java 线程复习笔记

1. 线程基本概念

1.1 线程与进程

当一个程序进入内存运行时，即变成一个进程。进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单元。

线程是进程的组成部分，一个进程可以拥有多个线程，一个线程必须有一个父进程。

归纳起来说就是：操作系统可以同时执行多个任务，每个任务就是进程；而进程也可以同时执行多个任务，每个任务就是线程。

1.2 并发与并行

并行：在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行

并发：在同一时刻，只能有一条指令执行，但多个指令在一个处理器上被快速轮流切换执行。

2. 线程的创建与启动

线程创建有4种方式，但是线程的启动只能调用线程对象的start() 方法

创建线程有以下4种方式：

1. 继承 Thread 类
2. 实现 Runnable 接口
3. 实现 Callable 接口
4. 线程池

2.1 继承Thread抽象类

public class Thread1 extends Thread {
    private int i;

    @Override
    public void run() {
        for (; i< 10; i++){
            System.out.println(getName()+ " " + i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " " + i);
            if (i == 10){
                new Thread1().start();
                new Thread1().start();
            }
        }
    }
}

2.2 实现Runnable接口

public class Demo{
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " " + i);
            if (i == 10){
                //Lambda表达式实现runnable接口
                new Thread(()->{
                        for (int j= 0; j< 10; j++){
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " " + j);
                        }
                }, "线程2").start();

                //Lambda表达式实现runnable接口
                new Thread(()-> {
                        for (int j = 0; j< 10; j++){
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " " + j);
                        }
                }, "线程1").start();
            }
        }
    }
}

运行结果：

2.3 实现Callable接口

public class CallableDemo {

    public static void main(String[] args) {
		//使用FutureTask对象老包装 Callable 对象
      	//Callable 对象含有返回值
        FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(()-> {
                int i = 0;
                for( ; i< 10; i++){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " " + i);
                }
                return i;
        });
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " " + i);
            if (i == 10){
              	//start() 方法启动线程
                new Thread(task, "有返回值的线程").start();
            }
        }
        try {
          	//通过FutureTask 对象的get() 方法获取返回值
            System.out.println("子线程返回值：" + task.get());
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果：

先介绍以上三种，线程池后面细讲

2.4 三种方式对比

从实现方式上对比，实现 Runnable 接口与实现 Callable 接口属于同一种线程启动的方式。

采用继承Thread类创建线程的方式有以下优缺点：

• 优势：编写简单，要获取当前线程不需要使用 Thread.currentThread() 方法，只需要使用 this 即可；
• 劣势：java只能单继承，因为线程类继承了 Thread 类就不能再继承其他父类。

采用实现 Runnable、Callable 接口方式有以下优缺点：

• 优势：实现接口后还能继承其他父类；
• 优势：在这种方式下，多个线程可以共享同一个目标对象，所以非常适合多个线程来处理同一份资源的情况（也就是生产者消费者模式）；
• 劣势：变成稍稍复杂，要使用 Thread.currentThread() 方法获取当前线程。

---

3. 线程控制

3.1 线程生命周期

在线程的生命周期中，要经过新建（New）、就绪（Runnable）、运行（Run）、阻塞（Blocked）、和死亡（Dead）5种状态。尤其是当线程启动后，它不能一直霸占着CPU独自运行，所以CPU需要在多条线程之间切换，于是线程状态也会在多次运行、阻塞之间切换。

3.2 join 线程

=> join(): 等待被join的线程执行完成；

=> join(long millis): 等待被join的线程时间最长为millis毫秒；

当在某个程序执行过程中调用其他线程的 join() 方法，调用线程将被阻塞，直到被 join() 方法加入的 join 线程执行完为止。

【例】在一道程序中有A线程和B线程两个，在B线程中调用 A.join(); 则程序会在A线程执行完毕后才会开始执行B线程。

线程睡眠：sleep （不释放所占有的资源）

static void sleep(long millis)：让当前正在执行的线程暂停 millis 毫秒，并进入阻塞状态；

static vold sleep(long millis, int nanos)：让当前正在执行的线程暂停 millis 毫秒加 nanos 毫微秒，并进入阻塞状态。

public class Thread1 extends Thread {

    private int i;

