Java并发编程之一：线程基础，线程之间的共享与协作

一时失言乱红尘 2023-06-09 07:56 114阅读 0赞

# 线程基础，线程之间的共享与协作 #

**目录**

线程基础，线程之间的共享与协作

1.CPU时间片轮转机制

2.进程和线程

3.并行和并发

4.高并发编程的含义，好处及注意事项

（二）认识java的线程

1.3种创建线程的方式

2.线程安全停止工作的方式

3.线程常用方法和线程的状态

5.线程中的stop(),interrupt(),isInterrupted(),static方法interrupted()方法的含义和区别

（三）线程间的共享

1.synchronized内置锁

2.volatile关键字，最轻量级的同步锁

（四）线程之间的协作

3.Yield(),sleep(),wait(),notify(),notifyAll()含义

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**（一）基本概念**

### **1.CPU时间片轮转机制** ###

时间片轮转法（Round-Robin，RR）主要用于分时系统中的进程调度。为了实现轮转调度，系统把所有就绪进程按先入先出的原则排成一个队列。新来的进程加到就绪队列末尾。每当执行进程调度时，进程调度程序总是选出就绪队列的队首进程，让它在CPU上运行一个时间片的时间。时间片是一个小的时间单位，通常为10~100ms数量级。当进程用完分给它的时间片后，系统的计时器发出时钟中断，调度程序便停止该进程的运行，把它放入就绪队列的末尾；然后，把CPU分给就绪队列的队首进程，同样也让它运行一个时间片，如此往复.

### **2.进程和线程** ###

线程，有时被称为轻量级进程，是程序执行流的最小单元。一个标准的线程由线程ID，当前指令指针(PC），寄存器集合和堆栈组成。另外，线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。

简单来说，

进程：程序运行资源分配得最小单位，进程内部有多个线程，线程共享这个进程上的资源。

线程：CPU调度的最小单位

### **3.并行和并发** ###

并行：同一时刻，可以处理事件得能力

并发：与时间单位相关，在单位时间内可以处理事情得能力。

例：食堂打饭，有8个窗口，设每人打饭时常为20秒，则并行量为8，并发量为每分钟24

### **4.高并发编程的含义，好处及注意事项** ###

含义：高并发是请求，指的是多个客户端同一时刻向服务端发送请求,它是一种现象。

比如，电商网站在双11凌晨12:00分 同时有2000个下单请求。

多线程是处理，指的是同一时刻多个执行者处理同一类的任务，它有具体的实现。比如电商网站在双11凌晨12：00分同时有100个线程处理2000个下单请求

好处：

1.更好得利用系统资源

2.提高程序的运行速度

注意事项：

1.安全性问题，多个线程共享数据可能产生与期望不符合的结果

2.活跃性问题，当某个操作无法继续进行下去时，就会产生活跃性问题，如死锁，饥饿，活锁等问题

3 性能问题

a.线程过多时会使得CPU频繁切换，花在调度上时间太多。

b.多线程环境必须使用同步机制，导致很多编译器想做的优化被抑制。

c.线程过多还会消耗过多内存。

## **（二）认识java的线程** ##

### **1.3种创建线程的方式** ###

1、Java使用Thread类代表线程。

所有的线程对象必须是Thread类或其子类的实例。

当线程继承Thread类时，直接使用this即可获取当前线程，Thread对象的getName()方法返回当前线程的名字，因此可以直接调用getName()方法返回当前线程的名字。

Thread.currentThread()：该方法总是返回当前正在执行的线程对象。

2、创建线程方式1：继承Thread类创建线程类

这种方式创建线程的步骤一般为：

1》定义Thread类的子类，并重写该类的run()方法，该方法作为线程的线程执行体。

2》创建Thread子类的实例，即线程对象。

3》调用线程对象的start()方法启动线程。

public class extendsThread extends Thread{
      @Override
      public void run(){
          ...
          //do something
          System.out.println(this.getName());  }
       public static void main(String[] agrs){
          //创建并启动第一个线程
          new extendsThread().start();
          //创建并启动第二个线程
          new extendsThread().start();
       }
    }

创建线程方式2：实现Runnable接口

这种方式创建线程的步骤一般为：

1》定义Runnable接口的实现类，并重写该接口的run()方法，该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。

2》创建Runnable接口实现类的实例，并将该实例作为Thread的target来创建Thread对象，该Thread对象才是真正的线程对象。本质是Thread对象负责执行实现类对象的run()方法体。

3》调用线程对象的start()方法来启动该线程。

public class ImplRunnable implements Runnable{
       @Override
       public void run(){
           //do something 
           System.out.println(Thread.currentThread().getName());
       }
    
       public static void main(String agrs){
          System.out.println(Thread.currentThread().getName());
          ImplRunnable target=new ImplRunnable();
          //创建并启动第一个线程
          new Thread(target,"Thread1").start();
          //创建并启动第二个线程
          new Thread(target,"Thread2").start();
      }
    }

