看一眼就会Java多线程!(如何全面理解多线程)

2023-11-04

基本概念:程序、进程、线程

程序(program) 是为了完成特殊任务、用某种语言编写的一组指令的集合。即指 一段静态的代码 ,静态对象。

进程(process) 是程序的一次执行过程,或是 正在运行的一个程序 。是一个动态的过程:有它自身的产生、存在和消亡的过程。

如:

运行中的QQ,运行中的MP3播放器

程序是静态的,进程是动态的

**程序作为资源分配的单位**,系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域

线程(thread), 进程可进一步细化为线程,是一个程序内部的一条执行路径。

若一个进程同一时间 **并行**  执行多个线程,就是支持多线程的

**线程作为调度和执行的单位,每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器(pc)**,线程切换的开销小

一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间——>它们从同一堆中分配对象,可以访问相
同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来
安全的隐患。

 单核CPU和多核CPU的理解

单核CPU,其实是一种假的多线程,因为在一个时间单元内,也只能执行一个线程的任务。例如:虽然有多车道,但是收费只有一个工作人员在收费,只有收了费才能通过,那么CPU就好比收费人员。如果有某个人不想交钱,那么收费人员可以把他 “挂起” (晾着他,等他想通了,准备好了钱,再去收费)。但是因为CPU时间单元特别短,因此感觉不出来。

如果是多线程的话,才能更好的发挥多线程的效率。(现在的服务器都是多核的)

一个Java应用程序Java.exe,其实至少有三个线程:main()主线程,gc()垃圾回收线程,异常处理线程。当然如果发生异常,会影响主线程。

 并行与并发

并行:多个CPU同时执行多个任务。比如:多个人同时做不同的事。

并发:一个CPU(采用时间片)同时执行多个任务。比如:秒杀、多个人做同一件事。

使用多线程的优点:

 背景:以单核CPU为例,只使用单个线程先后完成多个任务(调用多个方法),肯定比用多个线程来完成用的时间更短,为何仍需多线程呢?

多线程程序的优点:

1、提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义,可增强用户体验。

2、提高计算机系统CPU的利用率

3、改善程序结构。将即长又复杂的进程分为多个线程,独立运行,利用理解和修改。

何时需要多线程:

  • 程序需统同时执行两个或多个任务。

  • 程序需要实现一些需要等待的任务时,如用户输入、文件读写操作、网络操作、搜索等。

  • 需要一些后台运行的程序时。

线程的创建和使用

  • Java语言的JVM允许程序运行多个线程,它通过java.lang.Thread类来体现。

  • Thread类的特性:

每个线程都是通过某个特定Thread对象的run()方法来完成操作的,经常把run()方法的主体称为线程体。

通过该Thread对象的start()方法来启动这个线程,而非直接调用run()。

 如果我们按照顺序调用了8个线程的start()方法,但是线程的执行顺序并没有规律,而且每次运行的结果可能都不一样。为什么会出现这样的运行结果呢?这主要是因为任务的执行靠CPU,而处理器采用分片轮询方式执行任务,所有的任务都是抢占式执行模式,也就是说任务是不排序的。可以设置任务的优先级,优先级高的任务可能会优先执行(多数时候是无效的)。任务被执行前,该线程处于自旋等待状态。

多线程的创建,方式一:继承于Thread类

package com.jan.test1;
/**
 * 多线程的创建,方式一:继承于Thread类
 * 1、创建一个继承于Thread类的子类
 * 2、重写Thread类的run()方法  --->  将此线程执行的操作声明在run()中
 * 3、创建Thread类的子类的对象
 * 4、通过此对象调用start()
 *
 * 例子:遍历100以内的所有的偶数
 */

//1、创建一个继承于Thread类的子类
class MyThread extends Thread {
        //2、重写Thread类的run()
    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0;i < 100;i++) {
            if (i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
                //Thread.currentThread().getName()获取线程名
            }
        }
    }
}

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        //3、创建Thread类的子类的对象
        MyThread myThread = new MyThread();

//        4、通过此对象调用start()
        myThread.start();

        /**
         * start()方法作用:
         * 1、启动当期线程
         * 2、调用当期线程的run()方法
         */
        //问题一:外面不能通过直接用run()的方式启动线程。
//        myThread.run();

        //问题二:再启动一个线程,遍历100以内的偶数,不可以还让已经start()的线程去执行。会报IllegalThreadStateException异常
//        myThread.start();
        //可以重新写创建一个线程的对象
        MyThread myThread1 = new MyThread();
        myThread1.start();

        //测试 :如下操作仍然是在main线程中执行的。
        for(int i = 0;i < 100;i++) {
            if (i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i + "*******************");
            }
        }
    }
}

练习:创建两个分线程,其中一个线程遍历100以内的偶数,另一个线程遍历100以内的奇数。

package com.exer;