    @Override
    public void run() {
        for (; i< 10; i++){
            System.out.println(getName()+ " " + i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " " + i);
            if (i == 5){
                Thread1 t1 = new Thread1();
                t1.start();
                //main 线程调用了t1 线程的join() 方法
                // 必须等t1 执行结束才会向下执行
                t1.join();
            }
        }
    }
}

运行结果：

3.3 线程睡眠：sleep

static void sleep(long millis)：让当前正在执行的线程暂停 millis 毫秒，并进入阻塞状态；

static vold sleep(long millis, int nanos)：让当前正在执行的线程暂停 millis 毫秒加 nanos 毫微秒，并进入阻塞状态。

【注】调用sleep() 方法不会释放所占有的资源

3.4 线程等待：wait

wait() 是Object 基类的方法，作用与sleep 类似，使得线程进入等待队列。不同的是，当线程调用wait()方法后会进入等待队列（进入这个状态会释放所占有的所有资源，与阻塞状态不同）

线程调用 wait() 方法后，要调用notify / notifyAll() 方法才能将其唤醒，进入就绪状态。

调用notify() 方法导致解除阻塞的线程是从因调用该对象的 wait()方法而阻塞的线程中随机选取的，我们无法预料哪一个线程将会被选择，所以编程时要特别小心，避免因这种不确定性而产生问题。

调用 notifyAll()方法将把因调用该对象的 wait()方法而阻塞的所有线程一次性全部解除阻塞 。当然，只有获得锁的那一个线程才能进入可执行状态。

3.5 线程让步：yield

yield() 方法是一个和sleep() 方法有点相似的方法，它也可是 Thread 类提供的一个静态方法，它可以让当前正在执行的线程暂停，但它不会阻塞该线程，它只是将该线程转入就绪状态。

yield() 只是让当前线程暂停一下，让系统的线程调度器重新调用一次，完全可能的情况是：当某个线程调用了yield() 方法暂停后，线程调度器又将其重新调度出来执行。

3.6 线程优先级：setPriority

每个线程执行时都具有一定的优先级，优先级高的线程会获得较多的执行机会。

每个线程默认的优先级都与创建它的父线程的优先级相同。（main 线程除外，默认情况下 main 线程创建的子线程和 main 线程都具有普通优先级）

Thread 类提供了 setPriority(int new Priority)、getPriority() 方法来设置和返回指定线程的优先级。范围的1~10之间。也可以使用 Thread 类的以下三个静态常量：

MAX_PRIORITY：其值为10。

MIN_PRIORITY：其值为1。

NORM_PRIORITY：其值为5。

---

4. 线程同步

解决线程安全问题的方式有：

1. 同步代码块
2. 同步方法
3. 同步锁（Lock）

4.1 同步代码块

线程开始执行同步代码块之前，必须先获得同步监视器的锁定。语法格式：

synchronized(obj){
  ...
  //此处的代码为同步代码块
}

【注意】任何时刻只能有一个线程可以获得对同步监视器的锁定，当同步代码块执行完成后，该线程会释放对同步监视器的锁定。

【提示】java 程序允许使用任意对象作为同步监视器，通常推荐使用可能被并发访问的共享资源充当同步监视器。

4.2 同步方法

同步方法就是使用 synchronized 关键字来修饰某个方法。对于 synchronized 修饰的实例方法（非 static 方法）而言，同步方法的同步监视器就是 this，也就是调用该方法的对象。

JDK 所提供的 StringBuilder、StringBuffer 就是为了照顾单线程环境和多线程环境所提供的类。两个类代码几乎相似，只是 StringBuffer 的方法使用了synchronized 关键字修饰。

