十九. 多线程

多线程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能满足程序员编写高效率的程序来达到充分利用 CPU的目的特性随机性谁抢到谁执行至于执行多长时间CPU说的算进程 线程一个进程中可以并发多个线程每条线程并行执行不同的任务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指的是进程中一个单一顺序的控制流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护线程都结束运行后才能结束当进程退出时该进程所产生的线程都会被强制退出并清除进程正在进行中的程序实例特征每个进程独立占用系统资源通过任务管理器可查看所有运行中的进程每个进程执行都有执行顺序此顺序是一个执行路径或者叫一个控制单元扩展JVM 启动时会有一个进程(java.exe)该进程中至少一个线程负责Java程序的执行而这个线程运行的代码存在于main方法中该线程称之为主线程其实JVM启动不止一个线程还有负责垃圾回收的线程线程就是进程中的一个独立的控制单元线程在控制着进程的执行一个进程中至少有一个线程进程 VS 线程地址空间线程进程内的一个执行单元共享进程的地址空间进程至少有一个线程有自己独立的地址空间进程是资源分配和拥有的单位同一进程内的线程共享进程的资源线程是处理器调度的基本单位但进程不是二者均可并发执行线程的生命周期线程是一个动态执行的过程有一个从产生到死亡的过程新建状态(NEW)使用new Thread类/其子类建立一个线程对象后该线程对象就处于新建状态保持这个状态直到程序 start() 这个线程就绪状态(RUNNABLE)调用start()之后该线程就进入就绪状态此状态的线程处于就绪队列中要等待JVM里线程调度器的调度运行状态就绪状态的线程获取 CPU 资源就可以执行 run()此时线程便处于运行状态处于运行状态的线程最为复杂它可以变为阻塞状态、就绪状态和死亡状态阻塞状态(BLOCKED)一个线程执行了sleep(睡眠)、suspend(挂起) 等方法失去所占用资源之后该线程就从运行状态进入阻塞状态在睡眠时间已到或获得设备资源后可以重新进入就绪状态分三种等待阻塞运行状态中的线程执行wait()方法使线程进入到等待阻塞状态同步阻塞线程在获取 synchronized 同步锁失败(因为同步锁被其他线程占用)其他阻塞通过调用线程的sleep()或join()发出了 I/O 请求时线程就会进入到阻塞状态。当sleep() 状态超时、join() 等待线程终止或超时、或者 I/O 处理完毕线程重新转入 就绪状态死亡状态(TERMINATED)一个运行状态的线程完成任务或者其他终止条件发生时该线程就切换到 终止状态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创建一个线程通过实现 Runnable 接口定义类实现 Runnable 接口覆盖 Runnable 接口中的 run()将线程要运行的代码存放在该 run() 中通过 Thread 类建立线程对象将 Runnable 接口的子类对象作为实参传递给Thread类的构造函数why?因为自定义的 run() 所属的对象是 Runnable 接口的子类对象所以要让线程去执行指定对象的 run()就必须明确该 run() 所属对象调用 Thread 类的 start() 开启线程并调用 Runnable 接口子类的 run()扩展避免了单继承的局限性classRunnableDemoimplementsRunnable{privateStringthreadName;RunnableDemo(Stringname){threadNamename;System.out.println(Creating threadName);}Overridepublicvoidrun(){System.out.println(Running threadName);try{for(inti3;i0;i--){System.out.println(Thread: threadName, i);// 让线程睡眠一会Thread.sleep(50);}}catch(InterruptedExceptione){System.out.println(Thread threadName interrupted.);}System.out.println(Thread threadName exiting.);}}RunnableDemor1newRunnableDemo(Thread-1);newThread(r1).start();通过继承 Thread 类本身定义类继承 Thread复写 Thread 类中的 run()目的将自定义代码存储在 run()让线程运行调用线程的 start()该方法两个作用启动线程调用run()classThreadDemoextendsThread{privateStringthreadName;ThreadDemo(Stringname){threadNamename;System.out.println(Creating threadName);}Overridepublicvoidrun(){System.out.println(Running threadName);try{for(inti3;i0;i--){System.out.println(Thread: threadName, i);// 让线程睡眠一会Thread.sleep(50);}}catch(InterruptedExceptione){System.out.println(Thread threadName interrupted.);}System.out.println(Thread threadName exiting.);}}ThreadDemothreadnewThreadDemo(Thread-1);thread.start();通过 Callable 和 Future 创建线程创建 Callable 接口的实现类并实现 call() 该 call() 将作为线程执行体并且有返回值创建 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() 的返回值使用 FutureTask 对象作为 Thread 对象的 