【JavaSE】多线程与并发编程（总结）

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目录

• 一、多线程概述
  • 进程与线程
  • 并行与并发
  • 线程安全问题
  • 共享内存不可见性问题
  • synchronized 的内存语义：
  • Volatile的理解：
• 二、实现多线程
  • 方式1：继承Thread类
  • 方式2：实现Runnable接口
  • 方式3：实现Callable接口，线程池
• 三、线程安全问题
  • synchronized
  • Lock类
  • 线程安全的集合
• 四、练习案例
  • 两种匿名内部类方式创建线程
  • 简单面试题 01
  • 回顾集合和IO的面试题

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一、多线程概述

参考：https://www.cnblogs.com/zsql/p/11144688.html

进程与线程

进程与线程的区别

1. 线程是程序执行的最小单位，而进程是操作系统分配资源的最小单位

2. 一个进程由一个或多个线程组成，线程是一个进程中代码的不同执行路线

3. 进程之间相互独立，但同一进程下的各个线程之间共享程序的内存空间 (包括代码段，数据集，堆等) 及一些进程级的资源(如打开文件和信号等)，某进程内的线程在其他进程不可见

4. 调度和切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多

线程(栈+PC+TLS)

• 栈:用于存储该线程的局部变量，这些局部变量是该线程私有的，除此之外还用来存放线程的调用栈祯。
  我们通常都是说调用堆栈，其实这里的堆是没有含义的，调用堆栈就是调用栈的意思。
  那么我们的栈里面有什么呢？
  我们从主线程的入口main函数，会不断的进行函数调用，
  每次调用的时候，会把所有的参数和返回地址压入到栈中。

• PC：是一块内存区域，用来记录线程当前要执行的指令地址 。
  Program Counter 程序计数器，操作系统真正运行的是一个个的线程，
  而我们的进程只是它的一个容器。PC就是指向当前的指令，而这个指令是放在内存中。
  每个线程都有一串自己的指针，去指向自己当前所在内存的指针。
  计算机绝大部分是存储程序性的，说的就是我们的数据和程序是存储在同一片内存里的
  这个内存中既有我们的数据变量又有我们的程序。所以我们的PC指针就是指向我们的内存的。

• 缓冲区溢出
  例如我们经常听到一个漏洞：缓冲区溢出
  这是什么意思呢？
  例如：我们有个地方要输入用户名，本来是用来存数据的地方。
  然后黑客把数据输入的特别长。这个长度超出了我们给数据存储的内存区，这时候跑到了
  我们给程序分配的一部分内存中。黑客就可以通过这种办法将他所要运行的代码
  写入到用户名框中，来植入进来。我们的解决方法就是，用用户名的长度来限制不要超过
  用户名的缓冲区的大小来解决。

• TLS:
  全称：thread local storage
  之前我们看到每个进程都有自己独立的内存，这时候我们想，我们的线程有没有一块独立的内存呢?答案是有的，就是TLS。
  可以用来存储我们线程所独有的数据。
  可以看到：线程才是我们操作系统所真正去运行的，而进程呢，则是像容器一样他把需要的一些东西放在了一起，而把不需要的东西做了一层隔离，进行隔离开来。

并行与并发

并发：是指同一个时间段内多个任务同时都在执行，并且都没有执行结束。并发任务强调在一个时间段内同时执行，而一个时间段由多个单位时间累积而成，所以说并发的多个任务在单位时间内不一定同时在执行 。

