互斥锁

6.1 基本介绍

  1. Java语言中，引入了对象互斥锁的概念，来保证共享数据的完整性。
  2. 每个对象都对应于一个可称为“互斥锁”的标记，这个标记用来保证在任意时刻，只能有一个线程访问该对象。
  3. 关键字synchronized来与对象的互斥锁联系，当某个对象用synchronized修饰时，表明该对象在任一时刻只能由一个线程访问。
  4. 同步的局限性：导致程序的执行效率要降低。
  5. 同步方法（非静态的）的锁可以是this，也可以是其他对象（要求是同一个对象）。
  6. 同步方法（静态的）的锁为当前类本身。

代码示例-实现接口的同步

方法一：在方法上添加synchronized修饰，默认锁在this对象

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方法二：在方法内部设置同步代码块添加修饰，锁可以在this对象（或者自己创建的Object对象），也可以在其他对象，但是必须是同一个对象，若不是同一个对象，那么不同线程操作的对象就不同了，就不存在同步问题了。

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方法三：在静态方法内设置synchronized修饰的同步代码块，默认锁在该类

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方法四：在静态方法上添加synchronized修饰，默认锁在该类

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代码示例-继承类的同步

方法一：静态方法直接写synchronized修饰，默认锁在该类

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方法二：静态方法内部写同步代码块，默认的锁在该类

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6.2 注意事项和细节

  • 同步方法如果没有使用static修饰，默认锁对象为this
  • 如果方法使用static修饰，默认锁对象为 当前类名.class
  • 实现的步骤：
    • 需要先分析上锁的代码
    • 选择同步代码块（范围小，效率高，优先选择）或者同步方法
    • 要求多个线程的锁对象为同一个

七、死锁

多个线程都占用了对方的资源，都不肯相让，导致了死锁，在编程中一定要避免死锁的发生。

public class DeadLock_ {public static void main(String[] args) {//模拟死锁现象DeadLockDemo A = new DeadLockDemo(true);A.setName("A线程");DeadLockDemo B = new DeadLockDemo(false);B.setName("B线程");A.start();B.start();}
}//线程
class DeadLockDemo extends Thread {static Object o1 = new Object();// 保证多线程，共享一个对象,这里使用staticstatic Object o2 = new Object();boolean flag;public DeadLockDemo(boolean flag) {//构造器this.flag = flag;}@Overridepublic void run() {//下面业务逻辑的分析//1. 如果flag 为 T, 线程A 就会先得到/持有 o1 对象锁, 然后尝试去获取 o2 对象锁//2. 如果线程A 得不到 o2 对象锁，就会Blocked//3. 如果flag 为 F, 线程B 就会先得到/持有 o2 对象锁, 然后尝试去获取 o1 对象锁//4. 如果线程B 得不到 o1 对象锁，就会Blockedif (flag) {synchronized (o1) {//对象互斥锁, 下面就是同步代码System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入1");synchronized (o2) { // 这里获得li对象的监视权System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入2");}}} else {synchronized (o2) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入3");synchronized (o1) { // 这里获得li对象的监视权System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入4");}}}}
}

八、释放锁

下面操作会释放锁

  1. 当前线程的同步方法、同步代码块执行结束。
  2. 当前线程在同步代码块、同步方法中遇到break、return。
  3. 当前线程在同步代码块、同步方法中出现了未处理的Error或Exception，导致异常结束。
  4. 当前线程在同步代码块、同步方法中执行了线程对象的wait()方法，当前线程停止，并释放锁。

下面操作不会释放锁

  1. 线程执行同步代码块或同步方法时，程序调用Thread.sleep()，Thread.yield()方法暂停当前线程的执行，不会释放锁。

  2. 线程执行同步代码块时，其他线程调用了该线程的suspend()方法将该线程挂起，该线程不会释放锁。

    提示：不推荐使用suspend()和resume()来控制线程。

九、练习

练习二

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public class Homework01 {public static void main(String[] args) {A a = new A();B b = new B(a);//一定要注意.a.start();b.start();}
}//创建A线程类
class A extends Thread {private boolean loop = true;@Overridepublic void run() {//输出1-100数字while (loop) {System.out.println((int)(Math.random() * 100 + 1));//休眠try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("a线程退出...");}public void setLoop(boolean loop) {//可以修改loop变量this.loop = loop;}
}//直到第2个线程从键盘读取了“Q”命令
class B extends Thread {private A a;private Scanner scanner = new Scanner(System.in);public B(A a) {//构造器中，直接传入A类对象this.a = a;}@Overridepublic void run() {while (true) {//接收到用户的输入System.out.println("请输入你指令(Q)表示退出:");char key = scanner.next().toUpperCase().charAt(0);if(key == 'Q') {//以通知的方式结束a线程a.setLoop(false);System.out.println("b线程退出.");break;}}}
}

练习二

public class Homework02 {public static void main(String[] args) {T t = new T();Thread thread1 = new Thread(t);thread1.setName("t1");Thread thread2 = new Thread(t);thread2.setName("t2");thread1.start();thread2.start();}
}//编程取款的线程
//1.因为这里涉及到多个线程共享资源，所以我们使用实现Runnable方式
//2. 每次取出 1000
class T implements  Runnable {private int money = 10000;@Overridepublic void run() {while (true) {//解读//1. 这里使用 synchronized 实现了线程同步//2. 当多个线程执行到这里时，就会去争夺 this对象锁//3. 哪个线程争夺到(获取)this对象锁，就执行 synchronized 代码块, 执行完后，会释放this对象锁//4. 争夺不到this对象锁，就blocked ，准备继续争夺//5. this对象锁是非公平锁.synchronized (this) {////判断余额是否够if (money < 1000) {System.out.println("余额不足");break;}money -= 1000;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 取出了1000 当前余额=" + money);}//休眠1stry {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}

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