target 创建并启动新线程调用 FutureTask 对象的 get() 来获得子线程执行结束后的返回值publicclassCallableFutureTestimplementsCallableInteger{publicstaticvoidmain(String[]args){CallableFutureTestcttnewCallableFutureTest();FutureTaskIntegerftnewFutureTask(ctt);for(inti0;i100;i){System.out.println(Thread.currentThread().getName() 的循环变量i的值i);if(i20){newThread(ft,Callable call).start();}}try{System.out.println(子线程的返回值ft.get());}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}catch(ExecutionExceptione){e.printStackTrace();}}OverridepublicIntegercall()throwsException{inti0;for(;i100;i){System.out.println(Thread.currentThread().getName() i);}returni;}}创建线程的三种方式的对比采用实现 Runnable、Callable 接口的方式创建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即可获得当前线程最佳实践优先使用实现 Runnable 接口的方式创建线程使用线程池管理线程资源避免过度同步只在必要时使用同步机制使用volatile关键字确保变量的可见性考虑使用Java 并发包(java.util.concurrent)中的高级工具类Thread 类Java 中用于创建和管理线程的核心类该类定义了一个功能用于存储线程要运行的代码该存储功能就是 run()也就是说Thread 类中的 run()用于存储线程要运行的代码重要方法public voidstart()使该线程开始执行Java 虚拟机调用该线程的 run 方法核心start0(); 本地方法Java无权调用交给底层的C处理private native void start0();public voidrun()如果该线程是使用独立的 Runnable 运行对象构造的则调用该 Runnable 对象的 run 方法否则该方法不执行任何操作并返回public final voidsetName(String name)改变线程名称使之与参数 name 相同public final voidsetPriority(int priority)更改线程的优先级public final void setDaemon(boolean on)将该线程标记为守护线程或用户线程public final voidjoin(long millisec)等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒public voidinterrupt()中断线程public final boolean isAlive()测试线程是否处于活动状态静态方法public static void yield()暂停当前正在执行的线程对象并执行其他线程public static voidsleep(long millisec)在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠暂停执行此操作受到系统计时器和调度程序精度和准确性的影响本线程暂停执行指定时间把执行机会给其他线程但是监控状态依然保持到时后会自动恢复不会释放对象锁public static boolean holdsLock(Object x)当且仅当当前线程在指定的对象上保持监视器锁时才返回 truepublic static ThreadcurrentThread()返回对当前正在执行的线程对象的引用public static void dumpStack()将当前线程的堆栈跟踪打印至标准错误流ExecutorService 类Java 并发编程中的一个核心接口它属于 java.util.concurrent 包提供了一种更高级的线程管理方式允许开发者高效地执行异步任务而无需手动创建和管理线程主要作用线程池管理自动管理线程的生命周期减少线程创建和销毁的开销任务调度支持提交 Runnable 或 Callable 任务并返回 Future 对象以跟踪任务执行状态资源优化通过线程池复用线程提高系统性能创建Java 提供了Executors 工具类来创建不同类型的线程池ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads【, ThreadFactory threadFactory】)创建固定大小的线程池适用于负载稳定的任务ExecutorService newCachedThreadPool(【ThreadFactory threadFactory】)创建可缓存的线程池适用于短生命周期的异步任务ExecutorService newSingleThreadExecutor(【ThreadFactory threadFactory】)创建单线程的线程池适用于顺序执行的任务ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize【, ThreadFactory threadFactory】)创建支持定时或周期性任务的线程池核心方法submit()用于提交一个任务Runnable 或 Callable并返回 Future 对象以便检查任务是否完成或获取返回值ExecutorServiceexecutorExecutors.newFixedThreadPool(2);Future?futureexecutor.submit(()-{System.out.println(Task is running);});execute()仅用于提交 Runnable 任务不返回任何结果executor.execute(()-{System.out.println(Task