/**
 * 练习:创建两个分线程,其中一个线程遍历100以内的偶数,另一个线程遍历100以内的奇数
 *
 */
public class ThreaDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread1 myThread1 = new MyThread1();
        MyThread2 myThread2 = new MyThread2();

        myThread1.start();
        myThread2.start();

        //创建Thread类的匿名的方式
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 100;i++){
                    if(i % 2 == 0 ){
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":"  + i);
                    }
                }
            }
        }.start();

    }
}

class MyThread1 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100;i++){
            if(i % 2 == 0 ){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":"  + i);
            }
        }
    }
}


class MyThread2 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100;i++){
            if(i % 2 != 0 ){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":"  + i);
            }
        }
    }
}

 补充:线程与进程的关系

进程可以看成是线程的容器,而线程又可以看成是进程中的执行路径。线程使得程序控制流的多个分支可以执行在一个进程中,它们共享这个进程范围内的所有资源。同一应用程序中的多个线程可以在多处理器系统中被同时调度。在多大数现代操作系统中把线程作为时序调度的基本单元。同时一个进程中的多个线程同步或者异步执行,会共享其所属进程的内存地址空间,因此线程之间可以很容易地实现数据共享。但是如果没有同步措施,多个线程同步修改共享数据会产生意想不到的结果。

      多线程是一把双刃剑。在Java中,恰当地设计并使用多线程可以提高一个复杂应用的性能,降低开发成本,例如,在Tomcat中线程被用来提高资源的利用率和吞吐量。但是稍有不慎可能使得应用程序面临未知异常,甚至是崩溃。

      Java的多线程机制是抢占式,这表明调度机制会周期性地中段线程,将上下文切换到另一个线程,从而为每个线程都提供CPU时间分片,使得每个线程都会分配到数量合理的时间去驱动它的任务。

简单总结一下:线程(Thread)的字面意思是线路,即应用程序(进程)中的程序执行线路。Java虚拟机允许一个应用程序中可以同时并发存在多条程序执行线路。每个线程都有一个优先级属性,优先级别高的线程,可能会被CPU优先执行。归根到底,线程就是应用程序(进程)在运行过程中,通过操作系统向CPU发起的一个任务,这个任务只能访问当前进程的内存资源。

Thread类的有关方法 (1)

  • void start() : 启动线程,并执行对象的run()方法

  • run() : 线程在被调用时执行的操作

  • String getName() : 返回线程的名称

  • void setName(String name) : 设置该线程名称

  • static Thread currentThrad() : 返回当前线程。在Thread子类中就是this,通常用于主线程和Runnable实现类。

  • static void yield() : 线程让步

    暂停当前正在执行的线程,把执行机会让给优先级相同或更高的线程。

    若队列中没有同优先级的线程,忽略此方法。

  • join() : 当某个程序执行流中调用其他线程的join()方法时,调用线程将被阻塞,直到join()方法加入的join线程执行完为止。

    低优先级的线程也可以获得执行

  • static void sleep(long millis) : (指定时间:毫秒)。

    令当前活动线程在指定时间段内放弃对CPU控制,使其他线程有机会被执行,时间到后重排队。

    抛出InterruptedException 异常

    • stop() : 强制线程生命期结束,不推荐使用

    • boolean isAlive() : 返回boolean ,判断线程是否还活着

线程的调度

  • 调度策略

    时间片 : — _ — _ —_ —

    抢占式:高优先级的线程抢占CPU

  • Java的调度方法

    同优先级线程组成先进先出队列 (先到先服务),使用时间片策略。

    对高优先级,使用优先调度的抢占式策略。

线程的优先级

  • 线程的优先级等级

    MAX_PRIORITY : 10

    MIN_PRIORITY : 1

    NORM_PRIORITY : 5

  • 涉及的方法

    getPriority() : 返回线程优先值

    setPriority(int newPriority) : 改变线程的优先级

  • 说明

    线程创建时继承父线程的优先级

    低优先级只是获得调度的概率低,并非一定是在高优先级线程之后才被调用  

package com.jan.test1;

import org.omg.CORBA.PUBLIC_MEMBER;

/**
 * 测试Thread中的常用方法:
 * 1、start():启动当前线程;调用当前线程的run()
 * 2、run():通常需要重写Thread类中的此方法,将创建的线程要执行的操作声明在此方法中
 * 3、currentThread():静态方法,返回执行当前代码的线程
 * 4、getName():获取当前线程的名字
 * 5、setName(): 设置当前线程的名字
 * 6、yield() :  一旦执行此方法,释放当前cpu的执行权
 * 7、join()  :  在线程a中调用线程b的join(),此时线程a就进入阻塞状态,直到线程b完全执行完以后,线程a才结束阻塞状态。
 * 8、stop()  :  已过时。当执行此方法时,强制结束当前线程。
 * 9、sleep(long millis)  :  让当前线程"睡眠"指定的millitime毫秒。在指定的millitime毫秒时间内,当前线程是阻塞状态。
 * 10、isAlive() : 判断当前线程是否存活
 *
 *
 * 线程的优先级:
 * 1、
 * MAX_PRIORITY : 10
 * MIN_PRIORITY  : 1
 * NORM_PRIORITY : 5   ---> 默认的优先级
 * 2、如何获取和设置当前线程的优先级:
 *  getPriority() : 返回线程优先值
 * setPriority(int newPriority) :  改变线程的优先级
 *
 *   说明:高优先级的线程要抢低优先级线程CPU的执行权。但是只是从概率上讲,高优先级的线程高概率的情况下被执行,
 *         并不意味着只有当高优先级的线程执行完以后,低优先级的线程才执行。
 */

