Java并发基础--多线程基础

一、多线程基础知识

1.进程和线程

进程：是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有一个独立的内存空间，一个应用程序可以同时运行多个进程；进程也是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位；系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。

线程：进程内部的一个独立执行单元；一个进程可以同时并发的运行多个线程，可以理解为一个进程便相当于一个单 CPU 操作系统，而线程便是这个系统中运行的多个任务。

进程和线程的区别：

• 进程有独立的内存空间，进程中的数据存放空间（堆空间和栈空间）是独立的，至少有一个线程。线程堆空间是共享的，栈空间是独立的，线程消耗的资源比进程小的多。
• 进程是操作系统进行资源分配的基本单位，而线程是操作系统进行调度的基本单位。
• 程序运行时系统就会创建一个进程，并为它分配资源，然后把该进程放入进程就绪队列，进程调度器选中它的时候就会为它分配CPU时间，程序开始真正运行，线程由CPU独立调度执行，在多CPU环境下就允许多个线程同时运行。同样多线程也可以实现并发操作，每个请求分配一个线程来处理。
• 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
• 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

注意：

• 因为一个进程中的多个线程是并发运行的，那么从微观角度看也是有先后顺序的，哪个线程执行完全取决于 CPU 的调度，程序员是干涉不了的。而这也就造成的多线程的随机性。
• Java 程序的进程里面至少包含两个线程，主进程也就是 main()方法线程，另外一个是垃圾回收机制线程。每当使用 java 命令执行一个类时，实际上都会启动一个 JVM，每一个 JVM 实际上就是在操作系统中启动了一个线程，java 本身具备了垃圾的收集机制，所以在 Java 运行时至少会启动两个线程。
• 创建一个线程的开销比创建一个进程的开销小的多，那么我们在开发多任务运行的时候，通常考虑创建多线程，而不是创建多进程。

2.并行和并发

并行：指两个或多个时间在同一时刻发生（同时发生）
并发：指两个或多个事件在一个时间段内发生。

注意：单核处理器的计算机肯定不能并行的处理多个任务，只能是多个任务交替的在单个 CPU 上运行。

3.线程状态

• 初始(NEW)：新创建了一个线程对象，但还没有调用start()方法。
• 运行(RUNNABLE)：Java线程中将就绪（ready）和运行中（running）两种状态笼统的成为“运行”。
• 线程对象创建后，其他线程(比如main线程）调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，等待被线程调度选中，获取cpu 的使用权，此时处于就绪状态（ready）。就绪状态的线程在获得cpu 时间片后变为运行中状态（running）。
• 阻塞(BLOCKED)：表线程阻塞于锁。
• 等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
• 超时等待(TIME_WAITING)：该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间内自行返回。
• 终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。

4.守护线程和非守护线程

守护线程：和主线程一起结束的线程，叫守护线程，例如典型的守护线程---(GC)垃圾回收线程。
非守护线程：主线程的结束不影响线程的执行的线程，也叫用户线程。例如用户线程。

注意：

• 用户可以将非守护线程设置为守护线程，利用Thread.setDaemon()即可。thread.setDaemon(true)必须在thread.start()之前设置，否则会跑出一个IllegalThreadStateException异常。你不能把正在运行的常规线程设置为守护线程
• 在守护线程中产生的新线程也是守护线程
• 不要认为所有的应用都可以分配给守护线程来进行服务，比如读写操作或者计算逻辑。

5.多线程和单线程的选择

对于单核CPU，如果是CPU密集型任务，如解压文件，多线程的性能反而不如单线程性能，因为解压文件需要一直占用CPU资源，如果采用多线程，线程切换导致的开销反而会让性能下降。但是对于比如交互类型的任务，肯定是需要使用多线程的、而对于多核CPU，对于解压文件来说，多线程肯定优于单线程，因为多个线程能够更加充分利用每个核的资源。虽然多线程能够提升程序性能，但是相对于单线程来说，它的编程要复杂地多，要考虑线程安全问题。因此，在实际编程过程中，要根据实际情况具体选择。

6.上下文切换

对于单核CPU来说，同一个时刻，CPU只能运行一个线程，当运行一个线程过程中发生线程切换，去运行另外一个线程。这个过程即线程的上下文切换，进程的上下文切换类似。注意：对于线程的上下文切换实际上就是存储和恢复CPU状态的过程，它使得线程执行能够从中断点恢复执行。多线程可以提高程序的运行效率，但是线程的创建和销毁，以及线程的上下文切换非常的消耗资源，所以有时候多线程未必能带给我们想要的效果。

7.同步与异步

同步：单任务模式，排队执行，在一个操作结束前，另外一个操作需要等待。
异步：多任务模式，多个任务切换占用CPU时间片，切换执行，多线程是异步的。线程被调用的时机是随机的。

二、多线程--java线程的创建

java中创建线程的话，一般有两种方式：1）继承Thread类；2）实现Runnable接口。

1.继承Thread类

/**      
*    继承Thread类,需要重写 Thread 类的 run()方法   
*/
public class ThreadDemo extends Thread{
    
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("子线程执行完毕");
    }
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo t1 = new ThreadDemo(); 
        t1.start();//启动线程，调用run
        System.out.println("主线程执行完毕");
    }

}

结果输出：

主线程执行完毕
子线程执行完毕
或者
子线程执行完毕
主线程执行完毕

通过继承Thread类创建线程类后，通过start()方法启动线程，不是调用run()方法启动线程，run方法中只是定义需要执行的任务，如果调用run方法，即相当于在主线程中执行run方法，跟普通的方法调用没有任何区别，此时并不会创建一个新的线程来执行定义的任务。

2.实现Runnable接口

public class RunableDemo implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("子线程执行完毕1");
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new RunableDemo()).start();
        System.out.println("主线程执行完毕1");
    }

}

结果输出：

子线程执行完毕1
主线程执行完毕1
或
主线程执行完毕1
子线程执行完毕1

通过实现Runnable接口，我们定义了一个子任务，然后将子任务交由Thread去执行。注意，这种方式必须将Runnable作为Thread类的参数，然后通过Thread的start方法来创建一个新线程来执行该子任务。如果调用Runnable的run方法的话，是不会创建新线程的，与普通的方法调用没有任何区别。

3.优先选择通过实现接口的方式来实现多线程的原因

• 可以避免由于Java的单继承特性而带来的局限；
• 增强程序的健壮性，代码能够被多个线程共享，代码与数据是独立的；
• 适合多个相同程序代码的线程区处理同一资源的情况。