Android之多线程实现方式及并发与同步

前言：说到多线程，就不得不先说它和进程的关系，这里先简单解释一下，当一个app程序启动时系统默认有一个进程和主线程，在程序运行中想要异步操作，就会创建不止一个子线程即多线程。用多线程只有一个目的，那就是更好的利用cpu的资源，因为所有的多线程代码都可以用单线程来实现。说这个话其实只有一半对，因为反应“多角色”的程序代码，最起码每个角色要给他一个线程吧，否则连实际场景都无法模拟，当然也没法说能用单线程来实现：比如最常见的“生产者，消费者模型”。

一、多线程实现方式：（三种）

1、继承Thread类，重写run函数方法：

class xx extends Thread{    public void run(){        Thread.sleep(1000);    //线程休眠1000毫秒，sleep使线程进入Block状态，并释放资源    }}xx.start();    //启动线程，run函数运行

2、实现Runnable接口，重写run函数方法：

Runnable run =new Runnable() {    @Override    public void run() {            }}

3、实现Callable接口，重写call函数方法：

Callable call =new Callable() {    @Override    public Object call() throws Exception {        return null;    }}

  讲解：

A、Callable与Runnable的相同之处：
①都是可被其它线程执行的任务。

B、 Callable和Runnable的不同之处:

            ①Callable规定的方法是call()，而Runnable规定的方法是run().
            ②Callable的任务执行后可返回值，而Runnable的任务是不能返回值的
            ③call()方法可抛出异常，而run()方法是不能抛出异常的。
            ④运行Callable任务可拿到一个Future对象，Future表示异步计算的结果。通过Future对象可了解任务执行情况,可取消任务的执行。

二、多线程的相关概念：

并行：多个cpu实例或多台机器同时执行一段处理逻辑，是真正的同时。

并发：通过cpu调度算法，让用户看上去同时执行，实际上从cpu操作层面不是真正的同时。

• 线程安全：经常用来描绘一段代码。指在并发的情况之下，该代码经过多线程使用，线程的调度顺序不影响任何结果。这个时候使用多线程，我们只需要关注系统的内存，cpu是不是够用即可。反过来，线程不安全就意味着线程的调度顺序会影响最终结果，如不加事务的转账代码：

  void transferMoney(User from, User to, float amount){  to.setMoney(to.getBalance() + amount);  from.setMoney(from.getBalance() - amount);}

• 同步：Java中的同步指的是通过人为的控制和调度，保证共享资源的多线程访问成为线程安全，来保证结果的准确。如上面的代码简单加入@synchronized关键字。在保证结果准确的同时，提高性能，才是优秀的程序。线程安全的优先级高于性能。

三、线程状态转换：

1、wait()  :使一个线程处于等待状态，并且释放所有持有对象的lock锁，直到notify()/notifyAll()被唤醒后放到锁定池(lock blocked pool )，释放同步锁使线程回到可运行状态（Runnable）。

2、sleep():使一个线程处于睡眠状态，是一个静态方法，调用此方法要捕捉Interrupted异常，醒来后进入runnable状态，等待JVM调度。

3、notify():使一个等待状态的线程唤醒，注意并不能确切唤醒等待状态线程，是由JVM决定且不按优先级。

4、allnotify():使所有等待状态的线程唤醒，注意并不是给所有线程上锁，而是让它们竞争。

5、join()：使一个线程中断，IO完成会回到Runnable状态，等待JVM的调度。

6、Synchronized():使Running状态的线程加同步锁使其进入(lock blocked pool ),同步锁被释放进入可运行状态(Runnable)。

注意：在runnable状态的线程是处于被调度的线程，此时的调度顺序是不一定的。Thread类中的yield方法可以让一个running状态的线程转入runnable。

四、线程同步的Synchronized方法：（本章重点）

有synchronized关键字修饰的方法。 由于java的每个对象都有一个内置锁，当用此关键字修饰方法时， 内置锁会保护整个方法。在调用该方法前，需要获得内置锁，否则就处于阻塞状态。注： synchronized关键字也可以修饰静态方法，此时如果调用该静态方法，将会锁住整个类。

