JavaSE学习笔记（三十一）—— 多线程(上)

一、多线程概述

1.1 多线程引入

　　如果程序只有一条执行路径，那么该程序就是一个单线程程序。

　　如果程序有多条执行路径，那么该程序就是一个多线程程序。举例：扫雷程序、迅雷下载。

1.2 进程以及多进程的意义

　　要想了解多线程，必须先了解线程，而要想了解线程，必须先了解进程，因为线程是依赖于进程而存在。 

【什么是进程】

　　通过任务管理器我们就看到了进程的存在。而通过观察，我们发现只有运行的程序才会出现进程。所以：
　　进程就是正在运行的程序。
　　进程是系统进行资源分配和调用的独立单位。每一个进程都有它自己的内存空间和系统资源。

【多进程有什么意义】

　　单进程的计算机只能做一件事情，而我们现在的计算机都可以做多件事情。
　　　　举例：一边玩游戏(游戏进程)，一边听音乐(音乐进程)。
　　也就是说现在的计算机都是支持多进程的，可以在一个时间段内执行多个任务。并且呢，可以提高CPU的使用率。

【问题】
　　一边玩游戏，一边听音乐是同时进行的吗?
　　不是。因为单CPU在某一个时间点上只能做一件事情。而我们在玩游戏，或者听音乐的时候，是CPU在做着程序间的高效切换让我们觉得是同时进行的。

1.3 线程以及多线程的意义

【什么是线程】

　　在同一个进程内又可以执行多个任务，而这每一个任务我就可以看成是一个线程。
　　线程：是程序的执行单元，执行路径。是程序使用CPU的最基本单位。
　　单线程：如果程序只有一条执行路径。
　　多线程：如果程序有多条执行路径。

【多线程有什么意义】

　　多线程的存在，不是提高程序的执行速度。其实是为了提高应用程序的使用率。
　　程序的执行其实都是在抢CPU的资源，CPU的执行权。
　　多个进程是在抢这个资源，而其中的某一个进程如果执行路径比较多，就会有更高的几率抢到CPU的执行权。我们是不敢保证哪一个线程能够在哪个时刻抢到，所以线程的执行有随机性。

　　多线程会给我们产生一个错觉：让我们认为多个线程是并发执行的。其实不是。
　　因为多个线程共享同一个进程的资源(堆内存和方法区)，但是栈内存是独立的，一个线程一个栈。所以他们仍然是在抢CPU的资源执行。一个时间点上只有能有一个线程执行。而且谁抢到，这个不一定，所以，造成了线程运行的随机性。

1.4 并发和并行

　　前者是逻辑上同时发生，指在某一个时间内同时运行多个程序。

　　后者是物理上同时发生，指在某一个时间点同时运行多个程序。

　　那么，我们能不能实现真正意义上的并发呢，是可以的，多个CPU就可以实现，不过你得知道如何调度和控制它们。

1.5 Java程序的运行原理

　　java 命令会启动 java 虚拟机，启动 JVM，等于启动了一个应用程序，也就是启动了一个进程。该进程会自动启动一个 “主线程” ，然后主线程去调用某个类的 main 方法。所以 main方法运行在主线程中。在此之前的所有程序都是单线程的。

【思考】

　　jvm虚拟机的启动是单线程的还是多线程的?

　　多线程的。原因是垃圾回收线程也要先启动，否则很容易会出现内存溢出。现在的垃圾回收线程加上前面的主线程，最低启动了两个线程，所以，jvm的启动其实是多线程的。

二、多线程的实现方案

　　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。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去调用这样的东西，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。通过查看API，我们知道了有2种方式实现多线程程序：继承Thread类或实现Runnable接口。

2.1 继承Thread类

【步骤】

1. 自定义类MyThread继承Thread类。
2. MyThread类里面重写run()
3. 创建对象
4. 启动线程

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 自己写代码
        // System.out.println("好好学习，天天向上");
        // 一般来说，被线程执行的代码肯定是比较耗时的。所以我们用循环改进
        for (int x = 0; x < 100; x++) {
            System.out.println(x);
        }
    }
}

　　该类要重写run()方法，为什么呢?
　　因为不是类中的所有代码都需要被线程执行的。而这个时候，为了区分哪些代码能够被线程执行，java提供了Thread类中的run()用来包含那些被线程执行的代码。

public class MyThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程对象
        // MyThread my = new MyThread();

        // 启动线程
        // my.run();
        // my.run();
        // 调用run()方法为什么是单线程的呢?
        // 因为run()方法直接调用其实就相当于普通的方法调用,所以你看到的是单线程的效果
        // 要想看到多线程的效果，就必须说说另一个方法：start()

        // my.start();
        // IllegalThreadStateException:非法的线程状态异常
        // 为什么呢?因为这个相当于是my线程被调用了两次。而不是两个线程启动。
        // my.start();

        // 创建两个线程对象
        MyThread my1 = new MyThread();
        MyThread my2 = new MyThread();

        my1.start();
        my2.start();
    }
}

　　run()和start()的区别?