并行：同一时刻上多个任务同时在执行 。

在多线程编程实践中，线程的个数往往多于CPU的个数，所以一般都称多线程并发编程而不是多线程并行编程。

线程安全问题

多个线程同时操作共享变量1时，会出现线程1更新共享变量1的值，但是其他线程获取到的是共享变量没有被更新之前的值。就会导致数据不准确问题。

共享内存不可见性问题

1. Java 内存模型规定，将所有的变量都存放在主内存中，当线程使用变量时，会把主内存里面的变量复制到自己的工作空间或者叫作工作内存，线程读写变量时操作的是自己工作内存中的变量 。（如下图所示）

上图中所示是一个双核 CPU 系统架构，每个核有自己的控制器和运算器，其中控制器包含一组寄存器和操作控制器，运算器执行算术逻辅运算。CPU的每个核都有自己的一级缓存，在有些架构里面还有一个所有CPU都共享的二级缓存。 那么Java内存模型里面的工作内存，就对应这里的 Ll或者 L2 缓存或者 CPU 的寄存器

1. 线程A首先获取共享变量X的值，由于两级Cache都没有命中，所以加载主内存中X的值，假如为0。然后把X=0的值缓存到两级缓存，线程A修改X的值为1,然后将其写入两级Cache，并且刷新到主内存。线程A操作完毕后，线程A所在的CPU的两级Cache内和主内存里面的X的值都是1。

2. 线程B获取X的值，首先一级缓存没有命中，然后看二级缓存，二级缓存命中了，所以返回X=1；到这里一切都是正常的，因为这时候主内存中也是X=l。然后线程B修改X的值为2，并将其存放到线程2所在的一级Cache和共享二级Cache中，最后更新主内存中X的值为2，到这里一切都是好的。

3. 线程A这次又需要修改X的值，获取时一级缓存命中，并且X=l这里问题就出现了，明明线程B已经把X的值修改为2，为何线程A获取的还是l呢？这就是共享变量的内存不可见问题，也就是线程B写入的值对线程A不可见。

synchronized 的内存语义：

这个内存语义就可以解决共享变量内存可见性问题。进入synchronized块的内存语义是把在synchronized块内使用到的变量从线程的工作内存中清除，这样在synchronized块内使用到该变量时就不会从线程的工作内存中获取，而是直接从主内存中获取。退出synchronized块的内存语义是把在synchronized块内对共享变量的修改刷新到主内存。会造成上下文切换的开销，独占锁，降低并发性

Volatile的理解：

该关键字可以确保对一个变量的更新对其他线程马上可见。当一个变量被声明为volatile时，线程在写入变量时不会把值缓存在寄存器或者其他地方，而是会把值刷新回主内存。当其他线程读取该共享变量时－，会从主内存重新获取最新值，而不是使用当前线程的工作内存中的值。volatile的内存语义和synchronized有相似之处，具体来说就是，当线程写入了volatile变量值时就等价于线程退出synchronized同步块（把写入工作内存的变量值同步到主内存），读取volatile变量值时就相当于进入同步块（先清空本地内存变量值，再从主内存获取最新值）。不能保证原子性

二、实现多线程

方式1：继承Thread类

需求：我们要实现多线程的程序。 如何实现呢？

由于线程是依赖进程而存在的，所以我们应该先创建一个进程出来。
而进程是由系统创建的，所以我们应该去调用系统功能创建一个进程。

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Java是不能直接调用系统功能的，所以，我们没有办法直接实现多线程程序。 但是呢？ Java可以去调用C / C++写好的程序来实现多线程程序。

由C/C++去调用系统功能创建进程，然后由Java去调用这祥的API， 然后提供一些类供我们使用。我们就可以实现多线程程序了。


那么Java提供的类是什么呢？

• Thread类
  步骤
• A : 自定义类MyThread继承Thread
• B : 重写run () 方法
  • 为什么是run ()方法呢？
• C :创建对象
• D : 启动线程

注意：单独调用 run() 方法其实和调用一个类的普通方法是没有区别的，要想启动线程实际上应该调用的是 start() 方法，这是为什么呢？

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start() 和 run() 的区别？

• start() :
  使该线程开始执行；Java 虚拟机调用该线程的 run() 方法。
  用start方法来启动线程，真正实现了多线程运行，这时无需等待run方法体中的代码执行完毕而直接继续执行后续的代码。通过调用Thread类的 start()方法来启动一个线程，这时此线程处于就绪（可运行）状态，并没有运行，一旦得到cpu时间片，就开始执行run()方法，这里的run()方法 称为线程体，它包含了要执行的这个线程的内容，Run方法运行结束，此线程随即终止。

