java 多线程编程总结

java线程：概念与原理

现在的操作系统是多任务操作系统。多线程是实现多任务的一种方式。

进程是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有自己独立的一块内存空间，一个进程中可以启动多个线程。比如在Windows系统中，一个运行的exe就是一个进程。

线程是指进程中的一个执行流程，一个进程中可以运行多个线程。比如java.exe进程中可以运行很多线程。线程总是属于某个进程，进程中的多个线程共享进程的内存。同时”执行是人的感觉，在线程之间实际上轮换执行。

Java中的线程

在Java中，“线程”指两件不同的事情：
1、java.lang.Thread类的一个实例；

2、线程的执行。

使用java.lang.Thread类或者java.lang.Runnable接口编写代码来定义、实例化和启动新线程。

一个Thread类实例只是一个对象，像Java中的任何其他对象一样，具有变量和方法，生死于堆上。

一个Java应用总是从main()方法开始运行，mian()方法运行在一个线程内，它被称为主线程。

一旦创建一个新的线程，就产生一个新的调用栈。

线程总体分两类：用户线程和守候线程。

当所有用户线程执行完毕的时候，JVM自动关闭。但是守候线程却不独立于JVM，守候线程一般是由操作系统或者用户自己创建的

线程的两个简单例子：

例子

 

1、实现Runnable接口的多线程例子

/**
* 实现Runnable接口的类
*
*/
public class DoSomethingimplements Runnable {
    private String name;

    public DoSomething(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(name+ ": " + i);
        }
    }
}

 

/**
* 测试Runnable类实现的多线程程序
*
*/
public class TestRunnable {
    public staticvoid main(String[] args) {
        DoSomething ds1 = new DoSomething("阿三");
        DoSomething ds2 = new DoSomething("李四");

        Thread t1 = new Thread(ds1);
        Thread t2 = new Thread(ds2);

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

Process finished with exit code 0

 

2、扩展Thread类实现的多线程例子

 

/**
* 测试扩展Thread类实现的多线程程序
*
*/
public class TestThreadextends Thread{
    public TestThread(String name) {
        super(name);
    }

    public void run() {
        for(int i = 0;i<5;i++){
            System.out.println(this.getName()+" :"+i);
        }
    }

    public staticvoid main(String[] args) {
        Thread t1 = new TestThread("阿三");
        Thread t2 = new TestThread("李四");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

线程的基本状态：就绪、运行、阻塞

2、就绪状态：当线程有资格运行，但调度程序还没有把它选定为运行线程时线程所处的状态。当start()方法调用时，线程首先进入就绪状态。在线程运行之后或者从阻塞、等待或睡眠状态回来后，也返回到就绪状态。

运行状态：线程调度程序从可运行池中选择一个线程作为当前线程时线程所处的状态。这也是线程进入运行状态的唯一一种方式。
等待/阻塞/睡眠状态：这是线程有资格运行时它所处的状态。实际上这个三状态组合为一种，其共同点是：线程仍旧是活的，但是当前没有条件运行。换句话说，它是可运行的，但是如果某件事件出现，他可能返回到可运行状态。

二、阻止线程执行

对于线程的阻止，考虑一下三个方面，不考虑IO阻塞的情况：

睡眠；

等待；

因为需要一个对象的锁定而被阻塞。

1、睡眠

Thread.sleep(longmillis)和Thread.sleep(longmillis, int nanos)静态方法强制当前正在执行的线程休眠（暂停执行），以“减慢线程”。当线程睡眠时，它入睡在某个地方，在苏醒之前不会返回到可运行状态。当睡眠时间到期，则返回到可运行状态。

睡眠的位置：为了让其他线程有机会执行，可以将Thread.sleep()的调用放线程run()之内。这样才能保证该线程执行过程中会睡眠。

注意：

线程睡眠是帮助所有线程获得运行机会的最好方法。

线程睡眠到期自动苏醒，并返回到可运行状态，不是运行状态。sleep()中指定的时间是线程不会运行的最短时间。因此，sleep()方法不能保证该线程睡眠到期后就开始执行。

sleep()是静态方法，只能控制当前正在运行的线程。

2 线程的优先级和线程让步yield()

