Java多线程编程核心知识

一、进程与线程的概念

（1）在传统的操作系统中，程序并不能独立运行，作为资源分配和独立运行的基本单位都是进程。

在未配置 OS 的系统中，程序的执行方式是顺序执行，即必须在一个程序执行完后，才允许另一个程序执行；在多道程序环境下，则允许多个程序并发执行。

程序的这两种执行方式间有着显著的不同。也正是程序并发执行时的这种特征，才导致了在操作系统中引入进程的概念。

自从在 20 世纪 60 年代人们提出了进程的概念后，在 OS 中一直都是以进程作为能拥有资源和独立运行的基本单位的。

直到 20 世纪 80 年代中期，人们又提出了比进程更小的能独立运行的基本单位——线程(Threads)，试图用它来提高系统内程序并发执行的程度，从而可进一步提高系统的吞吐量。

特别是在进入 20 世纪 90 年代后，多处理机系统得到迅速发展，线程能比进程更好地提高程序的并行执行程度，充分地发挥多处理机的优越性，因而在近几年所推出的多处理机 OS 中也都引入了线程，以改善 OS 的性能。

—–以上摘自《计算机操作系统-汤小丹等编著-3 版》

（2）下图是来自某知乎用户的解释：

通过上述的大致了解，基本知道线程和进程是干什么的了，那么我们下边给进程和线程总结一下概念：

（3）进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。

在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体；

在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

（4）线程，有时被称为轻量级进程(Lightweight Process，LWP），是程序执行流的最小单元。线程是程序中一个单一的顺序控制流程。

进程内一个相对独立的、可调度的执行单元，是系统独立调度和分派 CPU 的基本单位指运行中的程序的调度单位。

在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作，称为多线程。

（5）进程和线程的关系：

（6）线程和进程各自有什么区别和优劣

• 进程是资源分配的最小单位，线程是程序执行的最小单位。

• 进程有自己的独立地址空间，每启动一个进程，系统就会为它分配地址空间，建立数据表来维护代码段、堆栈段和数据段，这种操作非常昂贵。

  而线程是共享进程中的数据的，使用相同的地址空间，因此 CPU 切换一个线程的花费远比进程要小很多，同时创建一个线程的开销也比进程要小很多，线程的上下文切换的性能消耗要小于进程。

• 线程之间的通信更方便，同一进程下的线程共享全局变量、静态变量等数据，而进程之间的通信需要以通信的方式（IPC)进行。

  不过如何处理好同步与互斥是编写多线程程序的难点。

• 但是多进程程序更健壮，多线程程序只要有一个线程死掉，整个进程也死掉了，而一个进程死掉并不会对另外一个进程造成影响，因为进程有自己独立的地址空间。

二、同步与异步

对于一次方法的调用来说，同步方法调用一旦开始，就必须等待该方法的调用返回，后续的方法才可以继续执行；

异步的话，方法调用一旦开始，就可以立即返回，调用者可以执行后续的方法，这里的异步方法通常会在另一个线程里真实的执行，而不会妨碍当前线程的执行。

三、并行与并发

并发和并行是两个相对容易比较混淆的概念。他都可以表示在同一时间范围内有两个或多个任务同时在执行，但其在任务调度的时候还是有区别的，首先看下图：

并发任务执行过程：

并行任务执行过程：

从上图中可以看到，两个任务在执行的时候，并发是没有时间上的重叠的，两个任务是交替执行的，由于切换的非常快，对于外界调用者来说相当于同一时刻多个任务一起执行了；

而并行可以看到时间上是由重叠的，也就是说并行才是真正意义上的同一时刻可以有多个任务同时执行。

四、Java实现多线程方式

（1）继承Thread，重写run（）方法

   public class MyThread extends Thread {        @Override        public void run() {            while (true) {                System.out.println(this.currentThread().getName());            }        }        public static void main(String[] args) {            MyThread thread = new MyThread();            thread.start(); //线程启动的正确方式        }    }

输出结果：

   Thread-0    Thread-0    Thread-0    ...