1、同步方法:给一个方法增加synchronized修饰符之后就可以使它成为同步方法，这个方法可以是静态方法和非静态方法，但是不能是抽象类的抽象方法，也不能是接口中的接口方法。下面代码是一个同步方法的示例：

public synchronized void aMethod() {     // do something } public static synchronized void anotherMethod() {     // do something } 

线程在执行同步方法时是具有排它性的。当任意一个线程进入到一个对象的任意一个同步方法时，这个对象的所有同步方法都被锁定了，在此期间，其他任何线程都不能访问这个对象的任意一个同步方法，直到这个线程执行完它所调用的同步方法并从中退出，从而导致它释放了该对象的同步锁之后。在一个对象被某个线程锁定之后，其他线程是可以访问这个对象的所有非同步方法的。

2、同步块：同步块是通过锁定一个指定的对象，来对同步块中包含的代码进行同步；而同步方法是对这个方法块里的代码进行同步，而这种情况下锁定的对象就是同步方法所属的主体对象自身。如果这个方法是静态同步方法呢？那么线程锁定的就不是这个类的对象了，也不是这个类自身，而是这个类对应的java.lang.Class类型的对象。同步方法和同步块之间的相互制约只限于同一个对象之间，所以静态同步方法只受它所属类的其它静态同步方法的制约，而跟这个类的实例（对象）没有关系。

如果一个对象既有同步方法，又有同步块，那么当其中任意一个同步方法或者同步块被某个线程执行时，这个对象就被锁定了，其他线程无法在此时访问这个对象的同步方法，也不能执行同步块。

synchronized 关键字用于保护共享数据。请大家注意“共享数据”，你一定要分清哪些数据是共享数据，请看下面的例子：

public class ThreadTest implements Runnable{public synchronized void run(){　　for(int i=0;i<10;i++) {　　　　System.out.print(" " + i);　　}}public static void main(String[] args) {　　Runnable r1 = new ThreadTest(); //也可写成ThreadTest r1 = new ThreadTest();　　Runnable r2 = new ThreadTest();　　Thread t1 = new Thread(r1);　　Thread t2 = new Thread(r2);　　t1.start();　　t2.start();}}

 

在这个程序中，run()虽然被加上了synchronized 关键字，但保护的不是共享数据。因为这个程序中的t1,t2 是两个对象（r1,r2）的线程。而不同的对象的数据是不同的，r1,r2 有各自的run()方法，所以输出结果无法预知。

synchronized的目的是使同一个对象的多个线程，在某个时刻只有其中的一个线程可以访问这个对象的synchronized 数据。每个对象都有一个“锁标志”，当这个对象的一个线程访问这个对象的某个synchronized 数据时，这个对象的所有被synchronized 修饰的数据将被上锁（因为“锁标志”被当前线程拿走了），只有当前线程访问完它要访问的synchronized 数据时，当前线程才会释放“锁标志”，这样同一个对象的其它线程才有机会访问synchronized 数据。

示例3：

public class ThreadTest implements Runnable{public synchronized void run(){　　for(int i=0;i<10;i++){　　　　System.out.print(" " + i);　　}}public static void main(String[] args){　　Runnable r = new ThreadTest();　　Thread t1 = new Thread(r);　　Thread t2 = new Thread(r);　　t1.start();　　t2.start();}}

 

如果你运行1000 次这个程序，它的输出结果也一定每次都是：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9。因为这里的synchronized 保护的是共享数据。t1,t2 是同一个对象（r）的两个线程，当其中的一个线程（例如：t1）开始执行run()方法时，由于run()受synchronized保护，所以同一个对象的其他线程（t2）无法访问synchronized 方法（run 方法）。只有当t1执行完后t2 才有机会执行。

示例4：

public class ThreadTest implements Runnable{public void run(){    synchronized(this){    for(int i=0;i<10;i++){        System.out.print(" " + i);    }} }public static void main(String[] args){    Runnable r = new ThreadTest();    Thread t1 = new Thread(r);    Thread t2 = new Thread(r);    t1.start();    t2.start();}}    

