java基础——线程

第1章 线程

1.1 线程介绍

学习线程之前，我们先要了解几个关多线程有关的概念。

进程：进程指正在运行的程序。确切的来说，当一个程序进入内存运行，即变成一个进程，进程是处于运行过程中的程序，并且具有一定独立功能。

线程：线程是进程中的一个执行单元，负责当前进程中程序的执行，一个进程中至少有一个线程。一个进程中是可以有多个线程的，这个应用程序也可以称之为多线程程序。

简而言之：一个程序运行后至少有一个进程，一个进程中可以包含多个线程

什么是多线程呢？即就是一个程序中有多个线程在同时执行。

通过下图来区别单线程程序与多线程程序的不同：

l 单线程程序：即，若有多个任务只能依次执行。当上一个任务执行结束后，下一个任务开始执行。如，去网吧上网，网吧只能让一个人上网，当这个人下机后，下一个人才能上网。

l 多线程程序：即，若有多个任务可以同时执行。如，去网吧上网，网吧能够让多个人同时上网。

1.2 程序运行原理

l 分时调度

所有线程轮流使用 CPU 的使用权，平均分配每个线程占用 CPU 的时间。

l 抢占式调度

优先让优先级高的线程使用 CPU，如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个(线程随机性)，Java使用的为抢占式调度。

1.2.1 抢占式调度详解

大部分操作系统都支持多进程并发运行，现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。比如：现在我们上课一边使用编辑器，一边使用录屏软件，同时还开着画图板，dos窗口等软件。此时，这些程序是在同时运行，”感觉这些软件好像在同一时刻运行着“。

 

实际上，CPU(中央处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换。对于CPU的一个核而言，某个时刻，只能执行一个线程，而 CPU的在多个线程间切换速度相对我们的感觉要快，看上去就是在同一时刻运行。

其实，多线程程序并不能提高程序的运行速度，但能够提高程序运行效率，让CPU的使用率更高。

1.3 主线程

回想我们以前学习中写过的代码，当我们在dos命令行中输入java空格类名回车后，启动JVM，并且加载对应的class文件。虚拟机并会从main方法开始执行我们的程序代码，一直把main方法的代码执行结束。如果在执行过程遇到循环时间比较长的代码，那么在循环之后的其他代码是不会被马上执行的。

class Demo{
    String name;
    Demo(String name){
        this.name = name;
    }
    void show()    {
        for (int i=1;i<=10000 ;i++ )        {
            System.out.println("name="+name+",i="+i);
        }
    }
}

class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args)     {
        Demo d = new Demo("小强");
         Demo d2 = new Demo("旺财");
        d.show();        
        d2.show();
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

若在上述代码中show方法中的循环执行次数很多，这时在d.show();下面的代码是不会马上执行的，并且在dos窗口会看到不停的输出name=小强,i=值，这样的语句。为什么会这样呢？

原因是：jvm启动后，必然有一个执行路径(线程)从main方法开始的，一直执行到main方法结束，这个线程在java中称之为主线程。当程序的主线程执行时，如果遇到了循环而导致程序在指定位置停留时间过长，则无法马上执行下面的程序，需要等待循环结束后能够执行。

那么，能否实现一个主线程负责执行其中一个循环，再由另一个线程负责其他代码的执行，最终实现多部分代码同时执行的效果？

能够实现同时执行，通过Java中的多线程技术来解决该问题。

1.4 Thread类

该如何创建线程呢？通过API中搜索，查到Thread类。通过阅读Thread类中的描述。Thread是程序中的执行线程。Java 虚拟机允许应用程序并发地运行多个执行线程。

创建新执行线程有两种方法。

l 一种方法是将类声明为 Thread 的子类。该子类应重写 Thread 类的 run 方法。创建对象，开启线程。run方法相当于其他线程的main方法。

l 另一种方法是声明一个实现 Runnable 接口的类。该类然后实现 run 方法。然后创建Runnable的子类对象，传入到某个线程的构造方法中，开启线程。

 

1.5 创建线程方式一       继承Thread类

创建线程的步骤：

1 定义一个类继承Thread。

2 重写run方法。

3 创建子类对象，就是创建线程对象。

4 调用start方法，开启线程并让线程执行，同时还会告诉jvm去调用run方法

 

/**
 * 如何创建和启动一个线程
 *      创建Thread子类对象
 *      子类对象调用方法start()
 *      让线程程序执行,JVM调用线程中的run
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/15.
 */
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        SubThread st =new SubThread();
        st.start();
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            System.out.println("main...."+i);
        }
    }
}

/**
 * 定义子类，继承Thread
 * 重写父类方法run()
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/15.
 */
public class SubThread extends Thread{
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            System.out.println("run...."+i);
        }
    }
}

