线程与并发(一) 多线程基础

一 .任务,进程与线程

多任务： 指用户在同一时间内运行多个应用程序,每个应用程序可以认为是一个任务.常见的操作系统Linux、windows等就是支持多任务的操作系统。 进程： 计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，通俗讲就是对操作系统中运行的应用程序及其运行环境的统称。比如window上运行QQ程序，还需占用一定内存 线程： 指应用程序中一个单一的顺序控制流程。是进程内有一个相对独立的、可调度的执行单元，可共享进程的内存资源。 多线程： 在单个应用程序(进程)中同时运行多个线程完成不同的工作 并发： 在同一个进程中，同一个时间段，多个线程争夺共享资源过程

java中的线程

Java程序都运行在Java虚拟机（JVM）中，每用java命令启动一个java应用程序，也即启动一个JVM进程。在这个JVM环境中，所有程序代码的运行都是以线程来运行。举个例子：执行java Helloworld命令，操作系统会在创建一个jvm进程，并分配相应的内存资源，接着运行程序入口main方法，创建一个main线程，用于执行helloworld流程。通常，我们将这个线程称之为主线程，当主线程运行结束后，如果没有其他存活线程，JVM进程也随即退出，释放持有的资源。

线程生命周期:

创建（new）状态: 准备好了一个多线程的对象，即执行了new Thread(); 创建完成后就需要为线程分配内存 就绪（runnable）状态: 调用了start()方法, 等待CPU进行调度 运行（running）状态: 执行run()方法 阻塞（blocked）状态: 暂时停止执行线程，将线程挂起(sleep()、wait()、join()、没有获取到锁都会使线程阻塞), 可能将资源交给其它线程使用 死亡（terminated）状态: 线程销毁(正常执行完毕、发生异常或者被打断interrupt()都会导致线程终止)

二 . 创建线程的方式

• 继承 Thread

• 实现 Runable

• 实现 Callable

2.1 继承Thread 重写run方法

public class Test001  {
    public static void main(String[] args) {
        new MyThread().run();
    }

}
class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"----"+Thread.currentThread().getId());
    }
}

thread类源码：

package java.lang;
public class Thread implements Runnable {
    // 构造方法
    public Thread(Runnable target);
    public Thread(Runnable target, String name);
    
    public synchronized void start();
}

Runnable 接口：

package java.lang;
@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    pubic abstract void run();
}

2.2 实现java.lang.Runnable接口，重写run()方法，然后使用Thread类来包装：

public class Test002 {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread002 thread002 = new MyThread002();
        new Thread(thread002).run();
    }
}

class MyThread002 implements Runnable{
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

　　两种方式在本质上没有明显的区别，在外观上有很大的区别，第一种方式是继承Thread类，因Java是单继承，如果一个类继承了Thread类，那么就没办法继承其它的类了，在继承上有一点受制，有一点不灵活，第二种方式就是为了解决第一种方式的单继承不灵活的问题，所以平常使用就使用第二种方式。

其他变体写法：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 匿名内部类
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	" + Thread.currentThread().getId());
            }
        }).start();

        // 尾部代码块, 是对匿名内部类形式的语法糖
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	" + Thread.currentThread().getId());
            }
        }.start();

        // Runnable是函数式接口，所以可以使用Lamda表达式形式
        Runnable runnable = () -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	" + Thread.currentThread().getId());};
        new Thread(runnable).start();
    }
}

2.3 实现Callable接口，重写call()方法，然后包装成java.util.concurrent.FutureTask, 再然后包装成Thread

Callable：有返回值的线程，能取消线程，可以判断线程是否执行完毕

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
         // 将Callable包装成FutureTask，FutureTask也是一种Runnable
        MyCallable callable = new MyCallable();
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);
        new Thread(futureTask).start();
        // get方法会阻塞调用的线程
        Integer sum = futureTask.get();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +                                        Thread.currentThread().getId() + "=" + sum);
    }
}

class MyCallable implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	" +                             Thread.currentThread().getId() + "	" + new Date() + " 	starting...");
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i <= 100000; i++) {
            sum += i;
        }
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	" +                             Thread.currentThread().getId() + "	" + new Date() + " 	over...");
        return sum;
    }
}