另外，要明白启动线程的是 start（）方法而不是run（）方法，如果用run（）方法，那么他就是一个普通的方法执行了。

（2）实现 Runable 接口

   public class MyRunnable implements Runnable {        @Override        public void run() {            System.out.println("123");        }        public static void main(String[] args) {            MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();            Thread thread = new Thread(myRunnable, "t1");            thread.start();        }    }

这里Thread和Runnable的关系是这样的：

Thread类本身实现了Runnable接口，并且持有run方法，但Thread类的run方法主体是空的，Thread类的run方法通常是由子类的run方法重写。

五、线程安全

线程安全概念：当多个线程访问某一个类（对象或方法）时，这个类始终能表现出正确的行为，那么这个类（对象或方法）就是线程安全的。

线程安全就是多线程访问时，采用了加锁机制，当一个线程访问该类的某个数据时，进行保护，其他线程不能进行访问，直到该线程读取完，释放了锁，其他线程才可使用。

这样的话就不会出现数据不一致或者数据被污染的情况。 线程不安全就是不提供数据访问保护，有可能出现多个线程先后更改数据以至于所得到的数据是脏数据。这里的加锁机制常见的如：synchronized

六、synchronized修饰符

（1）synchronized：可以在任意对象及方法上加锁，而加锁的这段代码称为互斥区或临界区。

（2）不使用synchronized实例（代码A）：

   public class MyThread extends Thread {        private int count = 5;        @Override        public void run() {            count--;            System.out.println(this.currentThread().getName() + " count:" + count);        }        public static void main(String[] args) {            MyThread myThread = new MyThread();            Thread thread1 = new Thread(myThread, "thread1");            Thread thread2 = new Thread(myThread, "thread2");            Thread thread3 = new Thread(myThread, "thread3");            Thread thread4 = new Thread(myThread, "thread4");            Thread thread5 = new Thread(myThread, "thread5");            thread1.start();            thread2.start();            thread3.start();            thread4.start();            thread5.start();        }    }

输出的一种结果如下：

   thread3 count:2    thread4 count:1    thread1 count:2    thread2 count:3    thread5 count:0

可以看到，上述的结果是不正确的，这是因为，多个线程同时操作run（）方法，对count进行修改，进而造成错误。

（3）使用synchronized实例（代码B）：

   public class MyThread extends Thread {        private int count = 5;        @Override        public synchronized void run() {            count--;            System.out.println(this.currentThread().getName() + " count:" + count);        }        public static void main(String[] args) {            MyThread myThread = new MyThread();            Thread thread1 = new Thread(myThread, "thread1");            Thread thread2 = new Thread(myThread, "thread2");            Thread thread3 = new Thread(myThread, "thread3");            Thread thread4 = new Thread(myThread, "thread4");            Thread thread5 = new Thread(myThread, "thread5");            thread1.start();            thread2.start();            thread3.start();            thread4.start();            thread5.start();        }    }

输出结果：

   thread1 count:4    thread2 count:3    thread3 count:2    thread5 count:1    thread4 count:0

可以看出代码A和代码B的区别就是在run（）方法上加上了synchronized修饰。

说明如下：

当多个线程访问 MyThread 的 run 方法的时候，如果使用了synchronized修饰，那个多线程就会以排队的方式进行处理（这里排队是按照 CPU 分配的先后顺序而定的）。