　　run():仅仅是封装被线程执行的代码，直接调用是普通方法

　　start():首先启动了线程，然后再由jvm去调用该线程的run()方法。

2.2 实现Runnable接口(推荐)

【步骤】

1. 自定义类MyRunnable实现Runnable接口
2. 重写run()方法
3. 创建MyRunnable类的对象
4. 创建Thread类的对象，并把3步骤的对象作为构造参数传递

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int x = 0; x < 100; x++) {
            // 由于实现接口的方式就不能直接使用Thread类的方法了,但是可以间接的使用
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + x);
        }
    }
}

public class MyRunnableDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建MyRunnable类的对象
        MyRunnable my = new MyRunnable();

        // 创建Thread类的对象，并把C步骤的对象作为构造参数传递
        // Thread(Runnable target)
        /*Thread t1 = new Thread(my);
        Thread t2 = new Thread(my);

        t1.setName("张三");
        t2.setName("李四");*/

        // Thread(Runnable target, String name)
        Thread t1 = new Thread(my, "张三");
        Thread t2 = new Thread(my, "李四");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

 【问题】

　　有了方式1，为什么还会有方式2呢？实现接口的方式有什么好处？

1. 可以避免由于Java单继承带来的局限性。
2. 适合多个相同程序的代码去处理同一个资源的情况，把线程同程序的代码，数据有效分离，较好的体现了面向对象的设计思想。

　　所以推荐使用方式2。

三、获取和设置线程名称

3.1 如何获取线程对象的名称呢

　　public final String getName():获取线程的名称。

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int x = 0; x < 200; x++) {
            System.out.println(getName() + ":" + x);
        }
    }
}

public class MyThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建两个线程对象
        MyThread my1 = new MyThread();
        MyThread my2 = new MyThread();

        my1.start();
        my2.start();
    }
}

　　运行结果为：

　　

　　名称为什么是：Thread-? 编号

　　可以简单的查看Thread的源码：

class Thread {
    private char name[];

    public Thread() {
        init(null, null, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
    }
    
    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize) {
        init(g, target, name, stackSize, null);
    }
    
     private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc) {
        //大部分代码被省略了
        this.name = name.toCharArray();
    }
    
    public final void setName(String name) {
        this.name = name.toCharArray();
    }
    
    
    private static int threadInitNumber; //0,1,2
    private static synchronized int nextThreadNum() {
        return threadInitNumber++; //return 0,1
    }
    
    public final String getName() {
        return String.valueOf(name);
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public MyThread() {
        super();
    }
}

 　　针对不是Thread类的子类中如何获取线程对象名称呢?  publicstatic Thread currentThread():返回当前正在执行的线程对象

public class MyThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //我要获取main方法所在的线程对象的名称，该怎么办呢?
        //遇到这种情况,Thread类提供了一个很好玩的方法:
        //public static Thread currentThread():返回当前正在执行的线程对象
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());// main
    }
}

3.2 如何设置线程对象的名称

　　public final void setName(String name):设置线程的名称

public class MyThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建两个线程对象
        // 无参构造+setXxx()
        MyThread my1 = new MyThread();
        MyThread my2 = new MyThread();

        // 调用方法设置名称
        my1.setName("张三");
        my2.setName("李四");

        my1.start();
        my2.start();
    }
}

　  

　　也可以带参构造方法给线程起名字，注意MyThread类默认是不提供带参构造的，需要我们手动设置：

public class MyThread extends Thread {
    public MyThread() {
    }

    public MyThread(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int x = 0; x < 200; x++) {
            System.out.println(getName() + ":" + x);
        }
    }
}

public class MyThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建两个线程对象
        // 无参构造+setXxx()
        // MyThread my1 = new MyThread();
        // MyThread my2 = new MyThread();

        // 调用方法设置名称
        // my1.setName("张三");
        // my2.setName("李四");

        // 带参构造方法给线程起名字
        MyThread my1 = new MyThread("张三");
        MyThread my2 = new MyThread("李四");

        my1.start();
        my2.start();
    }
}

四、线程调度

　　假如我们的计算机只有一个 CPU，那么 CPU 在某一个时刻只能执行一条指令，线程只有得到 CPU时间片，也就是使用权，才可以执行指令。那么Java是如何对线程进行调用的呢？

　　线程有两种调度模型：

• 分时调度模型：所有线程轮流使用 CPU 的使用权，平均分配每个线程占用 CPU 的时间片
• 抢占式调度模型：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，优先级高的线程获取的 CPU 时间片相对多一些。　

　　Java使用的是抢占式调度模型。

　　如何获取线程对象的优先级？  public final int getPriority():返回线程对象的优先级

　　如何设置线程对象的优先级？ public final void setPriority(int newPriority)：更改线程的优先级。 

public class ThreadPriority extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int x = 0; x < 100; x++) {
            System.out.println(getName() + ":" + x);
        }
    }
}

public class ThreadPriorityDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadPriority tp1 = new ThreadPriority();
        ThreadPriority tp2 = new ThreadPriority();
        ThreadPriority tp3 = new ThreadPriority();

        tp1.setName("东方不败");
        tp2.setName("岳不群");
        tp3.setName("林平之");