三 . 几个常见API之间的区别

3.1 start() 与 run()

public static void main(String[] args) throws Exception {
   new Thread(()-> {
       for (int i = 0; i < 5; i++) {
           System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
           try { Thread.sleep(200); } catch (InterruptedException e) { }
       }
   }, "Thread-A").start();

   new Thread(()-> {
       for (int j = 0; j < 5; j++) {
           System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + j);
           try { Thread.sleep(200); } catch (InterruptedException e) { }
       }
   }, "Thread-B").start();
}

start(): 启动一个线程，线程之间是没有顺序的，是按CPU分配的时间片来回切换的。

public static void main(String[] args) throws Exception {
    new Thread(()-> {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);
            try { Thread.sleep(200); } catch (InterruptedException e) { }
        }
    }, "Thread-A").run();

    new Thread(()-> {
        for (int j = 0; j < 5; j++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + j);
            try { Thread.sleep(200); } catch (InterruptedException e) { }
        }
    }, "Thread-B").run();
}

执行的都是主线程：

 

run(): 调用线程的run方法，就是普通的方法调用，虽然将代码封装到两个线程体中，可以看到线程中打印的线程名字都是main主线程，run()方法用于封装线程的代码，具体要启动一个线程来运行线程体中的代码(run()方法)还是通过start()方法来实现，调用run()方法就是一种顺序编程不是并发编程。

3.2 sleep() 与 interrupt()

public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;
public void interrupt();

sleep(long millis): 睡眠指定时间，程序暂停运行，睡眠期间会让出CPU的执行权，去执行其它线程，同时CPU也会监视睡眠的时间，一旦睡眠时间到就会立刻执行(因为睡眠过程中仍然保留着锁，有锁只要睡眠时间到就能立刻执行)。

sleep(): 睡眠指定时间，即让程序暂停指定时间运行，时间到了会继续执行代码，如果时间未到就要醒需要使用interrupt()来随时唤醒。interrupt(): 唤醒正在睡眠的程序，调用interrupt()方法，会使得sleep()方法抛出InterruptedException异常，当sleep()方法抛出异常就中断了sleep的方法，从而让程序继续运行下去.

3.3 wait() 与 notify()

wait、notify和notifyAll方法是Object类的final native方法。所以这些方法不能被子类重写，Object类是所有类的超类，因此在程序中可以通过this或者super来调用this.wait(), super.wait()

wait(): 导致线程进入等待阻塞状态，会一直等待直到它被其他线程通过notify()或者notifyAll唤醒。该方法只能在同步方法中调用。如果当前线程不是锁的持有者，该方法抛出一个IllegalMonitorStateException异常。

wait(long timeout): 时间到了自动执行，类似于sleep(long millis) notify(): 该方法只能在同步方法或同步块内部调用， 随机选择一个(注意：只会通知一个)在该对象上调用wait方法的线程，解除其阻塞状态 notifyAll(): 唤醒所有的wait对象

public class WaitNotifyTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        WaitNotifyTest waitNotifyTest = new WaitNotifyTest();
        new Thread(() -> {
            try {
                waitNotifyTest.printFile();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                waitNotifyTest.printFile();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println(new Date() + "	" + Thread.currentThread().getName() + "	睡觉1秒中，目的是让上面的线程先执行，即先执行wait()");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            waitNotifyTest.notifyPrint();
        }).start();
    }

    private synchronized void printFile() throws InterruptedException {
        System.out.println(new Date() + "	" + Thread.currentThread().getName() + "	等待打印文件...");
        this.wait();
        System.out.println(new Date() + "	" + Thread.currentThread().getName() + "	打印结束。。。");
    }

    private synchronized void notifyPrint() {
        this.notify();
        System.out.println(new Date() + "	" + Thread.currentThread().getName() + "	通知完成...");
    }
}

wait():让程序暂停执行，相当于让当前，线程进入当前实例的等待队列，这个队列属于该实例对象，所以调用notify也必须使用该对象来调用，不能使用别的对象来调用。调用wait和notify必须使用同一个对象来调用。

3.4 sleep() 与 wait()

Thread.sleep(long millis): 睡眠时不会释放锁

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Object lock = new Object();

    new Thread(() -> {
        synchronized (lock) {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println(new Date() + "	" + Thread.currentThread().getName() + "	" + i);
                try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { }
            }
        }
    }).start();