上面代码的运行原理：

思考：线程对象调用 run方法和调用start方法区别？

线程对象调用run方法不开启线程。仅是对象调用方法。线程对象调用start开启线程，并让jvm调用run方法在开启的线程中执行。

1.5.1 继承Thread类原理

我们为什么要继承Thread类，并调用其的start方法才能开启线程呢？

继承Thread类：因为Thread类用来描述线程，具备线程应该有功能。那为什么不直接创建Thread类的对象呢？如下代码：

Thread t1 = new Thread();
t1.start();//这样做没有错，但是该start调用的是Thread类中的run方法，而这个run方法没有做什么事情，
　　　　　　　　更重要的是这个run方法中并没有定义我们需要让线程执行的代码。

创建线程的目的是什么？

是为了建立程序单独的执行路径，让多部分代码实现同时执行。也就是说线程创建并执行需要给定线程要执行的任务。

对于之前所讲的主线程，它的任务定义在main函数中。自定义线程需要执行的任务都定义在run方法中。

Thread类run方法中的任务并不是我们所需要的，只有重写这个run方法。既然Thread类已经定义了线程任务的编写位置（run方法），那么只要在编写位置（run方法）中定义任务代码即可。所以进行了重写run方法动作。

1.5.2 多线程的内存图解

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。

1.6 创建线程方式二 ——实现Runnable接口

创建线程的另一种方法是声明实现 Runnable 接口的类。该类然后实现 run 方法。然后创建Runnable的子类对象，传入到某个线程的构造方法中，开启线程。

为何要实现Runnable接口，Runable是啥玩意呢？继续API搜索。

查看Runnable接口说明文档：Runnable接口用来指定每个线程要执行的任务。包含了一个 run 的无参数抽象方法，需要由接口实现类重写该方法。

 

l 接口中的方法

l Thread类构造方法

创建线程的步骤。

1、定义类实现Runnable接口。

2、覆盖接口中的run方法。。

3、创建Thread类的对象

4、将Runnable接口的子类对象作为参数传递给Thread类的构造函数。

5、调用Thread类的start方法开启线程。

/**
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/15.
 */
public class SubThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("run...."+i);
        }
    }
}

/**
 * 实现接口方式的线程
 *      创建Thread类对象，构造方法中传递Runnable接口实现类
 *      调用Thread类方法start()
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/15.
 */
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        SubThread st = new SubThread();
        Thread t = new Thread(st);
        t.start();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("main...."+i);
        }
    }
}

1.6.1 实现Runnable的原理

为什么需要定一个类去实现Runnable接口呢？继承Thread类和实现Runnable接口有啥区别呢？

实现Runnable接口，避免了继承Thread类的单继承局限性。覆盖Runnable接口中的run方法，将线程任务代码定义到run方法中。

创建Thread类的对象，只有创建Thread类的对象才可以创建线程。线程任务已被封装到Runnable接口的run方法中，而这个run方法所属于Runnable接口的子类对象，所以将这个子类对象作为参数传递给Thread的构造函数，这样，线程对象创建时就可以明确要运行的线程的任务。

1.6.2 实现Runnable的好处

第二种方式实现Runnable接口避免了单继承的局限性，所以较为常用。实现Runnable接口的方式，更加的符合面向对象，线程分为两部分，一部分线程对象，一部分线程任务。继承Thread类，线程对象和线程任务耦合在一起。一旦创建Thread类的子类对象，既是线程对象，有又有线程任务。实现runnable接口，将线程任务单独分离出来封装成对象，类型就是Runnable接口类型。Runnable接口对线程对象和线程任务进行解耦。

1.7 线程的匿名内部类使用

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。

l 方式1：创建线程对象时，直接重写Thread类中的run方法

/**
 * 使用匿名内部类，实现多线程程序
 * 前提：继承或者接口实现
 * new 父类或者接口(){
 *     重写抽象方法
 * }
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/15.
 */
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //继承方式 XXX extends Thread() {public void run() {} }
        new Thread() {
            public void run() {
                System.out.println("hello world");
            }
        }.start();
}

方式2：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

/**
 * 使用匿名内部类，实现多线程程序
 * 前提：继承或者接口实现
 * new 父类或者接口(){
 *     重写抽象方法
 * }
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/15.
 */
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {

        //继承方式 XXX implements Thread() {public void run() {} }
        Runnable r = new Runnable(){
            public void run() {
                System.out.println("hello world,you motherfuck");
            }
        };
        new Thread(r).start();

