Java 多线程编程

Java 多线程编程
Java 给多线程编程提供了内置的支持。一个多线程程序包含两个或多个能并发运行的部分。程序的每一部分都称作一个线程，并且每个线程定义了一个独立的执行路径。
多线程是多任务的一种特别的形式，但多线程使用了更小的资源开销。

这里定义和线程相关的另一个术语:

进程：一个进程包括由操作系统分配的内存空间，包含一个或多个线程。一个线程不能独立的存在，它必须是进程的一部分。一个进程一直运行，直到所有的非守候线程都结束运行后才能结束。
进程和线程的区别:
1.进程：每个进程都有独立的代码和数据空间（进程上下文），进程间的切换会有较大的开销，一个进程包含1--n个线程。
2.线程：同一类线程共享代码和数据空间，每个线程有独立的运行栈和程序计数器(PC)，线程切换开销小。
3.线程和进程一样分为五个阶段：创建、就绪、运行、阻塞、终止。
4.多进程是指操作系统能同时运行多个任务（程序）。
5.多线程是指在同一程序中有多个顺序流在执行。

Java提供了三种创建线程的方法：
1.通过实现 Runnable 接口
2.通过继承 Thread 类本身
3.通过 Callable 和 Future 创建线程

一个线程的生命周期

1、新建状态（New）：新创建了一个线程对象。
2、就绪状态（Runnable）：线程对象创建后，其他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，变得可运行，等待获取CPU的使用权。
3、运行状态（Running）：就绪状态的线程获取了CPU，执行程序代码。
4、阻塞状态（Blocked）：阻塞状态是线程因为某种原因放弃CPU使用权，暂时停止运行。直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。阻塞的情况分三种：
（一）、等待阻塞：运行的线程执行wait()方法，JVM会把该线程放入等待池中。
（二）、同步阻塞：运行的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则JVM会把该线程放入锁池中。
（三）、其他阻塞：运行的线程执行sleep()或join()方法，或者发出了I/O请求时，JVM会把该线程置为阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时，线程重新转入就绪状态。
5、死亡状态（Dead）：线程执行完了或者因异常退出了run()方法，该线程结束生命周期。

线程的优先级
每一个 Java 线程都有一个优先级，这样有助于操作系统确定线程的调度顺序。
Java 线程的优先级是一个整数，其取值范围是 1 （Thread.MIN_PRIORITY ） - 10 （Thread.MAX_PRIORITY ）。
默认情况下，每一个线程都会分配一个优先级 NORM_PRIORITY（5）。
具有较高优先级的线程对程序更重要，并且应该在低优先级的线程之前分配处理器资源。但是，线程优先级不能保证线程执行的顺序，而且非常依赖于平台。
Thread类有以下三个静态常量：
static int MAX_PRIORITY:线程可以具有的最高优先级，取值为10。
static int MIN_PRIORITY:线程可以具有的最低优先级，取值为1。
static int NORM_PRIORITY:分配给线程的默认优先级，取值为5。
Thread类的setPriority()和getPriority()方法分别用来设置和获取线程的优先级。
每个线程都有默认的优先级。主线程的默认优先级为Thread.NORM_PRIORITY。
线程的优先级有继承关系，比如A线程中创建了B线程，那么B将和A具有相同的优先级。