线程的让步是通过Thread.yield()来实现的。yield()方法的作用是：暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。

Thread.yield()方法作用是：暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。

yield()应该做的是让当前运行线程回到可运行状态，以允许具有相同优先级的其他线程获得运行机会。因此，使用yield()的目的是让相同优先级的线程之间能适当的轮转执行。但是，实际中无法保证yield()达到让步目的，因为让步的线程还有可能被线程调度程序再次选中。

线程的同步与锁

一、同步问题提出

线程的同步是为了防止多个线程访问一个数据对象时，对数据造成的破坏。

二 锁的原理

 

Java中每个对象都有一个内置锁

 

当程序运行到非静态的synchronized同步方法上时，自动获得与正在执行代码类的当前实例（this实例）有关的锁。获得一个对象的锁也称为获取锁、锁定对象、在对象上锁定或在对象上同步。

当程序运行到synchronized同步方法或代码块时才该对象锁才起作用。

一个对象只有一个锁。所以，如果一个线程获得该锁，就没有其他线程可以获得锁，直到第一个线程释放（或返回）锁。这也意味着任何其他线程都不能进入该对象上的synchronized方法或代码块，直到该锁被释放。

释放锁是指持锁线程退出了synchronized同步方法或代码块。

关于锁和同步，有一下几个要点：

1）、只能同步方法，而不能同步变量和类；

2）、每个对象只有一个锁；当提到同步时，应该清楚在什么上同步？也就是说，在哪个对象上同步？

3）、不必同步类中所有的方法，类可以同时拥有同步和非同步方法。

4）、如果两个线程要执行一个类中的synchronized方法，并且两个线程使用相同的实例来调用方法，那么一次只能有一个线程能够执行方法，另一个需要等待，直到锁被释放。也就是说：如果一个线程在对象上获得一个锁，就没有任何其他线程可以进入（该对象的）类中的任何一个同步方法。

5）、如果线程拥有同步和非同步方法，则非同步方法可以被多个线程自由访问而不受锁的限制。

6）、线程睡眠时，它所持的任何锁都不会释放。

7）、线程可以获得多个锁。比如，在一个对象的同步方法里面调用另外一个对象的同步方法，则获取了两个对象的同步锁。

8）、同步损害并发性，应该尽可能缩小同步范围。同步不但可以同步整个方法，还可以同步方法中一部分代码块。

9）、在使用同步代码块时候，应该指定在哪个对象上同步，也就是说要获取哪个对象的锁。

三、静态方法同步

 

要同步静态方法，需要一个用于整个类对象的锁，这个对象是就是这个类（XXX.class)。

例如：

public static synchronized int setName(String name){

      Xxx.name = name;

}

等价于
public static int setName(String name){
      synchronized(Xxx.class){
            Xxx.name =name;
      }
}

四、如果线程不能不能获得锁会怎么样

 

如果线程试图进入同步方法，而其锁已经被占用，则线程在该对象上被阻塞。实质上，线程进入该对象的的一种池中，必须在哪里等待，直到其锁被释放，该线程再次变为可运行或运行为止。

 

当考虑阻塞时，一定要注意哪个对象正被用于锁定：

1、调用同一个对象中非静态同步方法的线程将彼此阻塞。如果是不同对象，则每个线程有自己的对象的锁，线程间彼此互不干预。

 

2、调用同一个类中的静态同步方法的线程将彼此阻塞，它们都是锁定在相同的Class对象上。

 

3、静态同步方法和非静态同步方法将永远不会彼此阻塞，因为静态方法锁定在Class对象上，非静态方法锁定在该类的对象上。

 

4、对于同步代码块，要看清楚什么对象已经用于锁定（synchronized后面括号的内容）。在同一个对象上进行同步的线程将彼此阻塞，在不同对象上锁定的线程将永远不会彼此阻塞。

