学习笔记之JAVA多线程

Java程序设计实用教程 by 朱战立 & 沈伟

孙鑫Java无难事

Java 多线程与并发编程专题（http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-concurrent/）

Java 线程简介（http://www.ibm.com/developerworks/cn/education/java/j-threads/j-threads.html）

http://www.cnblogs.com/liuling/p/2013-9-13-01.html

书是入门级的，后面的专题是出自业界的技术文章。

• 进程拥有自己独立的内存空间、数据等运行中需要的系统资源，它的状态和拥有的资源是完全独立的。
• 当系统频繁的进行进程切换（进程调度），就要占用大量系统资源（主要是CPU时间）。
• 有些子任务，它们使用的系统资源基本没变化，这时可以不进行系统使用资源的切换，这就提出了线程技术。
• 线程是轻量级的进程。不能单独运行，必须在程序之内运行。一个进程之内的所有线程使用的系统资源是一样的。
• 一个进程之内的线程切换，叫线程调度。
• 对有些设计问题，可以将一个进程按不同功能划分为多个线程。
• 多线程不仅使一个程序同时完成多项任务，为此消耗的资源也比进程方法少很多。
• 线程生命周期内，有五种状态，即创建、可运行、运行中、不可运行（阻塞）和死亡状态。
• Thread类和Runnable接口支持了线程的功能。它们都在java.lang包中，不需要import。
• 继承Thread类，并实现run()方法，来实现多线程。
• sleep()发出系统定义的中断异常，catch模块处理该中断异常，实现当前线程休眠。线程休眠就进入不可运行状态（阻塞），休眠时间一到，又进入可运行状态，排队等待线程调度程序调度进入运行状态。
• main()也是一个线程，称为主线程。
• 为了给多线程中每个线程执行的时间和机会，通常使用sleep()来暂停当前进程执行，这样当前进程由运行转入阻塞，另一个由阻塞转入运行。

public class TestSimpleThread extends Thread {
    public TestSimpleThread(String str)
    {
        super(str);
    }
    
    public void run()
    {
        for (int i = 0; i < 5; i ++)
        {
            System.out.println(i + " " + getName());
            try
            {
                sleep((long)(Math.random() * 1000));
            } catch (InterruptedException e) {}
        }
        System.out.println(getName() + " Finish!");
    }
    
    public static void main(String[] args)
    {
        new TestSimpleThread("Java").start();
        new TestSimpleThread("C++").start();
    }
}

• 任何实现Runnable接口的类都支持多线程。实际上Thread类就实现了。
• Runnable接口中只有一个方法run()。
• this是执行线程体的目标对象。
• 用继承Thread类方法比用实现Runnable接口方法更简单。继承Thread类时，定义的对象可以直接调用Thread类的方法；而实现Runnable接口必须定义Thread类的对象。
• Runnable接口主要用于多继承。Java不支持多继承。如果设计一个有线程功能的Java Applet程序，由于Java Applet程序必须继承Applet类，因此不能再继承Thread类，只能通过继承Applet类并实现Runnable接口来完成设计。

public class TestSimpleRunnable implements Runnable
{
    private String str;
    private Thread myThread;
    
    public TestSimpleRunnable(String str)
    {
        this.str = str;
    }
    
    public void myStart()
    {
        myThread = new Thread(this, str);
        myThread.start();
    }
    
    public void run()
    {
        for (int i = 0; i < 5; i ++)
        {
            System.out.println(i + " " + myThread.getName());
            try
            {
                Thread.sleep((long)(Math.random() * 1000));
            } catch (InterruptedException e) {}
        }
        System.out.println(myThread.getName() + " Finished!");
    }
    
    public static void main (String[] args)
    {
        new TestSimpleRunnable("Java").myStart();
        new TestSimpleRunnable("C++").myStart();
    }
}