    Thread.sleep(1000);

    new Thread(() -> {
        synchronized (lock) {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println(new Date() + "	" + Thread.currentThread().getName() + "	" + i);
            }
        }
    }).start();
}

因main方法中Thread.sleep(1000)所以上面的线程Thread-0先被执行，当循环第一次时就会Thread.sleep(1000)睡眠，因为sleep并不会释放锁，所以Thread-1得不到执行的机会，所以直到Thread-0执行完毕释放锁对象lock，Thread-1才能拿到锁，然后执行Thread-1;

3.5 守护线程setDaemon(boolean on)

线程分两种：

• 用户线程：如果主线程main停止掉，不会影响用户线程，用户线程可以继续运行。

• 守护线程：如果主线程死亡，守护线程如果没有执行完毕也要跟着一块死(就像皇上死了，带刀侍卫也要一块死)，GC垃圾回收线程就是守护线程

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread() {
        @Override
        public void run() {
            IntStream.range(0, 5).forEach(i -> {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	i=" + i);
            });
        }
    };
    thread.start();


    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	i=" + i);
    }
    System.out.println("主线程执行结束，子线程仍然继续执行，主线程和用户线程的生命周期各自独立。");
}

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread() {
        @Override
        public void run() {
            IntStream.range(0, 5).forEach(i -> {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	i=" + i);
            });
        }
    };
    thread.setDaemon(true);
    thread.start();


    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	i=" + i);
    }
    System.out.println("主线程死亡，子线程也要陪着一块死！");
}

四 . lock与synchronized

　　synchronized是java中的一个关键字，也就是说是Java语言内置的特性。那么为什么会出现Lock呢？

如果一个代码块被synchronized修饰了，当一个线程获取了对应的锁，并执行该代码块时，其他线程便只能一直等待，等待获取锁的线程释放锁，而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况：

　　1）获取锁的线程执行完了该代码块，然后线程释放对锁的占有；

　　2）线程执行发生异常，此时JVM会让线程自动释放锁。

　　那么如果这个获取锁的线程由于要等待IO或者其他原因（比如调用sleep方法）被阻塞了，但是又没有释放锁，其他线程便只能干巴巴地等待，试想一下，这多么影响程序执行效率。

　　因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去（比如只等待一定的时间或者能够响应中断），通过Lock就可以办到。

　　再举个例子：当有多个线程读写文件时，读操作和写操作会发生冲突现象，写操作和写操作会发生冲突现象，但是读操作和读操作不会发生冲突现象。

　　但是采用synchronized关键字来实现同步的话，就会导致一个问题：

　　如果多个线程都只是进行读操作，所以当一个线程在进行读操作时，其他线程只能等待无法进行读操作。

　　因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时，线程之间不会发生冲突，通过Lock就可以办到。

　　另外，通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。这个是synchronized无法办到的。

　　总结一下，也就是说Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点：

　　1）Lock不是Java语言内置的，synchronized是Java语言的关键字，因此是内置特性。Lock是一个类，通过这个类可以实现同步访问；

　　2）Lock和synchronized有一点非常大的不同，采用synchronized不需要用户去手动释放锁，当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后，系统会自动让线程释放对锁的占用；而Lock则必须要用户去手动释放锁，如果没有主动释放锁，就有可能导致出现死锁现象。

4.1 lock源码

public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

四个获取锁的方法解释：

　　首先lock()方法是平常使用得最多的一个方法，就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取，则进行等待。

　　如果采用Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常时，不会自动释放锁。因此一般来说，使用Lock必须在try{}catch{}块中进行，并且将释放锁的操作放在finally块中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。通常使用Lock来进行同步的话，是以下面这种形式去使用的：

Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
    //处理任务
}catch(Exception ex){
     
}finally{
    lock.unlock();   //释放锁
}

　　tryLock()方法是有返回值的，它表示用来尝试获取锁，如果获取成功，则返回true，如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false，也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。

　　tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的，只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。

　　所以，一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的：

Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
     try{
         //处理任务
     }catch(Exception ex){
         
     }finally{
         lock.unlock();   //释放锁
     } 
}else {
    //如果不能获取锁，则直接做其他事情
}

　　lockInterruptibly()方法比较特殊，当通过这个方法去获取锁时，如果线程正在等待获取锁，则这个线程能够响应中断，即中断线程的等待状态。也就使说，当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时，假若此时线程A获取到了锁，而线程B只有在等待，那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。

