JAVA：多线程

一、进程概论
二、线程概论
三、多线程的实现方式
四、线程的生命周期
五、线程同步案例：卖票（锁操作与数据安全问题）
六、多线程协作案例：生产者与消费者问题

一、进程概论

进程就是指正在运行的程序的实例。

当我们打开任务管理器的时候，在进程这一栏我们可以看到当前运行的所有进程,这些被我们称为进程。并且进程是系统进行资源分配和调用的独立单位，在任务管理器中我们可以看到每一个进程都有它自己的CPU占用程度、内存使用成都和对磁盘、网络的使用程度。

二、线程概论

而线程则是进程中的单个顺序的控制六，是一条执行路径。

线程又可以分为单线程和多线程

**单线程：**一个进程如果只有一个执行路径，则成为单线程程序

**多线程：**一个进程如果有多个执行路径，那么成为多线程程序

简单来讲，单线程就相当于我们的脑子，我们做事不可三心两意，所以在同一时间我们只能做一件事。

而多线程就相当于一条多车道的高速公路，一次可以允许几辆车子通过，从而提高了使用效率。

我们总所周知的记事本则是一个单线程程序，当我们在记事本里面打开某一个额外窗口后，不可对前一个窗口进行操作，只能完成或关闭当前操作才可以对上一个窗口操作。

而像QQ这类应用则是一个多线程程序，在我们与其他人在QQ上聊天的时候，还能收到群聊消息。

三、多线程的实现方式

1、Thread（线程类）

Thread是程序中执行的线程。 Java虚拟机允许应用程序同时执行多个执行线程。

创建一个新的执行线程有两种方法。一个是将一个类声明为一个Thread的子类。这个子类应该重写run类的方法Thread 。然后可以分配并启动子类的实例。

（1）Thread构造方法

Thread类常用的构造方法如下：

Constructor	描述
`Thread()`	分配一个新的 `Thread`对象。
`Thread(Runnable target)`	分配一个新的 `Thread`对象。
`Thread(Runnable target, String name)`	分配一个新的 `Thread`对象。

（2）Thread常用方法及其使用案例

Modifier and Type	方法	描述
`void`	`run()`	如果这个线程是使用单独的`Runnable`运行对象构造的，那么这个`Runnable`对象的`run`方法被调用; 否则，此方法不执行任何操作并返回。
`void`	`start()`	导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的`run`方法。
`static void`	`sleep(long millis)`	使当前正在执行的线程停留（暂停执行）指定的毫秒数，这取决于系统定时器和调度程序的精度和准确性。
`void`	`join()`	等待这个线程死亡。
`void`	`setPriority(int newPriority)`	更改此线程的优先级。
`void`	`setDaemon(boolean on)`	将此线程标记为 daemon线程或用户线程。
`String`	`getName()`	返回此线程的名称。
`void`	`setName(String name)`	将此线程的名称更改为等于参数 `name` 。

run()：当子类继承了Thread之后，需要重新run方法，run方法里面是封装线程执行的代码，一般不直接调用，直接调用相当于普通方法的调用。
start() ：启动线程，然后由JVM调用此线程的run()方法。
sleep(long millis)：调用此方法，会使得线程延迟几秒钟后继续执行，在此过程中，其他线程依然可以执行
join()：其他线程必须等待调用了该方法的线程完成后才可以执行。
setPriority(int newPriority)：更换线程优先级，默认优先级为5，优先级一样的线程随机执行，优先级范围为[1, 10]。
setDaemon(boolean on)：守护线程，当被守护的线程死亡后，守护线程也会跟着死亡。
getName()：获得当前线程的名字。
setName(String name)：给当前线程修改名字

/**
* 优先级
*/
public class ThreadPriority extends Thread{
    /**
     * 重写run方法
     */
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ":" + i);
        }
    }
}

package Package01;

/**
 * ThreadPriorityDemo
 */

public class ThreadPriorityDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadPriority tp1 = new ThreadPriority();
        ThreadPriority tp2 = new ThreadPriority();
        ThreadPriority tp3 = new ThreadPriority();