        // 获取默认优先级
        // 我们的线程没有设置优先级,肯定有默认优先级。
        // 那么，默认优先级是多少呢?5
        // System.out.println(tp1.getPriority());//5
        // System.out.println(tp2.getPriority());//5
        // System.out.println(tp3.getPriority());//5

        // 设置线程优先级
        // tp1.setPriority(100000); //IllegalArgumentException:非法参数异常。抛出的异常表明向方法传递了一个不合法或不正确的参数。
        
        //设置正确的线程优先级
        tp1.setPriority(10);
        tp2.setPriority(1);

        tp1.start();
        tp2.start();
        tp3.start();
    }
} 

　　注意：
　　线程默认优先级是5。线程优先级的范围是：1-10。
　　线程优先级高仅仅表示线程获取的 CPU时间片的几率高，但是要在次数比较多，或者多次运行的时候才能看到比较好的效果。

五、线程控制

　　我们已经知道了线程的调度，接下来我们就可以使用如下方法对线程进行控制。

5.1 线程休眠

　　线程休眠：public static void sleep(long millis)

public class ThreadSleep extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int x = 0; x < 100; x++) {
            System.out.println(getName() + ":" + x + ",日期" + new Date());
            // 睡眠
            // 困了，我稍微休息1秒钟
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

public class ThreadSleepDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadSleep ts1 = new ThreadSleep();
        ThreadSleep ts2 = new ThreadSleep();
        ThreadSleep ts3 = new ThreadSleep();

        ts1.setName("林青霞");
        ts2.setName("林志玲");
        ts3.setName("林志颖");

        ts1.start();
        ts2.start();
        ts3.start();
    }
}

5.2 线程加入

　　 线程加入：public final void join():等待该线程终止。 

public class ThreadJoin extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int x = 0; x < 100; x++) {
            System.out.println(getName() + ":" + x);
        }
    }
}

public class ThreadJoinDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadJoin tj1 = new ThreadJoin();
        ThreadJoin tj2 = new ThreadJoin();
        ThreadJoin tj3 = new ThreadJoin();

        tj1.setName("李渊");
        tj2.setName("李世民");
        tj3.setName("李元霸");

        tj1.start();
        try {
            tj1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        tj2.start();
        tj3.start();
    }
}

 　　现象：调用join()方法的线程运行完毕后，其它线程才能开始运行

5.3 线程礼让

　　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 x = 0; x < 100; x++) {
            System.out.println(getName() + ":" + x);
            Thread.yield();
        }
    }
}

public class ThreadYieldDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadYield ty1 = new ThreadYield();
        ThreadYield ty2 = new ThreadYield();

        ty1.setName("林青霞");
        ty2.setName("刘意");

        ty1.start();
        ty2.start();
    }
}

5.4 线程守护

　　public final void setDaemon(boolean on):将该线程标记为守护线程或用户线程。
　　当正在运行的线程都是守护线程时，Java 虚拟机退出。 该方法必须在启动线程前调用。

public class ThreadDaemon extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int x = 0; x < 100; x++) {
            System.out.println(getName() + ":" + x);
        }
    }
}

public class ThreadDaemonDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDaemon td1 = new ThreadDaemon();
        ThreadDaemon td2 = new ThreadDaemon();

        td1.setName("关羽");
        td2.setName("张飞");

        // 设置守护线程
        td1.setDaemon(true);
        td2.setDaemon(true);

        td1.start();
        td2.start();

        Thread.currentThread().setName("刘备");
        for (int x = 0; x < 5; x++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + x);
        }
    }
}

　　现象：td1和td2设置成守护线程后，一旦主线程执行完毕后，守护线程也将终止运行。

　　这就有点像坦克大战游戏：

　　　

　　上图中的关羽和张飞可以看成守护线程，当刘备主线程消亡以后，两者都不可能再具有获得CPU执行权的资格。

5.5 线程中断

　　public final void stop():让线程停止，过时了，但是还可以使用。不安全，所以不建议使用
　　public void interrupt():中断线程。 把线程的状态终止，并抛出一个InterruptedException。

public class ThreadStop extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("开始执行：" + new Date());

        // 我要休息10秒钟，亲，不要打扰我哦
        try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            // e.printStackTrace();
            System.out.println("线程被终止了");
        }

        System.out.println("结束执行：" + new Date());
    }
}

public class ThreadStopDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadStop ts = new ThreadStop();
        ts.start();

        // 你超过三秒不醒过来，我就干死你
        try {
            Thread.sleep(3000);
            // ts.stop();
            ts.interrupt();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

六、线程的生命周期

　　新建：创建线程对象

　　就绪：有执行资格，没有执行权

　　运行：有执行资格，有执行权

　　阻塞：由于一些操作让线程处于该状态。没有执行资格，没有执行权。而另一些操作却可以把它给激活，激活后处于就绪状态

　　死亡：线程对象变成垃圾，等待被回收。