创建线程方式3：使用Callable和Future创建线程，创建有返回值的线程

这种方式创建线程的步骤一般为：

1》创建Callable接口的实现类，并实现call()方法，该方法作为线程执行体，且该方法有返回值。然后创建该实现类的实例。

2》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()方法获取子线程执行结束后的返回值。

public class ImplCallable implements Callable<Integer>{
       @Override
       public Integer call(){
          //do something      
    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
          //return a value.
          return 1;
       }
    
        public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException, ExecutionException{
          ...
          //创建并启动一个线程
          FutureTask<Integer> target=new FutureTask<Integer>(new ImplCallable());
          new Thread(target,"Thread3 with value.").start();
          //获取返回值      
    System.out.println(target.get());
        }
    }

### **2.线程安全停止工作的方式** ###

a.自然停止，线程中的代码正常运行完毕。

b.线程内抛出异常

注意:stop(),resume(),suspend()方法会停止线程，但不会释放该线程所占用的资源

### **3.线程常用方法和线程的状态** ###

常用方法：

run():相当于线程的任务处理逻辑的入口方法，它由Java虚拟机在运行相应线程时直接调用，而不是由应用代码进行调用。简单来说就是调用一个普通方法

srtart():启动相应的线程。启动一个线程实际是请求Java虚拟机运行相应的线程，而这个线程何时能够运行是由线程调度器决定的。start()调用结束并不表示相应线程已经开始运行，这个线程可能稍后运行，也可能永远也不会运行。

yield():将线程从运行状态转为就绪状态

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**4.守护线程**

在Java中有两类线程：User Thread(用户线程)、Daemon Thread(守护线程)

*  用户线程是指用户自定义创建的线程，主线程停止，用户线程不会停止
 *  只要当前JVM实例中尚存在任何一个非守护线程没有结束，守护线程就全部工作；只有当最后一个非守护线程结束时，守护线程随着JVM一同结束工作。Daemon的作用是为其他线程的运行提供便利服务，守护线程最典型的应用就是 GC (垃圾回收器)

**注意**：  
(1) thread.setDaemon(true)必须在thread.start()之前设置，否则会跑出一个IllegalThreadStateException异常。你不能把正在运行的常规线程设置为守护线程。  
(2) 在Daemon线程中产生的新线程也是Daemon的。  
(3) 不要认为所有的应用都可以分配给Daemon来进行服务，比如读写操作或者计算逻辑

守护线程和他的主线程共死，守护线程内的finally内得代码不一定执行

### **5.线程中的stop(),interrupt(),isInterrupted(),static方法interrupted()方法的含义和区别** ###

stop():暴力中断线程，会导致线程资源未释放

interrupt():中断线程。调用该方法的线程的状态将被置为"中断"状态。注意：线程中断仅仅是设置线程的中断状 态位，不会停止线程。需要用户自己去监视线程的状态为并做处理。(如果线程在wait， sleep，join的时 候受阻，调用了interrupt()方法，那么不仅会清除中断标志位，还会抛出InterruptedException异常)

isInterrupted():查询线程中断标志位，不会改变中断标志位

interrupted():第一次使用返回true，并清除中断标志位，在此之后查询中断状态isInterrupt()都会返回false，

### **（三）线程间的共享** ###

### **1.synchronized内置锁** ###

在并发编程中存在线程安全问题，主要原因有 ：1.存在共享数据 2.多线程共同操作共享数据。关键字synchronized可以保证在同一时刻，只有一个线程可以执行某个方法或某个代码块，同时synchronized可以保证一个线程的变化可见（可见性），即可以代替volatile。

Synchronized:是一种同步锁。作用是实现线程间同步，对同步的代码加锁，使得每一次，只能有一线程进入同步块，从而保证线程间的安全性，同时它还可以保证共享变量的内存可见性

它修饰的对象有以下几种：

a.修饰一个代码块，被修饰的代码块称为同步语句块，其作用的范围是大括号\{\}括起来的部分,进入同步代码前要获得给定对象的锁

b.修饰一个实例方法，进入同步代码前要获得当前实例的锁

c.修饰一个静态方法，进入同步代码前要获得当前类的锁  
一句话总结synchronized：JVM会自动通过使用monitor来加锁和解锁，保证了同一时刻只有一个线程可以执行指定的代码，从而保证线程安全，同时具有可重入和不可中断的特性。