        //设置线程名字
        tp1.setName("高铁");
        tp2.setName("火车");
        tp3.setName("单车");

        //设置线程优先级
        tp1.setPriority(10);
        tp2.setPriority(2);
        tp3.setPriority(1);

        tp1.start();
        tp2.start();
        tp3.start();
    }
}

package Package02;
/**
 * 睡眠
 */
public class ThreadSleep extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ":" + i);
            //使当前正在执行的线程停留（暂停执行）指定的毫秒数
            try {
                sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}


public class ThreadSleepDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadSleep ts1 = new ThreadSleep();
        ThreadSleep ts2 = new ThreadSleep();
        ThreadSleep ts3 = new ThreadSleep();

        ts1.setName("曹操");
        ts2.setName("孙权");
        ts3.setName("刘备");

        ts1.start();
        ts2.start();
        ts3.start();
    }
}


/**
 * 死亡
 */
public class ThreadJoin extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ":" + i);
        }
    }
}

package Package02;

public class ThreadJoinDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadJoin tj1 = new ThreadJoin();
        ThreadJoin tj2 = new ThreadJoin();
        ThreadJoin tj3 = new ThreadJoin();

        tj1.setName("康熙");
        tj2.setName("五阿哥");
        tj3.setName("八阿哥");

        tj1.start();
        try {
            tj1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //等到tj1进程结束后，tj2、tj3的进程才开始
        tj2.start();
        tj3.start();
    }
}

package Package02;

/**
 * 守护线程
 */
public class ThreadDaemon extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ":" + i);
        }
    }
}

package Package02;

public class ThreadDamonDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDaemon td1 = new ThreadDaemon();
        ThreadDaemon td2 = new ThreadDaemon();

        Thread.currentThread().setName("刘备");
        td1.setName("张飞");
        td2.setName("关羽");

        //设置td1、td2为守护线程
        td1.setDaemon(true);
        td2.setDaemon(true);

        td1.start();
        td2.start();

        //当主线程结束，守护线程也将结束
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
        }
    }
}

2、通过实现Runnable接口

Runnable`接口应由任何类实现，其实例将由线程执行。

步骤如下：

定义一个类实现Runnable接口
在该类中重写run方法
创建该类对象
创建Thread对象，把实现Runnable接口的对象作为构造方法的参数
启动线程


/**
 * 实现Runnable接口
 */
public class MyRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
        }
    }
}


public class MyRunnableDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建实现了Runnable接口的类的对象
        MyRunnable my1 = new MyRunnable();
        MyRunnable my2 = new MyRunnable();

        //创建Thread对象
        Thread t1 = new Thread(my1, "刘备");
        Thread t2 = new Thread(my2, "曹操");

        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

使用Runnable接口实现多线程的好处：

避免了Java单继承的局限性

适合多个相同的程序的代码去处理同一个资源，把线程和程序代码、数据有效分离，很好地体现了面向对象的设计思想

四、线程的生命周期

线程的生命周期，也就是线程从创建到死亡的过程。

线程的生命周期入下图所示：

创建线程对象：创建线程对象之后，调用start()方法，该线程对象就会有执行资格，但是却没有执行权，因为当前状态还没有抢到CPU的执行权
当抢到CPU的执行权之后，该线程不仅有执行资格还有执行权，调用的run()方法执行完成或者调用stop()方法之后，该线程就会死亡，变成垃圾。
但是若在运行过程中，该现成的CPU执行权被其他线程抢走之后，该线程就会返回到只有执行资格而没有执行权的状态，等待下一次抢到CPU执行权。
倘若在运行过程中，调用了sleep()或者其他阻塞式方法，那么该线程会处于被阻塞的状态中，既没有执行资格也没有执行权，当sleep()时间到或者其他阻塞方式结束，该线程会处于就绪状态，也就是有执行资格但是没有执行权。

五、线程同步案例：卖票（锁操作与数据安全问题）

案例说明：如今有100张著名歌星的演唱门票，有三个窗口售卖票，请设置一个程序模拟卖票

思路：

定义一个SellTicket实现Runnable接口，里面定义成员变量private int tickets = 100；
在SellTicket类中重写run方法实现卖票，代码步骤如下