 

五、何时需要同步

 

在多个线程同时访问互斥（可交换）数据时，应该同步以保护数据，确保两个线程不会同时修改更改它。

 

对于非静态字段中可更改的数据，通常使用非静态方法访问。

对于静态字段中可更改的数据，通常使用静态方法访问。

六、线程安全类

 

当一个类已经很好的同步以保护它的数据时，这个类就称为“线程安全的”。

 

即使是线程安全类，也应该特别小心，因为操作的线程是间仍然不一定安全。

 

举个形象的例子，比如一个集合是线程安全的，有两个线程在操作同一个集合对象，当第一个线程查询集合非空后，删除集合中所有元素的时候。第二个线程也来执行与第一个线程相同的操作，也许在第一个线程查询后，第二个线程也查询出集合非空，但是当第一个执行清除后，第二个再执行删除显然是不对的，因为此时集合已经为空了。

看个代码：

 

public class NameList {
    private List nameList = Collections.synchronizedList(new LinkedList());

    public void add(String name) {
        nameList.add(name);
    }

    public String removeFirst() {
        if (nameList.size() > 0) {
            return (String)nameList.remove(0);
        } else {
            return null;
        }
    }
}

 

public class Test {
    public staticvoid main(String[] args) {
        final NameList nl = new NameList();
        nl.add("aaa");
        class NameDropper extends Thread{
            public void run(){
                Stringname = nl.removeFirst();
                System.out.println(name);
            }
        }

        Thread t1 = new NameDropper();
        Thread t2 = new NameDropper();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

 

虽然集合对象

    private List nameList =Collections.synchronizedList(new LinkedList());
是同步的，但是程序还不是线程安全的。

出现这种事件的原因是，上例中一个线程操作列表过程中无法阻止另外一个线程对列表的其他操作。

 

解决上面问题的办法是，在操作集合对象的NameList上面做一个同步。改写后的代码如下：

public class NameList {
    private List nameList = Collections.synchronizedList(new LinkedList());

    public synchronizedvoid add(String name) {
        nameList.add(name);
    }

    public synchronized String removeFirst() {
        if (nameList.size() > 0) {
            return (String)nameList.remove(0);
        } else {
            return null;
        }
    }
}

 

这样，当一个线程访问其中一个同步方法时，其他线程只有等待。

线程的交互

void notify()
          唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。
 void notifyAll()
          唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。
 void wait()
          导致当前的线程等待，直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法。

 

当然，wait()还有另外两个重载方法：

 void wait(long timeout)
          导致当前的线程等待，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。
 void wait(long timeout, int nanos)
          导致当前的线程等待，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。

/**
* 计算输出其他线程锁计算的数据
*
*/
public class ThreadA {
    public staticvoid main(String[] args) {
        ThreadB b = new ThreadB();
        //启动计算线程
        b.start();
        //线程A拥有b对象上的锁。线程为了调用wait()或notify()方法，该线程必须是那个对象锁的拥有者
        synchronized (b) {
            try {
                System.out.println("等待对象b完成计算。。。");
                //当前线程A等待
                b.wait();
            } catch(InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("b对象计算的总和是：" + b.total);
        }
    }
}

 

/**
* 计算1+2+3 ... +100的和
*
*/
public class ThreadBextends Thread {
    int total;

    public void run() {
        synchronized (this) {
            for (int i = 0; i < 101;i++) {
                total+= i;
            }
            //（完成计算了）唤醒在此对象监视器上等待的单个线程，在本例中线程A被唤醒
            notify();
        }
    }
}

 

等待对象b完成计算。。。
b对象计算的总和是：5050

二、多个线程在等待一个对象锁时候使用notifyAll()

**
* 计算线程
*
*/
public class Calculatorextends Thread {
        int total;

        public void run() {
                synchronized (this) {
                        for (int i = 0; i < 101;i++) {
                                total+= i;
                        }
                }
                //通知所有在此对象上等待的线程
                notifyAll();
        }
}