1、两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法
        同一实例拥有同一把锁，其他线程必然等待，顺序执行
    2、两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法
        不同的实例拥有的锁是不同的，所以不影响，并行执行
    3、两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法
        静态同步方法，是类锁，所有实例是同一把锁，其他线程必然等待，顺序执行
    4、两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法
        非synchronized方法不受影响，并行执行
    5、两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法
        同一实例拥有同一把锁，所以顺序执行（说明：锁的是this对象==同一把锁）
    6、两个线程同时访问同一对象的static的synchronized方法与非static的synchronized方法
        static同步方法是类锁，非static是对象锁，原理上是不同的锁，所以不受影响，并行执行
    7、方法抛出异常后，会释放锁吗
        会自动释放锁，这里区别Lock，Lock需要显示的释放锁
    3个核心思想：
        1、一把锁只能同时被一个线程获取，没有拿到锁的线程必须等待
        2、每个实例都对应有自己的一把锁，不同的实例之间互不影响；例外：锁对象是*.class以及synchronized被static修饰的时候，所有对象共用同一把锁
        3、无论是方法正常执行完毕还是方法抛出异常，都会释放锁
    可参考：https://www.cnblogs.com/JsonShare/p/11433302.html

### **2.volatile关键字，最轻量级的同步锁** ###

1.保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。（实现可见性）

2.禁止进行指令重排序。（实现有序性）

3.volatile 只能保证对单次读/写的原子性。i++ 这种操作不能保证原子性。  
簡單來説，内存可见性，线程不安全（常见场景：一个线程写，多个线程读）

（詳情可參考[https://blog.csdn.net/devotion987/article/details/68486942][https_blog.csdn.net_devotion987_article_details_68486942]）

**3.ThreadLocal**

ThreadLocal，顾名思义，它不是一个线程，而是线程的一个本地化对象。当工作于多线程中的对象使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程分配一个独立的变量副本。所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其他线程所对应的副本。从线程的角度看，这个变量就像是线程的本地变量，这也是类名中“Local”所要表达的意思。

从源码中可以推测出ThreadLocal本质上是一个Map,key为Thread，value为初始化值

/**
         * Variant of set() to establish initialValue. Used instead
         * of set() in case user has overridden the set() method.
         *
         * @return the initial value
         */
        private T setInitialValue() {
            T value = initialValue();
            Thread t = Thread.currentThread();
            ThreadLocalMap map = getMap(t);
            if (map != null)
                map.set(this, value);
            else
                createMap(t, value);
            return value;
        }

下面我们用ThreadLocal写个demo

package com.thread.day1;
    public class ThreadLocalTest extends Thread{
    	private static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>(){
    		@Override
    		protected Integer initialValue() {
    			return 1;
    		}
    	};
    	@Override
    	public void run() {
    		threadLocal.set(threadLocal.get()+1);
    		System.out.println("Thread name :["+Thread.currentThread().getName()+"]"+threadLocal.get());
    	}
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    		Thread.sleep(1000);
    		for (int i = 0; i < 10; i++) {
    			new ThreadLocalTest().start();
    		}
    	}

執行結果

Thread name :[Thread-2]2
    Thread name :[Thread-1]2
    Thread name :[Thread-0]2
    Thread name :[Thread-3]2
    Thread name :[Thread-5]2
    Thread name :[Thread-4]2
    Thread name :[Thread-6]2
    Thread name :[Thread-8]2
    Thread name :[Thread-7]2
    Thread name :[Thread-9]2

**（四）线程之间的协作**

**1.等待和通知  
   **  wait()  
     notify()  
     notifyAll()

生产者与消费者

**2.Join()**  
      在某些情况下，子线程需要进行大量的耗时运算，主线程可能会在子线程执行结束之前结束，但是如果主线程又需要用到子线程的结果，换句话说，就是主线程需要在子线程执行之后再结束。这就需要用到join()方法  
（简单来说就是插队）

### **3.Yield(),sleep(),wait(),notify(),notifyAll()含义** ###

yield()；一个线程调用yield()意味着告诉虚拟机自己非常乐于助人，可以把自己的位置让给其他线程(这只是暗示，并不表绝对)。但得注意，让出cpu并不代表当前线程不执行了。当前线程让出cpu后，还会进行cpu资源的争夺，但是能不能再次分配到，就不一定了

sleep():sleep()方法属于Thread类，让当前线程停止执行，把cpu让给其他线程执行，但不会释放对象锁和 监控的状态，到了指定时间后线程又会自动恢复可运行状态

wait():wait()属于Object类，与sleep()的区别是当前线程会释放锁，进入等待此对象的等待锁定池。比方说， 线程A调用Obj.wait(),线程A就会停止运行，而转为等待状态。至于等待多长时间? 那就看其他线程是否 调用Obj.notify().其优势显而易见，成为多个线程之间进行通讯的有手段！

注意：它必须包含在Synchronzied语句中，无论是wait()还是notify()都需要首先获得目标的对象的一个监视器

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[https_blog.csdn.net_devotion987_article_details_68486942]: https://blog.csdn.net/devotion987/article/details/68486942