A：判断票的数量大于0，就买票，并告诉是哪个窗口的

B：卖了票之后，总票数要减1

C：票没了，也有可能来问，那么用死循环让动作一直执行
定义一个测试类SellTicketDemo，里面有main方法，代码步骤如下

A：创建SellTicket类对象

B：创建三个Thread类的对象，把SellTicket对象作为构造方法的参数，并给出对应的窗口名称

C：启动线程

package Package04;

public class SellTicket implements Runnable {
    private int tickets = 100;
    Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            //obj是一个锁，锁共享代码块的锁必须一样
            synchronized (obj) {
                if (tickets > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                    tickets--;
                }
            }
        }
    }
}


public class SellTicketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        SellTicket s = new SellTicket();

        Thread t1 = new Thread(s, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(s, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(s, "窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

代码分析：

运用了synchronized进行对多条语句进行锁操作，使得锁里面的内容成为同步代码块。
倘若没有对共享数据的代码锁起来，那么当某个线程准备执行tickets–的时候，这时候CPU执行权被其他线程夺取，那么就会导致一张票卖多次或者票已经没了但是还在售卖。
当对共享语句进行锁操作之后，该语句一次只能允许一个线程执行，其他线程执行就必须等待当前线程完成操作之后才可以。

上述案例所展示的是多线程程序的数据安全问题

那么我们怎么判断多线程程序是否有数据安全问题？

是否有多线程

是否有共享数据

是否有多条语句操作共享数据

1、同步方法

上述案例对共享数据的操作，我们可以写成一个方法，而这个带锁操作的方法，我们成为同步方法

    private void sellTicket() {
        synchronized (obj) {
            if (tickets > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                tickets--;
            }
        }
    }

    private synchronized void sellTicket() {
        if (tickets > 0) {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
            tickets--;
        }
    }

由上述例子可知道同步方法格式为

修饰符 synchronized 返回值类型方法名(方法参数){ }

修饰符 static synchronized 返回值类型方法名(方法参数){ }

同步方法需要注意的地方：

同步方法的锁对象是this，也就是这个类的本身

同步静态方法的锁对象是类名. class

所以若要通过synchronized （）指定锁对象，那么需要注意是同步方法还是静态，锁对象要一致才有作用。

2、线程安全的类

关于线程安全的类主要常用的有这三种：StringBuffer、Vector、 Hashtable

**StringBuffer：**线程安全，可变的字符序列。从版本JDK 5开始，这个类已经被一个等同的类补充了，它被设计为使用一个线程， StringBuilder 。通常应该使用StringBuilder类，因为它支持所有相同的操作，但它更快，因为它不执行同步。

Vector：Vector类实现了可扩展的对象数组。从Java 2平台v1.2开始，该类改进了List接口，使其成为Java Collections Framework的成员。与新的集合实现不同， Vector被同步。如果不需要线程安全的实现，建议使用ArrayList代替Vector 。

**Hashtable：**该类实现了一个哈希表，它将键映射到值。任何非null对象都可以用作键值或值。从Java 2平台v1.2开始，该类进行了改进，实现了Map接口，使其成为Java Collections Framework的成员。与新的集合实现不同， Hashtable被同步。如果不需要线程安全的实现，建议使用HashMap代替Hashtable 。如果需要线程安全高度并发的实现，那么建议使用ConcurrentHashMap代替Hashtable 。

在这些线程安全类中，其方法几乎都是同步方法，可以保证数据安全。

3、Lock锁

Lock实现提供比使用synchronized方法和语句可以获得的更广泛的锁定操作。它们允许更灵活的结构化，可能具有完全不同的属性，并且可以支持多个关联的Condition对象。

其主要使用的方法如下：

Modifier and Type	方法	描述
`void`	`lock()`	获得锁。
`void`	`unlock()`	释放锁。

Lock是接口，不可实体化，因此可以使用它的实现类ReentrantLock来实例化


import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class SellTicket01 implements Runnable {
    private int tickets = 100;
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        try {
            lock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
            tickets--;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