 

/**
* 获取计算结果并输出
*
* @author leizhimin 2008-9-20 11:15:22
*/
public class ReaderResultextends Thread {
        Calculator c;

        public ReaderResult(Calculator c) {
                this.c = c;
        }

        public void run() {
                synchronized (c) {
                        try {
                                System.out.println(Thread.currentThread()+ "等待计算结果。。。");
                                c.wait();
                        }catch(InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread()+ "计算结果为：" + c.total);
                }
        }

        public staticvoid main(String[] args) {
                Calculatorcalculator = new Calculator();

                //启动三个线程，分别获取计算结果
                newReaderResult(calculator).start();
                newReaderResult(calculator).start();
                newReaderResult(calculator).start();
                //启动计算线程
                calculator.start();
        }
}

守护线程与普通线程写法上基本么啥区别，调用线程对象的方法setDaemon(true)，则可以将其设置为守护线程。

 

守护线程使用的情况较少，但并非无用，举例来说，JVM的垃圾回收、内存管理等线程都是守护线程。还有就是在做数据库应用时候，使用的数据库连接池，连接池本身也包含着很多后台线程，监控连接个数、超时时间、状态等等。

线程的同步-同步方法

把竞争访问的资源标识为private；

同步哪些修改变量的代码，使用synchronized关键字同步方法或代码。

当然这不是唯一控制并发安全的途径。

 

synchronized关键字使用说明

synchronized只能标记非抽象的方法，不能标识成员变量。

对于同步，除了同步方法外，还可以使用同步代码块，有时候同步代码块会带来比同步方法更好的效果。

追其同步的根本的目的，是控制竞争资源的正确的访问，因此只要在访问竞争资源的时候保证同一时刻只能一个线程访问即可，因此Java引入了同步代码快的策略，以提高性能。

synchronized (this) { 相当于一个临界区

。。。

}

新特征-锁（上）

在Java5中，专门提供了锁对象，利用锁可以方便的实现资源的封锁，用来控制对竞争资源并发访问的控制，这些内容主要集中在java.util.concurrent.locks包下面，里面有三个重要的接口Condition、Lock、ReadWriteLock。

importjava.util.concurrent.ExecutorService;
importjava.util.concurrent.Executors;
importjava.util.concurrent.locks.Lock;
importjava.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
* Java线程：锁
*
* @author leizhimin 2009-11-5 10:57:29
*/
public class Test {
        public staticvoid main(String[] args) {
                //创建并发访问的账户
                MyCountmyCount = new MyCount("95599200901215522", 10000);
                //创建一个锁对象
                Locklock = new ReentrantLock();
                //创建一个线程池
                ExecutorServicepool = Executors.newCachedThreadPool();
                //创建一些并发访问用户，一个信用卡，存的存，取的取，好热闹啊
                Useru1 = new User("张三", myCount, -4000,lock);
                Useru2 = new User("张三他爹", myCount, 6000,lock);
                Useru3 = new User("张三他弟", myCount, -8000,lock);
                Useru4 = new User("张三", myCount, 800,lock);
                //在线程池中执行各个用户的操作
                pool.execute(u1);
                pool.execute(u2);
                pool.execute(u3);
                pool.execute(u4);
                //关闭线程池
                pool.shutdown();
        }
}

/**
* 信用卡的用户
*/
class User implements Runnable {
        private Stringname;                //用户名
        private MyCountmyCount;        //所要操作的账户
        private intiocash;                //操作的金额，当然有正负之分了
        private LockmyLock;                //执行操作所需的锁对象

        User(String name, MyCountmyCount, int iocash, Lock myLock){
                this.name = name;
                this.myCount = myCount;
                this.iocash = iocash;
                this.myLock = myLock;
        }

        public void run() {
                //获取锁
                myLock.lock();
                //执行现金业务
                System.out.println(name+ "正在操作" + myCount +"账户，金额为" + iocash +"，当前金额为" +myCount.getCash());
                myCount.setCash(myCount.getCash()+ iocash);
                System.out.println(name+ "操作" + myCount +"账户成功，金额为" + iocash +"，当前金额为" +myCount.getCash());
                //释放锁，否则别的线程没有机会执行了
                myLock.unlock();
        }
}