• 可以用Thread类提供的yield()，sleep()等方法和Object类提供的wait()和notify()方法在程序中改变线程的状态。
• 创建状态时，仅仅是一个空的线程对象，还没被分配可运行的系统资源（主要是没有分配CPU时间）。
• 运行线程必须具备两个条件：可使用的CPU，由线程调度程序分配；运行线程的代码和数据，由run()方法中提供。
• 调用start()之后，线程处于可运行状态。
• 可运行状态的线程在优先级队列中排队，等待操作系统的线程调度程序调度。
• 可运行状态的线程来自三种情况：线程创建完毕；处于运行状态线程的时间片到；处于阻塞状态的线程的阻塞条件解除。
• 线程调度程序按一定的线程调度原则，从等待运行的处于可运行状态的的线程队列中选择一个，获得CPU的使用权，变成运行状态。
• 处于运行状态的线程首先执行run()。
• 不可运行状态，就是处理器空闲也不能执行该线程。
• 进入不可运行状态的原因通常有：线程调用sleep()；调用Object类的wait()；输入输出流中发生线程阻塞。
• 进入死亡状态两种情况：自然消亡，run()执行完；应用程序停止运行。
• 线程分组提供了统一管理多个线程而不需单独管理的机制。
• Java语言的java.lang包中ThreadGroup子包提供了实现线程分组的类。
• 一个线程放在一个线程组中后，它就是这个线程组中的永久成员，不能再把它加入其他线程组中。
• 建立线程时，如果不指定线程组，系统会放到缺省线程组，即main。
• 由于程序中没为线程名定义成员变量（因此没有定义构造方法），所以系统自动调用Thread类的构造方法给每个线程对象一个默认名。

public class EnumerateTest extends Thread
{
    public void listCurrentThreads()
    {
        ThreadGroup currentGroup = Thread.currentThread().getThreadGroup();
        
        int numThreads = currentGroup.activeCount();
        System.out.println("numThreads = " + numThreads);
        Thread[] listOfThreads = new Thread[numThreads - 1];
        
        currentGroup.enumerate(listOfThreads);
        
        for (int i = 0; i < numThreads - 1; i ++)
        {
            System.out.println("Thread #" + i + " = " + listOfThreads[i].getName());
        }
    }
    
    public static void main (String[] args)
    {
        EnumerateTest a = new EnumerateTest();
        EnumerateTest b = new EnumerateTest();
        a.start();
        b.start();
        a.listCurrentThreads();
    }
}

• 线程调度程序在进行线程调度时要考虑线程的优先级，另外执行顺序还与操作系统的线程调度方式有关。
• 线程的运行具有不确定性。
• 操作系统线程调度方式：抢先式调度，更高优先级线程一旦可运行就被安排运行；独占方式，一直执行到完毕或者由于某种原因主动放弃CPU。
• 线程优先级范围从1到10：MIN_PRIORITY为1，MAX_PRIORITY为10，NORM_PRIORITY为5。

public class TestThreadPrio extends Thread
{
    private String name;
    
    public TestThreadPrio (String name)
    {
        this.name = name;
    }
    
    public void run()
    {
        for (int i = 0; i < 2; i ++)
        {
            System.out.println(name + " " + getPriority());
            try
            {
                Thread.sleep((int)(Math.random() * 100));                
            }
            catch(InterruptedException e) {}
        }
    }
    
    public static void main (String args[])
    {
        Thread t1 = new TestThreadPrio("Thread1");
        t1.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
        Thread t2 = new TestThreadPrio("Thread2");
        t2.setPriority(3);
        Thread t3 = new TestThreadPrio("Thread3");
        t3.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
        Thread t4 = new TestThreadPrio("Thread4");
        t4.setPriority(7);
        Thread t5 = new TestThreadPrio("Thread5");
        t5.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
        
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
        t5.start();
    }
}

• 前面的是独立的、非同步的线程。
• 线程间共享的数据，以及线程状态、行为的相互影响有两种：互斥和同步。
• 共享资源指在程序中并行运行的若干线程操作相同的数据资源。
• 生产者消费者模式I：生产者一次或多次提供货物，若干个消费者同时消费。
• 因三个类都是public类，所以要分别存在三个文件中。
• 生产者消费者模式I时，一定要保证操作的互斥，即一个共享资源每次只能由一个线程操作。这样保证并行运行的多个线程对共享资源操作的正确性。
• 互斥锁是基于共享资源的互斥性设计的，用来标记多个并行运行的线程共享的资源。
• JAVA关键字synchronized用来给共享资源加互斥锁。
• 为共享资源加互斥锁有两种方法：锁定一个对象和一段代码；锁定一个方法。
• 多个线程对同一个对象的互斥使用方式，该对象也成为互斥对象。
• 锁定一个方法，锁定的是该方法所属类的对象，锁定的范围是整个方法，即在一个线程执行整个方法期间对该方法所属类的对象加互斥锁。
• 互斥锁保证了并行运行的两个线程对共享资源队列操作的正确性。