　　由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常，所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出InterruptedException。

　　因此lockInterruptibly()一般的使用形式如下：

public void method() throws InterruptedException {
    lock.lockInterruptibly();
    try {  
     //.....
    }
    finally {
        lock.unlock();
    }  
}

当一个线程获取了锁之后，是不会被interrupt()方法中断的。因为单独调用interrupt()方法不能中断正在运行过程中的线程，只能中断阻塞过程中的线程。

　　因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，只有进行等待的情况下，是可以响应中断的。

　　而用synchronized修饰的话，当一个线程处于等待某个锁的状态，是无法被中断的，只有一直等待下去。

4.2 ReentrantLock

ReentrantLock，意思是“可重入锁”，关于可重入锁的概念在下一节讲述。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类，并且ReentrantLock提供了更多的方法。

下面通过一些实例看具体看一下如何使用ReentrantLock。

public class Test {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
    public static void main(String[] args)  {
        final Test test = new Test();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
    }  
     
    public void insert(Thread thread) {
        Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
            for(int i=0;i<5;i++) {
                arrayList.add(i);
            }
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
        }finally {
            System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
            lock.unlock();
        }
    }
}

输出结果：

Thread-0得到了锁
Thread-1得到了锁
Thread-0释放了锁
Thread-1释放了锁

为什么第二个线程会在第一个线程锁还没释放的情况下就得到锁了呢？

因为Lock lock = new ReentrantLock();定义在了方法里而不是类里，每次执行insert方法都是一个新的reentrantlock了。所以正确的写法应该是把排它锁定义为类属性。

tryLock的用法:

public class Test {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
    private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方
    public static void main(String[] args)  {
        final Test test = new Test();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
         
        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
    }  
     
    public void insert(Thread thread) {
        if(lock.tryLock()) {
            try {
                System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
                for(int i=0;i<5;i++) {
                    arrayList.add(i);
                }
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            }finally {
                System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
                lock.unlock();
            }
        } else {
            System.out.println(thread.getName()+"获取锁失败");
        }
    }
}

执行结果：

Thread-0得到了锁
Thread-1获取锁失败
Thread-0释放了锁

lockInterruptibly()响应中断的使用方法：

 

public class Test {
    private Lock lock = new ReentrantLock();   
    public static void main(String[] args)  {
        Test test = new Test();
        MyThread thread1 = new MyThread(test);
        MyThread thread2 = new MyThread(test);
        thread1.start();
        thread2.start();
         
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        thread2.interrupt();
    }  
     
    public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{
        lock.lockInterruptibly();   //注意，如果需要正确中断等待锁的线程，必须将获取锁放在外面，然后将InterruptedException抛出
        try {  
            System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
            long startTime = System.currentTimeMillis();
            for(    ;     ;) {
                if(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)
                    break;
                //插入数据
            }
        }
        finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行finally");
            lock.unlock();
            System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
        }  
    }
}
 
class MyThread extends Thread {
    private Test test = null;
    public MyThread(Test test) {
        this.test = test;
    }
    @Override
    public void run() {
         
        try {
            test.insert(Thread.currentThread());
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断");
        }
    }
}

运行之后，发现thread2能够被正确中断。

4.3 ReadWriteLock

 

public interface ReadWriteLock {
    /**
     * Returns the lock used for reading.
     *
     * @return the lock used for reading.
     */
    Lock readLock();
 
    /**
     * Returns the lock used for writing.
     *
     * @return the lock used for writing.
     */
    Lock writeLock();
}

一个用来获取读锁，一个用来获取写锁。也就是说将文件的读写操作分开，分成2个锁来分配给线程，从而使得多个线程可以同时进行读操作。下面的ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。

4.4 ReentrantReadWriteLock

暂略

 

4.5 如何选择lock与synchronized

总结来说，Lock和synchronized有以下几点不同：

　　1）Lock是一个接口，而synchronized是Java中的关键字，synchronized是内置的语言实现；

　　2）synchronized在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而Lock在发生异常时，如果没有主动通过unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用Lock时需要在finally块中释放锁；

　　3）Lock可以让等待锁的线程响应中断，而synchronized却不行，使用synchronized时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；

　　4）通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到。

　　5）Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。

　　在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。