 

这个程序与示例3 的运行结果一样。在可能的情况下，应该把保护范围缩到最小，可以用示例4 的形式，this 代表“这个对象”。没有必要把整个run()保护起来，run()中的代码只有一个for循环，所以只要保护for 循环就可以了。

示例5：

public class ThreadTest implements Runnable{public void run(){　　for(int k=0;k<5;k++){　　　　System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " : for loop : " + k);　　}synchronized(this){　　for(int k=0;k<5;k++) {　　　　System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " : synchronized for loop : " + k);　　}} }public static void main(String[] args){　　Runnable r = new ThreadTest();　　Thread t1 = new Thread(r,"t1_name");　　Thread t2 = new Thread(r,"t2_name");　　t1.start();　　t2.start();} }

 

运行结果：

t1_name : for loop : 0

t1_name : for loop : 1

t1_name : for loop : 2

t2_name : for loop : 0

t1_name : for loop : 3

t2_name : for loop : 1

t1_name : for loop : 4

t2_name : for loop : 2

t1_name : synchronized for loop : 0

t2_name : for loop : 3

t1_name : synchronized for loop : 1

t2_name : for loop : 4

t1_name : synchronized for loop : 2

t1_name : synchronized for loop : 3

t1_name : synchronized for loop : 4

t2_name : synchronized for loop : 0

t2_name : synchronized for loop : 1

t2_name : synchronized for loop : 2

t2_name : synchronized for loop : 3

t2_name : synchronized for loop : 4

第一个for 循环没有受synchronized 保护。对于第一个for 循环，t1,t2 可以同时访问。运行结果表明t1 执行到了k=2 时，t2 开始执行了。t1 首先执行完了第一个for 循环，此时t2还没有执行完第一个for 循环（t2 刚执行到k=2）。t1 开始执行第二个for 循环，当t1的第二个for 循环执行到k=1 时，t2 的第一个for 循环执行完了。t2 想开始执行第二个for 循环，但由于t1 首先执行了第二个for 循环，这个对象的锁标志自然在t1 手中（synchronized 方法的执行权也就落到了t1 手中），在t1 没执行完第二个for 循环的时候，它是不会释放锁标志的。所以t2 必须等到t1 执行完第二个for 循环后，它才可以执行第二个for 循环。

五、使用特殊域变量(volatile)实现线程同步：

    a.volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制

    b.使用volatile修饰域相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新

    c.因此每次使用该域就要重新计算，而不是使用寄存器中的值 

    d.volatile不会提供任何原子操作，它也不能用来修饰final类型的变量 

    

    例如： 

        在上面的例子当中，只需在account前面加上volatile修饰，即可实现线程同步。 

    

    代码实例： 

 

        //只给出要修改的代码，其余代码与上同        class Bank {            //需要同步的变量加上volatile            private volatile int account = 100;             public int getAccount() {                return account;            }            //这里不再需要synchronized             public void save(int money) {                account += money;            }        ｝

    注：多线程中的非同步问题主要出现在对域的读写上，如果让域自身避免这个问题，则就不需要修改操作该域的方法。 

    用final域，有锁保护的域和volatile域可以避免非同步的问题。 

六、使用重入锁实现线程同步：

    在JavaSE5.0中新增了一个java.util.concurrent包来支持同步。 

    ReentrantLock类是可重入、互斥、实现了Lock接口的锁，它与使用synchronized方法和快具有相同的基本行为和语义，并且扩展了其能力。

 ReenreantLock类的常用方法有：

ReentrantLock() : 创建一个ReentrantLock实例 lock() : 获得锁 unlock() : 释放锁 

注：ReentrantLock()还有一个可以创建公平锁的构造方法，但由于能大幅度降低程序运行效率，不推荐使用 

        

    例如： 

        在上面例子的基础上，改写后的代码为: 

       //只给出要修改的代码，其余代码与上同        class Bank {                        private int account = 100;            //需要声明这个锁            private Lock lock = new ReentrantLock();            public int getAccount() {                return account;            }            //这里不再需要synchronized             public void save(int money) {                lock.lock();                try{                    account += money;                }finally{                    lock.unlock();                }                            }        ｝