public class Queue 
{
    private int count;
    private int front;
    private int rear;
    private char[] dat = new char[10];
    
    public Queue()
    {
        count = 0;
        front = 0;
        rear = 0;
    }
    
    public void push(char c)
    {
        if (count >= 10)
        {
            System.out.println("队列已满");
            return;
        }
        dat[rear] = c;
        System.out.println("插入的字符: " + c);
        rear ++;
        count ++;        
    }
    
    public synchronized char pop()
    {
        if (count <= 0)
        {
            System.out.println("队列已空");
            return ' ';
        }
        char temp = dat[front];
        System.out.println("删除的字符: " + temp);
        try
        {
            Thread.sleep((int)(Math.random() * 100));
        } catch (InterruptedException e) {}
        front ++;
        count --;
        return temp;
    }
}

public class Consumer implements Runnable
{
    private Queue qu;
    
    public Consumer(Queue s)
    {
        qu = s;
    }
    
    public void run()
    {
        for (int i = 0; i < 3; i ++)
        {
            qu.pop();
        }
    }
}

public class TestQueue 
{
    public static void main(String args[])
    {
        Queue qu = new Queue();
        for (char c = 'a'; c <= 'd'; c ++)
            qu.push(c);
        Runnable sink = new Consumer(qu);
        Thread t1 = new Thread(sink);
        Thread t2 = new Thread(sink);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

• 生产者消费者模式II：消费者操作执行的前提条件是生产者操作已经生产了；生产者操作执行的前提条件是消费者已经消费了。
• 信号量是一个标志，表示一种操作是否已执行完，另一种操作是否可以执行了。
• wait()的所谓等待，是把当前线程从运行状态转入阻塞；notify()的所谓唤醒，是把等待线程从阻塞状态转入可运行。
• wait()所在的代码段一定要加互斥锁synchornized。因为wait()把当前线程从运行状态转为阻塞后，还要释放互斥锁锁定的共享资源（否则其他同步线程无法运行），这样操作不允许中间被打断。
• 信号量的作用是控制线程的同步操作。
• wait()和notify()是配对的一组方法。
• Thread类的sleep()和Object类的wait()有根本的不同：Thread类的sleep()只是延缓一段时间再执行后续代码。sleep()使处于运行状态的线程进入阻塞，但休眠时间一到，就从阻塞自动转入可运行。Object类的wait()，也是当前线程从运行转入阻塞，但wait()等待时间不确定，什么时候被唤醒依赖于其他线程的操作。另外sleep()休眠期间，若该段代码或方法加了互斥锁，则互斥锁锁定的共享资源不释放，而wait()将释放互斥锁锁定的共享资源，否则其他同步线程无法运行。

public class Storage 
{
    private int goods;
    private boolean available;
    
    public Storage(int g)
    {
        goods = g;
        available = false;
    }
    
    public synchronized void put(int g)
    {
        while (available == true)
        {
            try 
            {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {}
        }
        available = true;
        
        goods = g;
        System.out.println("put goods = " + goods);
        notify();
    }
    
    public synchronized int get()
    {
        while (available == false)
        {
            try
            {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {}
        }
        available = false;
        
        int temp = goods;
        System.out.println("get goods = " + goods);
        goods = 0;
        notify();
        return temp;
    }
}

public class Producer extends Thread
{
    private Storage tb;
    
    public Producer(Storage c)
    {
        tb = c;
    }
    
    public void run()
    {
        for (int i = 11; i < 16; i ++)
        {
            tb.put(i);
        }
    }
}

public class Consumer extends Thread
{
    private Storage tb;
    
    public Consumer(Storage c)
    {
        tb = c;
    }
    
    public void run()
    {
        int g;
        for (int i = 11; i < 16; i ++)
        {
            g = tb.get();
        }
    }
}

public class TestStorage 
{
    public static void main(String[] args)
    {
        Storage com = new Storage(0);
        
        Producer p = new Producer(com);
        
        Consumer c = new Consumer(com);
        
        p.start();
        c.start();
    }
}

•  Java不支持多继承，但Java支持接口，且允许一个类中同时实现若干个接口。