/**
* 信用卡账户，可随意透支
*/
class MyCount {
        private Stringoid;         //账号
        private intcash;            //账户余额

        MyCount(String oid, int cash) {
                this.oid = oid;
                this.cash = cash;
        }

        public String getOid() {
                return oid;
        }

        public void setOid(String oid) {
                this.oid = oid;
        }

        public int getCash() {
                return cash;
        }

        public void setCash(int cash) {
                this.cash = cash;
        }

        @Override
        public String toString() {
                return "MyCount{" +
                                "oid='" + oid + '\'' +
                                ", cash=" + cash +
                                '}';
        }
}

 

张三正在操作MyCount{oid='95599200901215522',cash=10000}账户，金额为-4000，当前金额为10000
张三操作MyCount{oid='95599200901215522',cash=6000}账户成功，金额为-4000，当前金额为6000
张三他爹正在操作MyCount{oid='95599200901215522',cash=6000}账户，金额为6000，当前金额为6000
张三他爹操作MyCount{oid='95599200901215522',cash=12000}账户成功，金额为6000，当前金额为12000
张三他弟正在操作MyCount{oid='95599200901215522',cash=12000}账户，金额为-8000，当前金额为12000
张三他弟操作MyCount{oid='95599200901215522',cash=4000}账户成功，金额为-8000，当前金额为4000
张三正在操作MyCount{oid='95599200901215522',cash=4000}账户，金额为800，当前金额为4000
张三操作MyCount{oid='95599200901215522',cash=4800}账户成功，金额为800，当前金额为4800

Process finished with exit code 0

 

从上面的输出可以看到，利用锁对象太方便了，比直接在某个不知情的对象上用锁清晰多了。

 

但一定要注意的是，在获取了锁对象后，用完后应该尽快释放锁，以便别的等待该锁的线程有机会去执行。

在上文中提到了Lock接口以及对象，使用它，很优雅的控制了竞争资源的安全访问，但是这种锁不区分读写，称这种锁为普通锁。为了提高性能，Java提供了读写锁，在读的地方使用读锁，在写的地方使用写锁，灵活控制，在一定程度上提高了程序的执行效率。

新特征-信号量

Java的信号量实际上是一个功能完毕的计数器，对控制一定资源的消费与回收有着很重要的意义，信号量常常用于多线程的代码中，并能监控有多少数目的线程等待获取资源，并且通过信号量可以得知可用资源的数目等等，这里总是在强调“数目”二字，但不能指出来有哪些在等待，哪些资源可用。

新特征-条件变量

条件变量是Java5线程中很重要的一个概念，顾名思义，条件变量就是表示条件的一种变量。但是必须说明，这里的条件是没有实际含义的，仅仅是个标记而已，并且条件的含义往往通过代码来赋予其含义。

 

这里的条件和普通意义上的条件表达式有着天壤之别。

 

条件变量都实现了java.util.concurrent.locks.Condition接口，条件变量的实例化是通过一个Lock对象上调用newCondition()方法来获取的，这样，条件就和一个锁对象绑定起来了。因此，Java中的条件变量只能和锁配合使用，来控制并发程序访问竞争资源的安全。

 

条件变量的出现是为了更精细控制线程等待与唤醒，在Java5之前，线程的等待与唤醒依靠的是Object对象的wait()和notify()/notifyAll()方法，这样的处理不够精细。

 

而在Java5中，一个锁可以有多个条件，每个条件上可以有多个线程等待，通过调用await()方法，可以让线程在该条件下等待。当调用signalAll()方法，又可以唤醒该条件下的等待的线程。有关Condition接口的API可以具体参考JavaAPI文档。

 

条件变量比较抽象，原因是他不是自然语言中的条件概念，而是程序控制的一种手段。