所以在单线程环境下应该使用 StringBuilder 来保证较好的性能；多线程环境应使用 StringBuffer 来保证线程安全。

4.3 同步锁（Lock）

同步锁是比 synchronized 方法和 synchronized 代码块更细粒度的同步机制，由 Lock 对象充当。

在线程安全控制中，比较常用的是 ReentrantLock (可重入锁)。使用该Lock 对象可显示地加锁、释放锁，通常使用 ReentrantLock 的代码格式如下：

class xxx {
  //定义锁对象
  private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
  //...
  //定义需要保证线程安全的方法
  public void method(){
    //加锁
    lock.lock();
    try{
      //需保证线程安全的代码
      //... method body
    }finally{	//使用 finally 块来保证释放锁
      //释放锁
      lock.unlock;
    }
  }
}

5. 线程通信

5.1 传统的线程通信

传统的线程通信是借助于 Object 类提供的 wait()、notify()、notifyAll() 三个方法，结合 synchronized 修饰的同步方法或同步代码块实现的。在这里不做介绍。

5.2 Condition 控制线程

Java 提供了一个Condition 类，使用 Condition 可以让那些已经得到 Lock 对象却无法继续执行的线程释放 Lock对象，也可以唤醒 其他处于等待状态的线程。

Condition 将 Object 监视器方法（wait、notify 和 notifyAll）分解成截然不同的对象，以便通过将这些对象与任意 Lock 实现组合使用。

要获得特定 Lock 实例的Condition 实例，调用该 Lock 对象的 newCondition() 方法即可。

Condition 类提供了如下三个方法：

await()：让当前线程进入等待状态，直到其他线程调用该 Condition 的 signal() 方法或 signalAll() 方法来唤醒该线程。

signal()：唤醒在此 Condition 对象上等待的单个线程。如果有多个，则会随机唤醒一个。

signalAll()：唤醒在此 Condition 对象上等待的所有线程。

例：经典问题：三个线程依次打印10次ABC，代码示例如下：

class Print {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition conditionA = lock.newCondition();
    private Condition conditionB = lock.newCondition();
    private Condition conditionC = lock.newCondition();
    private String type = "A"; //内部状态

    /*
     * 方法的基本要求为：
     * 1、该方法必须为原子的。
     * 2、当前状态必须满足条件。若不满足，则等待；满足，则执行业务代码。
     * 3、业务执行完毕后，修改状态，并唤醒指定条件下的线程。
     */
    public void printA() {
        lock.lock(); //锁，保证了线程安全。
        try {
            while (type != "A") { //type不为A，
                try {
                    conditionA.await(); //将当前线程阻塞于conditionA对象上，将被阻塞。
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            //type为A，则执行。
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在打印A");
            type = "B"; //将type设置为B。
            conditionB.signal(); //唤醒在等待conditionB对象上的一个线程。将信号传递出去。
        } finally {
            lock.unlock(); //解锁
        }
    }

    public void printB() {
        lock.lock(); //锁
        try {
            while (type != "B") { //type不为B，
                try {
                    conditionB.await(); //将当前线程阻塞于conditionB对象上，将被阻塞。
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            //type为B，则执行。
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在打印B");
            type = "C"; //将type设置为C。
            conditionC.signal(); //唤醒B
        } finally {
            lock.unlock(); //解锁
        }
    }

    public void printC() {
        lock.lock(); //锁
        try {
            while (type != "C") {
                try {
                    conditionC.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在打印C");
            type = "A";
            conditionA.signal();    //唤醒A
        } finally {
            lock.unlock(); //解锁
        }
    }
}


public class Test{

    public static void main(String[] args) {
        final Business business = new Business();//业务对象。

        //线程1号，打印10次A。
        Thread ta = new Thread(()-> {

                for(int i=0;i<10;i++){
                    business.printA();
                }
        });

        //线程2号，打印10次B。
        Thread tb = new Thread(()-> {

                for(int i=0;i<10;i++){
                    business.printB();
                }
        });

        //线程3号，打印10次C。
        Thread tc = new Thread(()-> {

                for(int i=0;i<10;i++){
                    business.printC();
                }
        });