常用函数说明
①sleep(long millis): 在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠（暂停执行）。使线程转到阻塞状态。millis参数设定睡眠的时间，以毫秒为单位。当睡眠结束后，就转为就绪（Runnable）状态。
②join():指等待t线程终止。join是Thread类的一个方法，启动线程后直接调用，即join()的作用是：“等待该线程终止”，这里需要理解的就是该线程是指的主线程等待子线程的终止。也就是在子线程调用了join()方法后面的代码，只有等到子线程结束了才能执行。
为什么要用join()方法？
在很多情况下，主线程生成并起动了子线程，如果子线程里要进行大量的耗时的运算，主线程往往将于子线程之前结束，但是如果主线程处理完其他的事务后，需要用到子线程的处理结果，也就是主线程需要等待子线程执行完成之后再结束，这个时候就要用到join()方法了。
③yield():暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。Thread.yield()方法作用是：暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。
yield()应该做的是让当前运行线程回到可运行状态，以允许具有相同优先级的其他线程获得运行机会。因此，使用yield()的目的是让相同优先级的线程之间能适当的轮转执行。但是，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。
结论：yield()从未导致线程转到等待/睡眠/阻塞状态。在大多数情况下，yield()将导致线程从运行状态转到可运行状态，但有可能没有效果。
sleep()和yield()的区别：
sleep()和yield()的区别):sleep()使当前线程进入停滞状态，所以执行sleep()的线程在指定的时间内肯定不会被执行；yield()只是使当前线程重新回到可执行状态，所以执行yield()的线程有可能在进入到可执行状态后马上又被执行。
sleep 方法使当前运行中的线程睡眼一段时间，进入不可运行状态，这段时间的长短是由程序设定的，yield 方法使当前线程让出 CPU 占有权，但让出的时间是不可设定的。实际上，yield()方法对应了如下操作：先检测当前是否有相同优先级的线程处于同可运行状态，如有，则把 CPU  的占有权交给此线程，否则，继续运行原来的线程。所以yield()方法称为“退让”，它把运行机会让给了同等优先级的其他线程。
另外，sleep 方法允许较低优先级的线程获得运行机会，但 yield()  方法执行时，当前线程仍处在可运行状态，所以，不可能让出较低优先级的线程些时获得 CPU 占有权。在一个运行系统中，如果较高优先级的线程没有调用 sleep 方法，又没有受到 IO 阻塞，那么，较低优先级线程只能等待所有较高优先级的线程运行结束，才有机会运行。
④setPriority(): 更改线程的优先级。
用法：
Thread4 t1 = new Thread4("t1");
Thread4 t2 = new Thread4("t2");
t1.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
t2.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
⑤interrupt():中断某个线程，这种结束方式比较粗暴，如果t线程打开了某个资源还没来得及关闭也就是run方法还没有执行完就强制结束线程，会导致资源无法关闭。要想结束进程最好的办法就是用sleep()函数的例子程序里那样，在线程类里面用以个boolean型变量来控制run()方法什么时候结束，run()方法一结束，该线程也就结束了。
⑥wait()：Obj.wait()，与Obj.notify()必须要与synchronized(Obj)一起使用，也就是wait,与notify是针对已经获取了Obj锁进行操作，从语法角度来说就是Obj.wait(),Obj.notify必须在synchronized(Obj){...}语句块内。从功能上来说wait就是说线程在获取对象锁后，主动释放对象锁，同时本线程休眠。直到有其它线程调用对象的notify()唤醒该线程，才能继续获取对象锁，并继续执行。相应的notify()就是对对象锁的唤醒操作。但有一点需要注意的是notify()调用后，并不是马上就释放对象锁的，而是在相应的synchronized(){}语句块执行结束，自动释放锁后，JVM会在wait()对象锁的线程中随机选取一线程，赋予其对象锁，唤醒线程，继续执行。这样就提供了在线程间同步、唤醒的操作。Thread.sleep()与Object.wait()二者都可以暂停当前线程，释放CPU控制权，主要的区别在于Object.wait()在释放CPU同时，释放了对象锁的控制。

wait和sleep区别：
共同点：
1. 他们都是在多线程的环境下，都可以在程序的调用处阻塞指定的毫秒数，并返回。
2. wait()和sleep()都可以通过interrupt()方法 打断线程的暂停状态 ，从而使线程立刻抛出InterruptedException。
如果线程A希望立即结束线程B，则可以对线程B对应的Thread实例调用interrupt方法。如果此刻线程B正在wait/sleep /join，则线程B会立刻抛出InterruptedException，在catch() {} 中直接return即可安全地结束线程。
需要注意的是，InterruptedException是线程自己从内部抛出的，并不是interrupt()方法抛出的。对某一线程调用interrupt()时，如果该线程正在执行普通的代码，那么该线程根本就不会抛出InterruptedException。但是，一旦该线程进入到 wait()/sleep()/join()后，就会立刻抛出InterruptedException 。
不同点：
1. Thread类的方法：sleep(),yield()等。Object的方法：wait()和notify()等
2. 每个对象都有一个锁来控制同步访问。Synchronized关键字可以和对象的锁交互，来实现线程的同步。
sleep方法没有释放锁，而wait方法释放了锁，使得其他线程可以使用同步控制块或者方法。
3. wait，notify和notifyAll只能在同步控制方法或者同步控制块里面使用，而sleep可以在任何地方使用
4. sleep必须捕获异常，而wait，notify和notifyAll不需要捕获异常
所以sleep()和wait()方法的最大区别是：
sleep()睡眠时，保持对象锁，仍然占有该锁；
而wait()睡眠时，释放对象锁。
但是wait()和sleep()都可以通过interrupt()方法打断线程的暂停状态，从而使线程立刻抛出InterruptedException（但不建议使用该方法）。

常见线程名词解释
主线程：JVM调用程序main()所产生的线程。
当前线程：这个是容易混淆的概念。一般指通过Thread.currentThread()来获取的进程。
后台线程：指为其他线程提供服务的线程，也称为守护线程。JVM的垃圾回收线程就是一个后台线程。用户线程和守护线程的区别在于，是否等待主线程依赖于主线程结束而结束
前台线程：是指接受后台线程服务的线程，其实前台后台线程是联系在一起，就像傀儡和幕后操纵者一样的关系。傀儡是前台线程、幕后操纵者是后台线程。由前台线程创建的线程默认也是前台线程。可以通过isDaemon()和setDaemon()方法来判断和设置一个线程是否为后台线程。