executed);});shutdown()优雅关闭线程池不再接受新任务但会等待已提交的任务完成executor.shutdown();shutdownNow()立即关闭线程池尝试中断所有正在执行的任务并返回未执行的任务列表ListRunnablenotExecutedTasksexecutor.shutdownNow();awaitTermination()等待线程池关闭直到所有任务完成或超时executor.awaitTermination(10,TimeUnit.SECONDS);线程池在实际开发中通常使用线程池来管理线程而不是直接创建 Thread 对象importjava.util.concurrent.ExecutorService;importjava.util.concurrent.Executors;publicclassThreadPoolExample{publicstaticvoidmain(String[]args){ExecutorServiceexecutorExecutors.newFixedThreadPool(5);for(inti0;i10;i){executor.execute(()-{System.out.println(线程执行任务);});}executor.shutdown();}}提交 Callable 任务并获取结果ExecutorServiceexecutorExecutors.newFixedThreadPool(2);FutureStringfutureexecutor.submit(()-{Thread.sleep(1000);returnTask completed;});try{Stringresultfuture.get();// 阻塞直到任务完成System.out.println(result);}catch(Exceptione){e.printStackTrace();}executor.shutdown();最佳实践合理设置线程池大小CPU 密集型任务线程数 CPU 核心数 1IO 密集型任务线程数 CPU 核心数 * 2避免内存泄漏确保调用 shutdown() 或 shutdownNow() 关闭线程池处理异常使用 try-catch 捕获任务中的异常防止线程意外终止使用 Future 管理任务通过 Future.get() 获取任务结果或检查任务状态线程的主要概念有效利用多线程的关键是理解程序是并发执行而不是串行执行的通过对多线程的使用可以编写出非常高效的程序如果创建了太多的线程程序执行的效率实际上是降低了而不是提升了上下文的切换开销也很重要如果创建了太多的线程CPU 花费在上下文的切换的时间将多于执行程序的时间线程同步当多个线程访问共享资源时需要使用同步机制来避免数据不一致问题同步的前提必须有2个及以上的线程必须是多个线程使用同一个锁好处解决了多线程的安全问题坏处多个线程需要判断锁较为消耗资源必须保证同步中只能有一个线程在运行静态进内存时内存中没有本类对象但是一定有该类对应的字节码文件对象 类名.class该对象的类型是class静态的同步方法使用的锁是该方法所在类的字节码文件对象 类名.class使用 synchronized 关键字同步代码块常用对象如同锁持有锁的线程可以在同步中执行没有持有锁的线程即使获取CPU的执行权也进不去因为没有获取锁synchronized(对象){需要被同步的代码}同步方法一个对象的一个 synchronized 方法只能由一个线程访问方法需要被对象调用那么方法都有一个所属对象引用就是this所以同步方法使用的锁是thisclassCounter{privateintcount0;// 同步方法publicsynchronizedvoidincrement(){count;}}使用 Lock 接口优先级高JDK1.5中提供了多线程升级解决方案将同步 synchronized 替换成显示 Lock 操作将 Object 中的wait()、notify()、notifyAll()替换成 Condition 中的await()、signal()、signalAll()该 Condition对象 可通过 Lock锁 进行获取Lock锁 可定义 多个Condition可实现本方只唤醒对方操作synchronized 会自动释放锁而 Lock 一定要手工释放importjava.util.concurrent.locks.Lock;importjava.util.concurrent.locks.ReentrantLock;classCounter{privateintcount0;privateLocklocknewReentrantLock();publicvoidincrement(){lock.lock();// 加锁try{count;}finally{lock.unlock();// 释放锁}}}优先级Lock 同步代码块 同步方法线程间通信其实就是多个线程在操作同一个资源但操作的动作不同线程死锁同步中嵌套同步两个人都抱着对方的锁互斥、请求与保持、不剥夺条件、循环等待条件线程控制挂起、停止和恢复wait()使当前线程放弃执行资格并进入等待状态notify()随机唤醒一个等待线程(通常是最早等待的)注意不能确切的唤醒某一个等待状态的线程而是由JVM确定唤醒哪个线程而不是按优先级notifyAll()唤醒所有等待线程注意并不是给所有唤醒线程一个对象的锁而是让它们竞争必须配合 synchronized 使用否则会抛出 IllegalMonitorStateException每次 wait() 前必须 notify()避免线程永久等待扩展wait()notify()notifyAll()都使用在同步中因为要对持有监视器(锁)的线程操作所以要使用在同步中因为只有同步才具有锁why这些操作线程的方法要定义在Object类中因为这些方法在操作同步中线程时都必须要标识它们所操作线程只有的锁只有同一个锁上的被等待线程可以被同一个锁上的notify 唤醒不可以对不同锁中的线程进行唤醒也就是说等待和唤醒必须是同一个锁而锁可以是任意对象所以可以被任意对象调用的方法定义在Object类中多消费者多生产者while notifyAll为什么要定义 while 判断标记让被唤醒的线程再一次判断标记whynotifyAll因为需要唤醒对方线程因为只用 notify 容易出现只唤醒本方线程的情况导致程序中的所有线程都等待