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• run() :
  如果该线程是使用独立的 Runnable 运行对象构造的，则调用该 Runnable 对象的 run 方法；否则，该方法不执行任何操作并返回。
  Thread 的子类应该重写该方法。
  run()方法只是类的一个普通方法而已，如果直接调用Run方法，程序中依然只有主线程这一个线程，其程序执行路径还是只有一条，还是要顺序执行，还是要等待run方法体执行完毕后才可继续执行下面的代码，这样就没有达到写线程的目的。

总结：


两个小问题

• 为什么要重写 run()方法？
  • 因为run()是用来封装被线程执行的代码
• run() 方法和 start() 方法的区别？
  • run()：封装线程执行的代码，直接调用，相当于普通方法的调用
  • start()：启动线程；然后由JVM调用此线程的run()方法

创建自定义线程代码：

//定义一个线程类
public class MyThread extends Thread {
  @Override
  public void run() {
    for(int i=0; i<100; i++) {
      System.out.println(i);
   }
 }
}

//调用方法执行线程
public class MyThreadDemo {
  public static void main(String[] args) {
    MyThread my1 = new MyThread();
    MyThread my2 = new MyThread();
//    my1.run();
//    my2.run();
    //void start() 导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法
    my1.start();

匿名内部类的方式创建一个线程

new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("多线程");
    }
}).start();

获取和设置线程对象名称

//void setName(String name)：将此线程的名称更改为等于参数 name
    my1.setName("高铁");
    my2.setName("飞机");
    
    
    
    //Thread(String name)
    MyThread my1 = new MyThread("高铁");
    MyThread my2 = new MyThread("飞机");
    
    
    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    
    

线程优先级

线程控制

等待线程死亡

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args)  {
        ThreadDemo th1=new ThreadDemo();
        ThreadDemo th2=new ThreadDemo();
        ThreadDemo th3=new ThreadDemo();

        th1.setName("康熙");
        th2.setName("四阿哥");
        th3.setName("八阿哥");

        th1.start();
        try {
            th1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        //下面的两个线程会等待康熙线程死亡以后才开始执行
        th2.start();
        th2.start();
    }
}

守护线程

th1.setName("刘备");
th2.setName("张飞");
th3.setName("关羽");

th2.setDaemon(true);
th3.setDaemon(true);

th2.start();
th3.start();
th1.start();
//th2、th3 在th1死亡时，也会跟着死亡

礼让线程

/*

 * public static void yield():暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。

 * 让多个线程的执行更和谐，但是不能靠它保证一人一次。

 */
public class ThreadYield extends Thread{

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++){
            System.out.println(getName() + ":" + i);

            Thread.yield();//暂停当前正在执行的线程对象
        }
    }
}

public class TreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadYield th1 = new ThreadYield();
        ThreadYield th2 = new ThreadYield();
        th1.setName("呵呵");
        th2.setName("哈哈");

        th1.start();
        th2.start();
    }
}

JOJO:0
林青霞:0
JOJO:1
林青霞:1
JOJO:2
林青霞:2
JOJO:3
林青霞:3
JOJO:4
林青霞:4
JOJO:5
林青霞:5
JOJO:6
林青霞:6
JOJO:7
林青霞:7
林青霞:8
JOJO:8
林青霞:9
JOJO:9
林青霞:10
JOJO:10
林青霞:11
JOJO:11
林青霞:12
JOJO:12
林青霞:13
林青霞:14
JOJO:13
林青霞:15
JOJO:14
JOJO:15
林青霞:16
JOJO:16
林青霞:17
JOJO:17
JOJO:18
林青霞:18
JOJO:19
林青霞:19