一个线程想要执行 synchronized 修饰的方法里的代码，首先是尝试获得锁，如果拿到锁，执行 synchronized 代码体的内容。

如果拿不到锁的话，这个线程就会不断的尝试获得这把锁，直到拿到为止，而且多个线程同时去竞争这把锁，也就是会出现锁竞争的问题。

七、一个对象有一把锁！多个线程多个锁！

何为，一个对象一把锁，多个线程多个锁！首先看一下下边的实例代码（代码C）：

   public class MultiThread {        private int num = 200;        public synchronized void printNum(String threadName, String tag) {            if (tag.equals("a")) {                num = num - 100;                System.out.println(threadName + " tag a,set num over!");            } else {                num = num - 200;                System.out.println(threadName + " tag b,set num over!");            }            System.out.println(threadName + " tag " + tag + ", num = " + num);        }        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {            final MultiThread multiThread1 = new MultiThread();            final MultiThread multiThread2 = new MultiThread();            new Thread(new Runnable() {                public void run() {                    multiThread1.printNum("thread1", "a");                }            }).start();            Thread.sleep(5000);            System.out.println("等待5秒，确保thread1已经执行完毕！");            new Thread(new Runnable() {                public void run() {                    multiThread2.printNum("thread2", "b");                }            }).start();        }    }

输出结果：

   thread1 tag a,set num over!    thread1 tag a, num = 100    等待5秒，确保thread1已经执行完毕！    thread2 tag b,set num over!    thread2 tag b, num = 0

可以看出，有两个对象：multiThread1和multiThread2，如果多个对象使用同一把锁的话，那么上述执行的结果就应该是：thread2 tag b, num = -100，因此，是每一个对象拥有该对象的锁的。

关键字synchronized取得的锁都是对象锁，而不是把一段代码或方法当做锁，所以上述实例代码C中哪个线程先执行synchronized 关键字的方法，那个线程就持有该方法所属对象的锁，两个对象，线程获得的就是两个不同对象的不同的锁，他们互补影响的。

那么，我们在正常的场景的时候，肯定是有一种情况的就是，所有的对象会对一个变量 count 进行操作，那么如何实现哪？

很简单就是加static，我们知道，用 static 修改的方法或者变量，在该类的所有对象是具有相同的引用的，这样的话，无论实例化多少对象，调用的都是一个方法，代码如下（代码D）：

   public class MultiThread {        private static int num = 200;        public static synchronized void printNum(String threadName, String tag) {            if (tag.equals("a")) {                num = num - 100;                System.out.println(threadName + " tag a,set num over!");            } else {                num = num - 200;                System.out.println(threadName + " tag b,set num over!");            }            System.out.println(threadName + " tag " + tag + ", num = " + num);        }        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {            final MultiThread multiThread1 = new MultiThread();            final MultiThread multiThread2 = new MultiThread();            new Thread(new Runnable() {                public void run() {                    multiThread1.printNum("thread1", "a");                }            }).start();            Thread.sleep(5000);            System.out.println("等待5秒，确保thread1已经执行完毕！");            new Thread(new Runnable() {                public void run() {                    multiThread2.printNum("thread2", "b");                }            }).start();        }    }

输出结果：

   thread1 tag a,set num over!    thread1 tag a, num = 100    等待5秒，确保thread1已经执行完毕！    thread2 tag b,set num over!    thread2 tag b, num = -100

可以看出，对变量和方法都加上了static修饰，就可以实现我们所需要的场景。同时也说明了，对于非静态static修饰的方法或变量，是一个对象一把锁的。

八、对象锁的同步和异步

（1）同步：synchronized

同步的概念就是共享，我们要知道“共享”这两个字，如果不是共享的资源，就没有必要进行同步，也就是没有必要进行加锁；

同步的目的就是为了线程的安全，其实对于线程的安全，需要满足两个最基本的特性：原子性和可见性;

（2）异步：asynchronized

异步的概念就是独立，相互之间不受到任何制约，两者之间没有任何关系，这里的异步可以理解为多个线程之间不会竞争共享资源。

（3）示例代码：

   public class MyObject {        public void method() {            System.out.println(Thread.currentThread().getName());        }        public static void main(String[] args) {            final MyObject myObject = new MyObject();            Thread t1 = new Thread(new Runnable() {                public void run() {                    myObject.method();                }            }, "t1");            Thread t2 = new Thread(new Runnable() {                public void run() {                    myObject.method();                }            }, "t2");            t1.start();            t2.start();        }    }

上述代码中method（）就是异步的方法。一方面，他不会出现对共享变量的修改，另一方面，无需保证访问该方法的线程安全性。