    注：关于Lock对象和synchronized关键字的选择： 

        a.最好两个都不用，使用一种java.util.concurrent包提供的机制，能够帮助用户处理所有与锁相关的代码。 

        b.如果synchronized关键字能满足用户的需求，就用synchronized，因为它能简化代码 

        c.如果需要更高级的功能，就用ReentrantLock类，此时要注意及时释放锁，否则会出现死锁，通常在finally代码释放锁 

 

七、使用局部变量实现线程同步：

    如果使用ThreadLocal管理变量，则每一个使用该变量的线程都获得该变量的副本，副本之间相互独立，这样每一个线程都可以随意修改自己的变量副本，而不会对其他线程产生影响。

     ThreadLocal 类的常用方法

ThreadLocal() : 创建一个线程本地变量 get() : 返回此线程局部变量的当前线程副本中的值 initialValue() : 返回此线程局部变量的当前线程的"初始值" set(T value) : 将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为value

    例如： 

        在上面例子基础上，修改后的代码为： 

        //只改Bank类，其余代码与上同        public class Bank{            //使用ThreadLocal类管理共享变量account            private static ThreadLocal<Integer> account = new ThreadLocal<Integer>(){                @Override                protected Integer initialValue(){                    return 100;                }            };            public void save(int money){                account.set(account.get()+money);            }            public int getAccount(){                return account.get();            }        }

    注：ThreadLocal与同步机制 

        a.ThreadLocal与同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。 

        b.前者采用以"空间换时间"的方法，后者采用以"时间换空间"的方式

 

八、使用阻塞队列实现线程同步：

前面5种同步方式都是在底层实现的线程同步，但是我们在实际开发当中，应当尽量远离底层结构。 使用javaSE5.0版本中新增的java.util.concurrent包将有助于简化开发。 本小节主要是使用LinkedBlockingQueue<E>来实现线程的同步 LinkedBlockingQueue<E>是一个基于已连接节点的，范围任意的blocking queue。 队列是先进先出的顺序（FIFO），关于队列以后会详细讲解~LinkedBlockingQueue 类常用方法 LinkedBlockingQueue() : 创建一个容量为Integer.MAX_VALUE的LinkedBlockingQueue put(E e) : 在队尾添加一个元素，如果队列满则阻塞 size() : 返回队列中的元素个数 take() : 移除并返回队头元素，如果队列空则阻塞代码实例： 实现商家生产商品和买卖商品的同步

 

注：BlockingQueue<E>定义了阻塞队列的常用方法，尤其是三种添加元素的方法，我们要多加注意，当队列满时：

　　add()方法会抛出异常

　　offer()方法返回false

　　put()方法会阻塞

九、使用原子变量实现线程同步：

需要使用线程同步的根本原因在于对普通变量的操作不是原子的。

那么什么是原子操作呢？原子操作就是指将读取变量值、修改变量值、保存变量值看成一个整体来操作即-这几种行为要么同时完成，要么都不完成。在java的util.concurrent.atomic包中提供了创建了原子类型变量的工具类，使用该类可以简化线程同步。其中AtomicInteger 表可以用原子方式更新int的值，可用在应用程序中(如以原子方式增加的计数器)，但不能用于替换Integer；可扩展Number，允许那些处理机遇数字类的工具和实用工具进行统一访问。

AtomicInteger类常用方法：

AtomicInteger(int initialValue) : 创建具有给定初始值的新的

AtomicIntegeraddAddGet(int dalta) : 以原子方式将给定值与当前值相加

get() : 获取当前值

代码实例：

只改Bank类，其余代码与上面第一个例子同

class Bank {    private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100);    public AtomicInteger getAccount() {        return account;     }     public void save(int money) {        account.addAndGet(money);    }}

补充--原子操作主要有：　　

对于引用变量和大多数原始变量(long和double除外)的读写操作；　　

对于所有使用volatile修饰的变量(包括long和double)的读写操作。

另外，可以使用线程池进行管理及优化。

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