        //执行3条线程。
        ta.start();
        tb.start();
        tc.start();
    }
}

5.3 阻塞队列 BlockingQueue

Java 5 提供了一个 BlockingQueue 接口，作为线程同步的工具。

BlockingQueue 具有一个特征：当生产者线程试图向 BlockingQueue 中放入元素时，如果该队列已满，则该线程被阻塞；当消费者线程试图从 BlockingQueue 中取出元素时，如果该队列为空，则该线程被阻塞。

程序的两个线程通过交替向 BlockingQueue 中放入元素、取出元素，即可很好地控制线程的通信。

BlockingQueue 提供了如下两个支持阻塞的方法：

put(E e)：尝试把 E 元素插入 BlockingQueue 尾部，如果该队列已满，则阻塞该线程。

take()：尝试从 BlockingQueue 的头部取出元素，如果该队列的元素已空，则阻塞该线程。

代码例子：

public class BlockingQueueTest{
  public static void main(String[] args) throws Excption{
    // 定义一个长度为 2 的阻塞队列
    BlockingQueue<String> bq = new ArrayBlockingQueue<>(2);
    bq.put("Java");	// 将 "Java" 放入 bq
    bq.put("Spring"); // 将 "Spring" 放入 bq
    bq.put("JDBC");	// 阻塞线程（且 "JDBC" 不会被放入）
    Stirng str = bq.take(); // "Java" 被取出
  }
}

6. 线程池

系统启动一个新线程的成本是比较高的，因为涉及与操作系统交互。使用线程池可以很好地提高性能，尤其是当程序需要创建大量生存期很短的线程时，更应该考虑线程池。

与数据库连接池相类似，线程池在系统启动时即创建大量空闲的线程，程序将一个 Runnable 对象或 Callable 对象传给线程池，线程池就会启动一个线程来执行他们的 run() 或 call() 方法，当 run() 或 call() 方法执行结束后，该线程不会死亡，而是再次返回线程池中成为空闲状态。

6.1 四种常见的线程池

1. Executors.newCacheThreadPool()：可缓存线程池，先查看池中有没有以前建立的线程，如果有，就直接使用。如果没有，就建一个新的线程加入池中，缓存型池子通常用于执行一些生存期很短的异步型任务；
2. Executors.newFixedThreadPool(int n)：创建一个可重用的、固定线程数的线程池；
3. Executors.newSingleThreadExecutor()：创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。
4. Executors.newScheduledThreadPool(int corePoolSize)：创建一个指定线程数的线程池，它可以在指定延迟时间间隔后再执行线程任务；

上面的前三个方法返回一个 ExecutorService 对象，该对象代表一个线程池，可以执行 Runnable 对象或 Callable 对象所代表的线程；而第 4 个方法返回一个 ScheduledExecutorService 对象，它是 ExecutorService 对象的子类，可以在指定延迟后执行线程任务。

前三个方法的代码例子：

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个可重用的、数量为6的线程池
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(6);
        // 创建一个可缓存线程池
//        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
        //创建一个只有单线程的线程池
//        ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();

        // Runnable 对象
        Runnable target = () -> {
            for (int i = 0; i < 21; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" " + i);
            }
        };

        // ExecutorService对象的 submit() 方法接收一个 Runnable 对象交给线程池，执行其 run() 方法；
        // 也可以接收 Callable 对象，执行其 call() 方法
        pool.submit(target);
        pool.submit(target);

        // 关闭线程池。会在全部线程任务执行完成后再关闭
        pool.shutdown();
    }
}

newScheduledThreadPool(int corePoolSize) 方法的代码例子：

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个数量为3的 ScheduledExecutorService 线程池
        ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(3);

      	// Runnable 对象
        Runnable target = () -> {
            for (int i = 0; i < 21; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" " + i);
            }
        };

        // ScheduledExecutorService 对象的 schedule() 方法可接收 Runnable 或 Callable 对象
        // 并指定延迟时间。以下代码会在 2 秒后再执行所以线程
        pool.schedule(target,1, TimeUnit.SECONDS);
      	pool.schedule(target,1, TimeUnit.SECONDS);

        // 关闭线程池。会在全部线程任务执行完成后再关闭
        pool.shutdown();
    }
}