Process finished with exit code 0

中断线程
stop() 中断线程很暴力，后面的程序都不走了

public boolean isInterrupted()

public void interrupt()

public static boolean interrupted()

线程的生命周期

方式2：实现Runnable接口

多线程的实现方案有两种

• 继承 Thread类
• 实现 Runnable接口
  相比继承 Thread类，实现Runnable接口的好处
• 避免了 Java单继承的局限性
• 适合多个相同程序的代码去处理同一个资源的情况，把线程和程序的代码、数据有效分离，较好的体现了面向对象的设计思想

 MyRunnable runnable = new MyRunnable();
        Thread th1 = new Thread(runnable,"线程一");
        Thread th2 = new Thread(runnable,"线程二");

        th1.start();
        th2.start();

/**
 * 自定义runnable接口，
 */
public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("自定义runnable接口下的run()方法执行了...");
    }
}

方式3：实现Callable接口，线程池

三、线程安全问题

安全问题出现的条件

• 是多线程环境
• 有共享数据
• 有多条语句操作共享数据

同步的好处和弊端

• 好处：解决了多线程的数据安全问题
• 弊端：当线程很多时，因为每个线程都会去判断同步上的锁，这是很耗费资源的，无形中会降低程序的运行效率

怎么实现呢 ?

• 把多条语句操作共享数据的代码给锁起来，让任意时刻只能有一个线程执行即可
• Java 提供了同步代码块的方式来解决

synchronized

方式一：synchronized 同步代码块

Object obj=new Object();

synchronized (obj) {
多条语句操作共享数据的代码
}

Lock类

方式二：Lock类

• Lock是接口不能直接实例化，这里采用它的实现类ReentrantLock来实例化
• 使用try....finally代码块来包裹

private int ticket=100;
private Lock lock=new ReentrantLock();


@Override
public void run() {

    while (true) {

       try {
           lock.lock();
           if (ticket > 0) {
               try {
                   Thread.sleep(100);
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖票" + ticket);
               ticket--;
           }
       }finally {
           lock.unlock();
       }

线程安全的集合

回顾：StringBuffer、Vector、Hashtable集合

四、练习案例

两种匿名内部类方式创建线程

public class TreadDemo02 {
    public static void main(String[] args) {
        // 继承Thread类实现多线程
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i<20;i++){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Thread : " + i);
                }
            }
        }.start();

        // 实现Runnable接口实现多线程
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i<20;i++){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Runnable : " + i);
                }
            }
        }){
            //thread子类
        }.start();
    }
}

简单面试题 01

1:多线程有几种实现方案，分别是哪几种?
两种。

继承Thread类
实现Runnable接口

扩展一种：实现Callable接口。这个得和线程池结合。

2:同步有几种方式，分别是什么?
两种。

同步代码块
同步方法

3:启动一个线程是run()还是start()?它们的区别?
start();

run():封装了被线程执行的代码,直接调用仅仅是普通方法的调用
start():启动线程，并由JVM自动调用run()方法

4:sleep()和wait()方法的区别

sleep():必须指时间;不释放锁。
wait():可以不指定时间，也可以指定时间;释放锁。

5:为什么wait(),notify(),notifyAll()等方法都定义在Object类中

因为这些方法的调用是依赖于锁对象的，而同步代码块的锁对象是任意锁。
而Object代码任意的对象，所以，定义在这里面。

回顾集合和IO的面试题

集合：
1: HashMap和Hashtable的区别。

2:Collection 和 Collections的区别。

3: List, Set, Map是否继承自Collection接口?

4:说出ArrayList,Vector, LinkedList的存储性能和特性？

5:你所知道的集合类都有哪些？主要方法？

IO：
1: java中有几种类型的流？JDK为每种类型的流提供了一些抽象类以供继承，请说出他们分别是哪些类？

2:什么是java序列化，如何实现java序列化？