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整理总结Java多线程程序编写的要点

时间：2020-03-25 13:32     来源/作者：memristor

线程状态图

整理总结Java多线程程序编写的要点

线程共包括以下5种状态。

1. 新建状态(New)         : 线程对象被创建后，就进入了新建状态。例如，Thread thread = new Thread()。

2. 就绪状态(Runnable): 也被称为“可执行状态”。线程对象被创建后，其它线程调用了该对象的start()方法，从而来启动该线程。例如，thread.start()。处于就绪状态的线程，随时可能被CPU调度执行。

3. 运行状态(Running) : 线程获取CPU权限进行执行。需要注意的是，线程只能从就绪状态进入到运行状态。

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：

    (01) 等待阻塞 -- 通过调用线程的wait()方法，让线程等待某工作的完成。

    (02) 同步阻塞 -- 线程在获取synchronized同步锁失败(因为锁被其它线程所占用)，它会进入同步阻塞状态。

    (03) 其他阻塞 -- 通过调用线程的sleep()或join()或发出了I/O请求时，线程会进入到阻塞状态。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。

 

实现多线程的方式Thread和Runnable
Thread:继承thread类，实现run方法，在main函数中调用start方法启动线程

Runnable：接口，实现Runnable接口，作为参数传递给Thread的构造函数，在main中调用start方法

例子：

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class task implements Runnable {
 
  private int ticket = 10;
 
  @Override
  public void run() {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
      if (this.ticket > 0) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()
            + " sold ticket " + this.ticket--);
      }
    }
  }
 
};
 
 
public class RunnableTest {
  public static void main(String[]args){
    task mytask = new task();
    Thread t1 = new Thread(mytask);
    Thread t2 = new Thread(mytask);
    Thread t3 = new Thread(mytask);
    t1.start();
    t2.start();
    t3.start();
  }
 
}
 
//ThreadTest.java 源码
class MyThread extends Thread {
  private int ticket = 10;
 
  public void run() {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
      if (this.ticket > 0) {
        System.out.println(this.getName() + " 卖票：ticket"
            + this.ticket--);
      }
    }
  }
}
 
public class ThreadTest {
  public static void main(String[] args) {
    // 启动3个线程t1,t2,t3；每个线程各卖10张票！
    MyThread t1 = new MyThread();
    MyThread t2 = new MyThread();
    MyThread t3 = new MyThread();
    t1.start();
    t2.start();
    t3.start();
  }
};


Thread与Runnable的区别

Thread 是类，而Runnable是接口；Thread本身是实现了Runnable接口的类。我们知道“一个类只能有一个父类，但是却能实现多个接口”，因此Runnable具有更好的扩展性。此外，Runnable还可以用于“资源的共享”。即，多个线程都是基于某一个Runnable对象建立的，它们会共享Runnable对象上的资源。通常，建议通过“Runnable”实现多线程！

 

Thread的run与start

start() : 它的作用是启动一个新线程，新线程会执行相应的run()方法。start()不能被重复调用。start()实际上是通过本地方法start0()启动线程的。而start0()会新运行一个线程，新线程会调用run()方法。

run()   : run()就和普通的成员方法一样，可以被重复调用。单独调用run()的话，会在当前线程中执行run()，而并不会启动新线程！run()就是直接调用Thread线程的Runnable成员的run()方法，并不会新建一个线程。

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// Demo.java 的源码
class MyThread extends Thread{
  public MyThread(String name) {
    super(name);
  }
 
  public void run(){
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is running");
  }
};
 
public class Demo {
  public static void main(String[] args) {
    Thread mythread=new MyThread("mythread");
 
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" call mythread.run()");
    mythread.run();
 
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" call mythread.start()");
    mythread.start();
  }
}