class HelloThread extends Thread{

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {

            if(i % 2 == 0)
            {
                //stop()  :  已过时。当执行此方法时,强制结束当前线程。
//                try {
//                    sleep(100);
//                } catch(InterruptedException e) {
//                    e.printStackTrace();
//                }

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);

            }
            //yield() :  一旦执行此方法,释放当前cpu的执行权
//            if (i % 20 == 0) {
//                yield();
//            }
        }
    }

    //通过构造器的方式个线程命名
    public HelloThread(String name){
        super(name);
    }

}


public class ThreadMethodTest {
    public static void main(String[] args) {
        HelloThread helloThread = new HelloThread("Thread:1");

        //设置分线程的优先级
        helloThread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);

        //给线程命名
        helloThread.setName("线程一");

        helloThread.start();
    
        //给主线程命名
        Thread.currentThread().setName("主线程");

        //设置主线程的优先级
        helloThread.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if(i % 2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
            }
//            if(i == 20) {
//                try {
//                    helloThread.join();
//                } catch (InterruptedException e) {
//                    e.printStackTrace();
//                }
//            }
        }

        //isAlive() : 判断当前线程是否存活
        System.out.println(helloThread.isAlive());
    }
}

创建多线程的方式二:实现Runnable接口的方式

package com.jan.test1;

/**
 *  创建多线程的方式二:实现Runnable接口
 *  1、创建一个实现了Runnable接口的类
 *  2、实现类去实现Runnable接口的类
 *  3、创建T实现类的对象
 *  4、将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中,创建Thread类的对象
 *  5、通过Thread 类的对象用start()
 */

//1、创建一个实现了Runnable接口的类
class Mthread implements  Runnable {

    //2、实现类去实现Runnable中的抽象方法:run()
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100 ; i++) {
            if(i % 2 == 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " :" + i );
            }
        }

    }
}

public class ThreadTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        //3、创建实现类的对象
        MyThread myThread = new MyThread();
        //4、将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中,创建Thread类的对象
        Thread t1 = new Thread(myThread);
        t1.setName("线程1");

        //5、通过Thread类的对象调用start(): 1、启动当前线程 2、调用当前线程的run()-->调用了Runnable类型的target的run()
        t1.start();

        //再启动一个线程,通过100以内的偶数
        Thread t2 = new Thread(myThread);
        t1.setName("线程2");
        t2.start();
    }
}

多线程窗口测试2:

package com.jan.test1;

/**
 * 例子:创建三个窗口卖票,总票数为100张,使用实现Runnable 接口的方式
 * 存在线程的安全问题,待解决。
 */

class Window1 implements  Runnable {

    public int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (ticket > 0 ){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 卖票,票号为 :" + ticket);
                ticket--;
            }else {
                break;
            }
        }
    }
}

public class WindowTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        Window1 w = new Window1();

        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

比较创建线程的两种方式 :

开发中:优先选择:实现Runnable接口的方式

原因 :

1、实现的方式没有类的单继承性的局限性

2、实现的方式更适合来处理多个线程有共享数据的情况。

      联系:public class Thread implements Runnable

      相同点:两种方式都需要重写run(),将线程要执行的逻辑声明在run()中。

总结:

线程(thread):

概念:进程可进一步细化为线程,是一个程序内部的一条执行路径。

说明:线程作为调度和执行的单位,每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器(pc),线程切换的开销小。

进程可以细化为多个线程。

每个线程,拥有自己独立的:栈、程序计数器

多个线程,共享同一个进程中的结构:方法区、堆。

一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间——>它们从同一堆中分配对象,可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患。

 补充: 线程的分类

Java中的线程分为两类: 一种是守护线程 , 一种是用户线程.

  • 它们在几乎每个方面都是相同的,唯一的区别是判断JVM何时离开.

  • 守护线程是用来服务用户线程的,通过在start()方法前调用.

Thread.SetDaemon(true)可以把一个用户线程变化一个守护线程.

  • Java垃圾回收就是一个典型的守护线程.

  • 若JVM中都是守护线程,当前JVM将退出.

  • 形象理解: 兔死狗烹 , 鸟尽弓藏

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