    }
}

1.8 线程状态

Java中的线程的状态分为6种。

1. 初始(NEW)：新创建了一个线程对象，但还没有调用start()方法。
2. 运行(RUNNABLE)：Java线程中将就绪（ready）和运行中（running）两种状态笼统的成为“运行”。
线程对象创建后，其他线程(比如main线程）调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，等待被线程调度选中，获取cpu 的使用权，此时处于就绪状态（ready）。就绪状态的线程在获得cpu 时间片后变为运行中状态（running）。
3.阻塞(BLOCKED)：表线程阻塞于锁。
4.等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
5.超时等待(TIME_WAITING)：该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间内自行返回。

6. 终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。

初始状态

1. 实现Runnable接口和继承Thread可以得到一个线程类，new一个实例出来，线程就进入了初始状态

 就绪状态

1. 就绪状态只是说你资格运行，调度程序没有挑选到你，你就永远是就绪状态。
2. 调用线程的start()方法，此线程进入就绪状态。
3. 当前线程sleep()方法结束，其他线程join()结束，等待用户输入完毕，某个线程拿到对象锁，这些线程也将进入就绪状态。
4. 当前线程时间片用完了，调用当前线程的yield()方法，当前线程进入就绪状态。
5. 锁池里的线程拿到对象锁后，进入就绪状态。

运行中状态

1. 线程调度程序从可运行池中选择一个线程作为当前线程时线程所处的状态。这也是线程进入运行状态的唯一一种方式。

阻塞状态

1. 阻塞状态是线程阻塞在进入synchronized关键字修饰的方法或代码块(获取锁)时的状态。

终止状态

1. 当线程的run()方法完成时，或者主线程的main()方法完成时，我们就认为它终止了。这个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。线程一旦终止了，就不能复生。
2. 在一个终止的线程上调用start()方法，会抛出java.lang.IllegalThreadStateException异常。

等待队列(本是Object里的方法，但影响了线程)

1. 调用obj的wait(), notify()方法前，必须获得obj锁，也就是必须写在synchronized(obj) 代码段内。
2. 与等待队列相关的步骤和图

• 1.线程1获取对象A的锁，正在使用对象A。
• 2.线程1调用对象A的wait()方法。
• 3.线程1释放对象A的锁，并马上进入等待队列。
• 4.锁池里面的对象争抢对象A的锁。
• 5.线程5获得对象A的锁，进入synchronized块，使用对象A。
• 6.线程5调用对象A的notifyAll()方法，唤醒所有线程，所有线程进入同步队列。若线程5调用对象A的notify()方法，则唤醒一个线程，不知道会唤醒谁，被唤醒的那个线程进入同步队列。
• 7.notifyAll()方法所在synchronized结束，线程5释放对象A的锁。
• 8.同步队列的线程争抢对象锁，但线程1什么时候能抢到就不知道了。、

同步队列状态

1. 当前线程想调用对象A的同步方法时，发现对象A的锁被别的线程占有，此时当前线程进入同步队列。简言之，同步队列里面放的都是想争夺对象锁的线程。
2. 当一个线程1被另外一个线程2唤醒时，1线程进入同步队列，去争夺对象锁。
3. 同步队列是在同步的环境下才有的概念，一个对象对应一个同步队列。

几个方法的比较

1. Thread.sleep(long millis)，一定是当前线程调用此方法，当前线程进入TIME_WAITING状态，但不释放对象锁，millis后线程自动苏醒进入就绪状态。作用：给其它线程执行机会的最佳方式。
2. Thread.yield()，一定是当前线程调用此方法，当前线程放弃获取的cpu时间片，由运行状态变会就绪状态，让OS再次选择线程。作用：让相同优先级的线程轮流执行，但并不保证一定会轮流执行。实际中无法保证yield()达到让步目的，因为让步的线程还有可能被线程调度程序再次选中。Thread.yield()不会导致阻塞。
3. t.join()/t.join(long millis)，当前线程里调用其它线程t的join方法，当前线程进入TIME_WAITING/TIME_WAITING状态，当前线程不释放已经持有的对象锁。线程t执行完毕或者millis时间到，当前线程进入就绪状态。
4. obj.wait()，当前线程调用对象的wait()方法，当前线程释放对象锁，进入等待队列。依靠notify()/notifyAll()唤醒或者wait(long timeout)timeout时间到自动唤醒。
5. obj.notify()唤醒在此对象监视器上等待的单个线程，选择是任意性的。notifyAll()唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。

疑问

　　等待队列里许许多多的线程都wait()在一个对象上，此时某一线程调用了对象的notify()方法，那唤醒的到底是哪个线程？随机？队列FIFO？or sth else？

　　java文档就简单的写了句：选择是任意性的（The choice is arbitrary and occurs at the discretion of the implementation）。