输出：

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main call mythread.run()
main is running
main call mythread.start()
mythread is running


synchronized
在java中每个对象都有一个同步锁，当我们调用对象的synchronized方法就获取了对象锁，synchronized(obj)就获取了“obj这个对象”的同步锁.不同线程对同步锁的访问是互斥的.某时间点对象的同步锁只能被一个线程获取到.通过同步锁，我们就能在多线程中，实现对“对象/方法”的互斥访问.  例如，现在有两个线程A和线程B，它们都会访问“对象obj的同步锁”。假设，在某一时刻，线程A获取到“obj的同步锁”并在执行一些操作；而此时，线程B也企图获取“obj的同步锁” —— 线程B会获取失败，它必须等待，直到线程A释放了“该对象的同步锁”之后线程B才能获取到“obj的同步锁”从而才可以运行。

基本规则

第一条: 当一个线程访问“某对象”的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”时，其他线程对“该对象”的该“synchronized方法”或者“synchronized代码块”的访问将被阻塞。

第二条: 当一个线程访问“某对象”的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”时，其他线程仍然可以访问“该对象”的非同步代码块。

第三条: 当一个线程访问“某对象”的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”时，其他线程对“该对象”的其他的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”的访问将被阻塞。

synchronized 方法

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public synchronized void foo1() {
  System.out.println("synchronized methoed");
}
synchronized代码块
 
public void foo2() { 
    synchronized (this) {
    System.out.println("synchronized methoed");
    }
}

synchronized代码块中的this是指当前对象。也可以将this替换成其他对象，例如将this替换成obj，则foo2()在执行synchronized(obj)时就获取的是obj的同步锁。

synchronized代码块可以更精确的控制冲突限制访问区域，有时候表现更高效率

实例锁 和 全局锁
实例锁 -- 锁在某一个实例对象上。如果该类是单例，那么该锁也具有全局锁的概念。实例锁对应的就是synchronized关键字。

全局锁 -- 该锁针对的是类，无论实例多少个对象，那么线程都共享该锁。全局锁对应的就是static synchronized（或者是锁在该类的class或者classloader对象上）。

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pulbic class Something { 
  public synchronized void isSyncA(){} 
  public synchronized void isSyncB(){} 
  public static synchronized void cSyncA(){} 
  public static synchronized void cSyncB(){}
}


(01) x.isSyncA()与x.isSyncB() 不能被同时访问。因为isSyncA()和isSyncB()都是访问同一个对象(对象x)的同步锁！

(02) x.isSyncA()与y.isSyncA()  可以同时被访问。因为访问的不是同一个对象的同步锁，x.isSyncA()访问的是x的同步锁，而y.isSyncA()访问的是y的同步锁。

(03) x.cSyncA()与y.cSyncB()不能被同时访问。因为cSyncA()和cSyncB()都是static类型，x.cSyncA()相当于Something.isSyncA()，y.cSyncB()相当于Something.isSyncB()，因此它们共用一个同步锁，不能被同时反问。

(04) x.isSyncA()与Something.cSyncA() 可以被同时访问。因为isSyncA()是实例方法，x.isSyncA()使用的是对象x的锁；而cSyncA()是静态方法，Something.cSyncA()可以理解对使用的是“类的锁”。因此，它们是可以被同时访问的。


线程阻塞与唤醒wait，notify，notifyAll
在Object.java中，定义了wait(), notify()和notifyAll()等接口。wait()的作用是让当前线程进入等待状态，同时，wait()也会让当前线程释放它所持有的锁。而notify()和notifyAll()的作用，则是唤醒当前对象上的等待线程；notify()是唤醒单个线程，而notifyAll()是唤醒所有的线程。

Object类中关于等待/唤醒的API详细信息如下：

notify()       -- 唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。

notifyAll()   -- 唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。

wait()         -- 让当前线程处于“等待(阻塞)状态”，“直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法”，当前线程被唤醒(进入“就绪状态”)。

wait(long timeout)      -- 让当前线程处于“等待(阻塞)状态”，“直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法，或者超过指定的时间量”，当前线程被唤醒(进入“就绪状态”)。

wait(long timeout, int nanos)  -- 让当前线程处于“等待(阻塞)状态”，“直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法，或者其他某个线程中断当前线程，或者已超过某个实际时间量”，当前线程被唤醒(进入“就绪状态”)。