线程类的一些常用方法：
sleep(): 强迫一个线程睡眠Ｎ毫秒。
isAlive(): 判断一个线程是否存活。
join(): 等待线程终止。
activeCount(): 程序中活跃的线程数。
enumerate(): 枚举程序中的线程。
currentThread(): 得到当前线程。
isDaemon(): 一个线程是否为守护线程。
setDaemon(): 设置一个线程为守护线程。(用户线程和守护线程的区别在于，是否等待主线程依赖于主线程结束而结束)
setName(): 为线程设置一个名称。
wait(): 强迫一个线程等待。
notify(): 通知一个线程继续运行。
setPriority(): 设置一个线程的优先级。

线程同步
1、synchronized关键字的作用域有二种：
1）是某个对象实例内，synchronized aMethod(){}可以防止多个线程同时访问这个对象的synchronized方法（如果一个对象有多个synchronized方法，只要一个线程访问了其中的一个synchronized方法，其它线程不能同时访问这个对象中任何一个synchronized方法）。这时，不同的对象实例的synchronized方法是不相干扰的。也就是说，其它线程照样可以同时访问相同类的另一个对象实例中的synchronized方法；
2）是某个类的范围，synchronized static aStaticMethod{}防止多个线程同时访问这个类中的synchronized static 方法。它可以对类的所有对象实例起作用。
2、除了方法前用synchronized关键字，synchronized关键字还可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。用法是: synchronized(this){/*区块*/}，它的作用域是当前对象；
3、synchronized关键字是不能继承的，也就是说，基类的方法synchronized f(){} 在继承类中并不自动是synchronized f(){}，而是变成了f(){}。继承类需要你显式的指定它的某个方法为synchronized方法。
总的说来，synchronized关键字可以作为函数的修饰符，也可作为函数内的语句，也就是平时说的同步方法和同步语句块。如果再细的分类，synchronized可作用于instance变量、object reference（对象引用）、static函数和class literals(类名称字面常量)身上。
需要明确几点：
A．无论synchronized关键字加在方法上还是对象上，它取得的锁都是对象，而不是把一段代码或函数当作锁――而且同步方法很可能还会被其他线程的对象访问。
B．每个对象只有一个锁（lock）与之相关联。
C．实现同步是要很大的系统开销作为代价的，甚至可能造成死锁，所以尽量避免无谓的同步控制。

线程数据传递
1.通过构造方法传递数据：
在创建线程时，必须要建立一个Thread类的或其子类的实例。因此，我们不难想到在调用start方法之前通过线程类的构造方法将数据传入线程。并将传入的数据使用类变量保存起来，以便线程使用(其实就是在run方法中使用)。
由于这种方法是在创建线程对象的同时传递数据的，因此，在线程运行之前这些数据就就已经到位了，这样就不会造成数据在线程运行后才传入的现象。如果要传递更复杂的数据，可以使用集合、类等数据结构。使用构造方法来传递数据虽然比较安全，但如果要传递的数据比较多时，就会造成很多不便。由于Java没有默认参数，要想实现类似默认参数的效果，就得使用重载，这样不但使构造方法本身过于复杂，又会使构造方法在数量上大增。因此，要想避免这种情况，就得通过类方法或类变量来传递数据。
2.通过变量和方法传递数据：
向对象中传入数据一般有两次机会，第一次机会是在建立对象时通过构造方法将数据传入，另外一次机会就是在类中定义一系列的public的方法或变量（也可称之为字段）。然后在建立完对象后，通过对象实例逐个赋值。
3.通过回调函数传递数据

通过 Callable 和 Future 创建线程
1. 创建 Callable 接口的实现类，并实现 call() 方法，该 call() 方法将作为线程执行体，并且有返回值。
2. 创建 Callable 实现类的实例，使用 FutureTask 类来包装 Callable 对象，该 FutureTask 对象封装了该 Callable 对象的 call() 方法的返回值。
3. 使用 FutureTask 对象作为 Thread 对象的 target 创建并启动新线程。
4. 调用 FutureTask 对象的 get() 方法来获得子线程执行结束后的返回值。

创建线程的三种方式的对比
1. 采用实现 Runnable、Callable 接口的方式创见多线程时，线程类只是实现了 Runnable 接口或 Callable 接口，还可以继承其他类。
2. 使用继承 Thread 类的方式创建多线程时，编写简单，如果需要访问当前线程，则无需使用 Thread.currentThread() 方法，直接使用 this 即可获得当前线程。