上锁和解锁应该用try … finally …语句完成，防止上锁之后接下来的语句出现错误，导致没解锁

六、多线程协作案例：生产者与消费者问题

所谓生产者与消费者问题，实际上主要包括两类线程：

生产者线程用于生产数据

消费者线程用于消费数据

为了解耦生产者与消费者之间的关系，通常会采用共享数据区域，就像一个仓库

生产者生产数据之后直接放置在共同数据区域，并不关心消费者的行为

消费者只需要从共享数据区域中获取数据，并不关心生产者的行为

为了体现生产与消费的等待与唤醒，Java提供了几个方法给我们使用，这些方法都在Object类中

Modifier and Type	方法	描述
`void`	`wait()`	导致当前线程等待，直到另一个线程调用该对象的 `notify()`方法或 `notifyAll()`方法。
`void`	`notify()`	唤醒正在等待对象监视器的单个线程。
`void`	`notifyAll()`	唤醒正在等待对象监视器的所有线程。

案例描述：送奶工送五瓶牛奶，放在一个奶箱里面，当奶箱没有牛奶的时候，用户需要等待送奶工送牛奶来才可以在奶箱里面取牛奶；当奶箱有牛奶时，需要等待用户把牛奶取走才可以往奶箱存牛奶。

由上述案例我们可以知道，需要定义四个类，分别是奶箱类（Box）、生产者类（Producer）、消费者（Customer）、测试类（BoxDemo）

奶箱类（Box）：定义一个成员变量，表示第X瓶奶，提供存储和获取牛奶的操作
生产者类（Producer）：实现Runnable接口，重写run（）方法，调用存牛奶的操作
消费者（Customer）：实现Runnable接口，重写run（）方法，调用取牛奶的操作

其主要代码如下：

package Package05;

/**
 * 奶箱
 */
public class Box extends Thread {
    /**
     * 定义一个成员变量，表示当前第X瓶奶
     */
    private int milk;

    /**
     * 定义一个成员变量，表示当前奶箱的状态
     */
    private boolean status = false;

    /**
     *提供牛奶操作
     */
    public synchronized void put(int milk){
        //如果有奶，等待消费
        if(status) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //如果没有奶，就生产牛奶
        this.milk = milk;
        System.out.println("送奶工已将第" + this.milk + "瓶奶送到奶箱");

        //生产牛奶完毕之后，修改奶箱状态
        status = true;

        //唤醒其他线程
        notifyAll();
    }

    /**
     * 获取牛奶的操作
     */
    public synchronized void get(){
        //如果没有牛奶，则等待送奶工生产牛奶
        if (!status){
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //如果有牛奶，则用户获取牛奶
        System.out.println("用户拿到第" + this.milk + "瓶牛奶");

        //获取牛奶完成之后，修改奶箱状态
        status = false;

        //唤醒其他线程
        notifyAll();
    }

}

package Package05;

/**
 * 消费者
 */
public class Customer implements Runnable{
    /**
     * 定义一个成员变量，奶箱
     */
    private Box b;

    /**
     * Customer的有参构造方法
     * @param b
     */
    public Customer(Box b) {
        this.b = b;
    }

    /**
     * 重写run方法
     */
    @Override
    public void run() {
        //用户取牛奶操作
        while (true){
            b.get();
        }
    }
}

package Package05;

/**
 * 送奶工
 */
public class Producer implements Runnable{
    /**
     * 奶箱
     */
    private Box b;

    /**
     * Producer有参构造方法
     * @param b
     */
    public Producer(Box b) {
        this.b = b;
    }

    /**
     * 重写run方法
     */
    @Override
    public void run() {
        //往奶箱里面存牛奶
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            b.put(i);
        }
    }
}

package Package05;

/**
 * 测试类
 */
public class BoxDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建奶箱对象
        Box b = new Box();

        //创建送奶工对象
        Producer producer = new Producer(b);

        //创建用户对象
        Customer customer = new Customer(b);

        //创建对应的线程
        Thread t1 = new Thread(producer);
        Thread t2 = new Thread(customer);

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