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// WaitTest.java的源码
class ThreadA extends Thread{
 
  public ThreadA(String name) {
    super(name);
  }
 
  public void run() {
    synchronized (this) {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" call notify()");
      // 唤醒当前的wait线程
      notify();
    }
  }
}
 
public class WaitTest {
 
  public static void main(String[] args) {
 
    ThreadA t1 = new ThreadA("t1");
 
    synchronized(t1) {
      try {
        // 启动“线程t1”
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" start t1");
        t1.start();
 
        // 主线程等待t1通过notify()唤醒。
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" wait()");
        t1.wait();
 
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" continue");
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }
}

输出

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main start t1
main wait()
t1 call notify()
main continue

(01) 注意，图中"主线程" 代表“主线程main”。"线程t1" 代表WaitTest中启动的“线程t1”。 而“锁” 代表“t1这个对象的同步锁”。

(02) “主线程”通过 new ThreadA("t1") 新建“线程t1”。随后通过synchronized(t1)获取“t1对象的同步锁”。然后调用t1.start()启动“线程t1”。

(03) “主线程”执行t1.wait() 释放“t1对象的锁”并且进入“等待(阻塞)状态”。等待t1对象上的线程通过notify() 或 notifyAll()将其唤醒。

(04) “线程t1”运行之后，通过synchronized(this)获取“当前对象的锁”；接着调用notify()唤醒“当前对象上的等待线程”，也就是唤醒“主线程”。

(05) “线程t1”运行完毕之后，释放“当前对象的锁”。紧接着，“主线程”获取“t1对象的锁”，然后接着运行。

t1.wait()是通过“线程t1”调用的wait()方法，但是调用t1.wait()的地方是在“主线程main”中。而主线程必须是“当前线程”，也就是运行状态，才可以执行t1.wait()。所以，此时的“当前线程”是“主线程main”！因此，t1.wait()是让“主线程”等待，而不是“线程t1”！

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package thread.Test;
 
public class NotifyAllTest {
 
  private static Object obj = new Object();
  public static void main(String[] args) {
 
    ThreadA t1 = new ThreadA("t1");
    ThreadA t2 = new ThreadA("t2");
    ThreadA t3 = new ThreadA("t3");
    t1.start();
    t2.start();
    t3.start();
 
    try {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" sleep(3000)");
      Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
 
    synchronized(obj) {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" notifyAll()");
      obj.notifyAll();//在此唤醒t1.t2.t3
    }
  }
 
  static class ThreadA extends Thread{
 
    public ThreadA(String name){
      super(name);
    }
 
    public void run() {
      synchronized (obj) {
        try {
          // 打印输出结果
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait");
 
          //释放obj对象锁
          obj.wait();
 
          // 打印输出结果
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }
  }
}

输出：

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t1 wait
main sleep(3000)
t3 wait
t2 wait
main notifyAll()
t2 continue
t3 continue
t1 continue


(01) 主线程中新建并且启动了3个线程"t1", "t2"和"t3"。

(02) 主线程通过sleep(3000)休眠3秒。在主线程休眠3秒的过程中，我们假设"t1", "t2"和"t3"这3个线程都运行了。以"t1"为例，当它运行的时候，它会执行obj.wait()等待其它线程通过notify()或额nofityAll()来唤醒它；相同的道理，"t2"和"t3"也会等待其它线程通过nofity()或nofityAll()来唤醒它们。

(03) 主线程休眠3秒之后，接着运行。执行 obj.notifyAll() 唤醒obj上的等待线程，即唤醒"t1", "t2"和"t3"这3个线程。 紧接着，主线程的synchronized(obj)运行完毕之后，主线程释放“obj锁”。这样，"t1", "t2"和"t3"就可以获取“obj锁”而继续运行了！

notify，notifyall与锁的关系

Object中的wait(), notify()等函数，和synchronized一样，会对“对象的同步锁”进行操作。

wait()会使“当前线程”等待，因为线程进入等待状态，所以线程应该释放它锁持有的“同步锁”，否则其它线程获取不到该“同步锁”而无法运行！

OK，线程调用wait()之后，会释放它锁持有的“同步锁”；而且，根据前面的介绍，我们知道：等待线程可以被notify()或notifyAll()唤醒。现在，请思考一个问题：notify()是依据什么唤醒等待线程的？或者说，wait()等待线程和notify()之间是通过什么关联起来的？答案是：依据“对象的同步锁”。

负责唤醒等待线程的那个线程(我们称为“唤醒线程”)，它只有在获取“该对象的同步锁”(这里的同步锁必须和等待线程的同步锁是同一个)，并且调用notify()或notifyAll()方法之后，才能唤醒等待线程。虽然，等待线程被唤醒；但是，它不能立刻执行，因为唤醒线程还持有“该对象的同步锁”。必须等到唤醒线程释放了“对象的同步锁”之后，等待线程才能获取到“对象的同步锁”进而继续运行。

总之，notify(), wait()依赖于“同步锁”，而“同步锁”是对象锁持有，并且每个对象有且仅有一个！这就是为什么notify(), wait()等函数定义在Object类，而不是Thread类中的原因。


线程让步yield
线程让步，使线程从执行状态变为就绪状态，从而让其它具有相同优先级的等待线程获取执行权；但是，并不能保证在当前线程调用yield()之后，其它具有相同优先级的线程就一定能获得执行权；也有可能是当前线程又进入到“运行状态”继续运行。

yield 与wait

(01) wait()是让线程由“运行状态”进入到“等待(阻塞)状态”，而不yield()是让线程由“运行状态”进入到“就绪状态”。

(02) wait()是会线程释放它所持有对象的同步锁，而yield()方法不会释放锁。

(03) wait是object的方法，yield是Thread的方法

 

线程休眠 sleep
sleep() 的作用是让当前线程休眠，即当前线程会从“运行状态”进入到“休眠(阻塞)状态”。sleep()会指定休眠时间，线程休眠的时间会大于/等于该休眠时间；在线程重新被唤醒时，它会由“阻塞状态”变成“就绪状态”，从而等待cpu的调度执行。

 

sleep与wait的区别

wait()的作用是让当前线程由“运行状态”进入“等待(阻塞)状态”的同时，也会释放同步锁。而sleep()的作用是也是让当前线程由“运行状态”进入到“休眠(阻塞)状态。（这个其实区别不大）

wait()会释放对象的同步锁，而sleep()则不会释放锁

 wait是object的方法，sleep是Thread的方法

 

join
让主线程等待，子线程运行完毕，主线程才能继续运行

interrupt
用来终止处于阻塞状态的线程

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@Override
public void run() {
  try {
    while (true) {
      // 执行任务...
    }
  } catch (InterruptedException ie) {
    // 由于产生InterruptedException异常，退出while(true)循环，线程终止！
  }
}

在while(true)中不断的执行任务，当线程处于阻塞状态时，调用线程的interrupt()产生InterruptedException中断。中断的捕获在while(true)之外，这样就退出了while(true)循环

终止处于运行状态的线程

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@Override
public void run() { 
  while (!isInterrupted()) {   
  // 执行任务... 
  }
}

通用的终止线程的方式

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@Override
public void run() {
  try {
    // 1. isInterrupted()保证，只要中断标记为true就终止线程。
    while (!isInterrupted()) {
      // 执行任务...
    }
  } catch (InterruptedException ie) {
    // 2. InterruptedException异常保证，当InterruptedException异常产生时，线程被终止。
  }
}


线程优先级
java 中的线程优先级的范围是1～10，默认的优先级是5。“高优先级线程”会优先于“低优先级线程”执行。java 中有两种线程：用户线程和守护线程。可以通过isDaemon()方法来区别它们：如果返回false，则说明该线程是“用户线程”；否则就是“守护线程”。用户线程一般用户执行用户级任务，而守护线程也就是“后台线程”，一般用来执行后台任务。需要注意的是：Java虚拟机在“用户线程”都结束后会后退出。

每个线程都有一个优先级。“高优先级线程”会优先于“低优先级线程”执行。每个线程都可以被标记为一个守护进程或非守护进程。在一些运行的主线程中创建新的子线程时，子线程的优先级被设置为等于“创建它的主线程的优先级”，当且仅当“创建它的主线程是守护线程”时“子线程才会是守护线程”。

当Java虚拟机启动时，通常有一个单一的非守护线程（该线程通过是通过main()方法启动）。JVM会一直运行直到下面的任意一个条件发生，JVM就会终止运行：

(01) 调用了exit()方法，并且exit()有权限被正常执行。

(02) 所有的“非守护线程”都死了(即JVM中仅仅只有“守护线程”)。

守护进程

(01) 主线程main是用户线程，它创建的子线程t1也是用户线程。

(02) t2是守护线程。在“主线程main”和“子线程t1”(它们都是用户线程)执行完毕，只剩t2这个守护线程的时候，JVM自动退出。

生产者消费者问题
(01) 生产者仅仅在仓储未满时候生产，仓满则停止生产。

(02) 消费者仅仅在仓储有产品时候才能消费，仓空则等待。

(03) 当消费者发现仓储没产品可消费时候会通知生产者生产。

(04) 生产者在生产出可消费产品时候，应该通知等待的消费者去消费。

线程之间的通信

方式：共享内存和消息传递

共享内存：线程A和线程B共享内存，线程A更新共享变量的值，刷新到主内存中，线程B去主内存中读取线程A更新后的变量。整个通信过程必须通过主内存。同步是显式进行的。

整理总结Java多线程程序编写的要点

如果一个变量是volatile类型，则对该变量的读写就将具有原子性。如果是多个volatile操作或类似于volatile++这种复合操作，这些操作整体上不具有原子性。

volatile变量自身具有下列特性：

[可见性]：对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。

[原子性]：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

volatile写：当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存。

volatile读：当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

消息传递：消息的发送在消息的接受之前，同步隐式进行。

 

ThreadLocal

ThreadLocal 不是用来解决共享对象的多线程访问问题的，一般情况下，通过ThreadLocal.set() 到线程中的对象是该线程自己使用的对象，其他线程是不需要访问的，也访问不到的.ThreadLocal使得各线程能够保持各自独立的一个对象，并不是通过ThreadLocal.set()来实现的，而是通过每个线程中的new 对象 的操作来创建的对象，每个线程创建一个，不是什么对象的拷贝或副本。通过ThreadLocal.set()将这个新创建的对象的引用保存到各线程的自己的一个map中，每个线程都有这样一个map，执行ThreadLocal.get()时，各线程从自己的map中取出放进去的对象，因此取出来的是各自自己线程中的对象，ThreadLocal实例是作为map的key来使用的。 如果ThreadLocal.set()进去的东西本来就是多个线程共享的同一个对象，那么多个线程的ThreadLocal.get()取得的还是这个共享对象本身，还是有并发访问问题。

ThreadLocal的一个实现

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import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
 
/**
* 使用了ThreadLocal的类
*
* @author leizhimin 2010-1-5 10:35:27
*/
public class MyThreadLocal {
 
    //定义了一个ThreadLocal变量，用来保存int或Integer数据
    private com.lavasoft.test2.ThreadLocal<Integer> tl = new com.lavasoft.test2.ThreadLocal<Integer>() {
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return 0;
        }
    };
 
    public Integer getNextNum() {
        //将tl的值获取后加1，并更新设置t1的值
        tl.set(tl.get() + 1);
        return tl.get();
    }
}
 
class ThreadLocal<T> {
    private Map<Thread, T> map = Collections.synchronizedMap(new HashMap<Thread, T>());
 
    public ThreadLocal() {
    }
 
    protected T initialValue() {
        return null;
    }
 
    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        T obj = map.get(t);
        if (obj == null && !map.containsKey(t)) {
            obj = initialValue();
            map.put(t, obj);
        }
        return obj;
    }
 
    public void set(T value) {
        map.put(Thread.currentThread(), value);
    }
 
    public void remove() {
        map.remove(Thread.currentThread());
    }
}

事实上ThreadLocal是这样做的：

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public T get() {
  Thread t = Thread.currentThread();
  ThreadLocalMap map = getMap(t);
  if (map != null) {
    ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
    if (e != null)
      return (T)e.value;
  }
  return setInitialValue();
}

 

标签：
Java 多线程 

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