java线程详解

分类：Java作者：Paranoidyang

线程与进程的区别

（1）程序是一段静态的代码，进程是程序的一次动态执行过程，它是操作系统资源调度的基本单位。线程是比进程更小的执行单位，一个进程在其执行过程中，可以产生多个线程，所以又称线程为“轻型进程”。虽然说可以并发运行多个线程，但在任何时刻cpu只运行一个线程，只是宏观上看好像是同时运行，其实微观上它们只是快速交替执行的。这就是java中的多线程机制。
（2）不同进程的代码、内部数据和状态都是完全独立的，而一个程序内的多线程是共享同一块内存空间和同一组系统资源的，有可能互相影响。
（3）线程切换比进程切换的负担要小。

线程的创建

java提供了类java.lang.Thread来支持多线程编程，创建线程主要有两种方法：

（1）继承Thread类

Thread类中的run 方法是空的，直接通过 Thread类实例化的线程对象不能完成任何事，所以可以通过继承Thread 类，重写run 方法，实现具有各种不同功能的线程类。
run()又称为线程体，不能直接调用run()，而是通过调用start()，让线程自动调用run()，因为start()会首先进行与多线程相关的初始化（即让start()做准备工作）。

class ThreadType extends Thread{   
     public void run(){   //重写Thread类中的run 方法
         ……   
     }   
}

（2）实现Runnable接口

java只允许单继承，如果类已经继承了其他类，就不能再继承Thread类了，所以提供了实现Runnable接口来创建线程的方式。
该接口只定义了一个run方法，在新类中实现它即可。Runnable接口并没有任何对线程的支持，还必须通过创建Thread类的实例，将Rnnable接口对象作为Thread类构造方法的参数传递进去，从而创建一个线程。如：

 class ThreadDemo3 implements Runnable {  
        // 重载run函数  
        public void run() {  
            for (int count = 1,row = 1; row < 10; row++,count++){ // 循环计算输出的*数目  
                for (int i = 0; i < count; i++){ // 循环输出指定的count数目的*  
                    System.out.print('*');   
                }  
                System.out.println();   
            }  
        }  

        public static void main(String argv[]) {  
            Runnable rb = new ThreadDemo3(); // 创建，并初始化ThreadDemo3对象rb  
            Thread td = new Thread(rb); // 通过Thread创建线程  
            td.start(); // 启动线程td  
        }  
    }

注意：如果当前线程是通过继承Thread类创建的，则访问当前线程可以直接使用this，如果当前线程是通过实现Runnable接口创建的，则通过调用Thread.currentThread()方法来获取当前线程。

线程的生命周期

按照线程体在计算机系统内存中状态的不同，可以将线程分为以下5种状态：
（1）创建状态
新建一个线程对象，仅仅作为一个实例存在，JVM没有为其分配运行资源。
（2）就绪状态
创建状态的线程调用start方法后，转换为就绪状态，此时线程已得到除CPU时间之外的其他系统资源，一旦获得CPU，就进入运行状态。注意的是，线程没有结束run()方法之前，不能再调用start()方法，否则将发生IllegalThreadStateException异常，即启动的线程不能再启动。
（3）运行状态
就绪状态的线程获取了CPU，执行程序代码。
（4）阻塞状态
阻塞状态是线程因为某种原因放弃CPU使用权，暂时停止运行。直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。阻塞的情况分三种：（一）、等待阻塞：运行的线程执行wait()方法，JVM会把该线程放入等待池中。（二）、同步阻塞：运行的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则JVM会把该线程放入锁池中。（三）、其他阻塞：运行的线程执行sleep()或join()方法，或者发出了I/O请求时，JVM会把该线程置为阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时，线程重新转入就绪状态。
（5）死亡状态
线程死亡的原因有两个：一是执行完了线程体（run方法），二是因为异常run方法被强制性终止。如果线程进入死亡状态，JVM会收回线程占用的资源（释放分配给线程对象的内存）。
注意：调用stop()可以使线程立即进入死亡状态，不过该方法现在已经不推荐使用了，线程的退出通常采用自然终止的方法，不建议人工强制停止，容易引起“死锁”。

转换图如下：

这里写图片描述

从图中，可以看出，比较复杂的是就绪状态和阻塞状态转换的过程，java提供了大量的方法来支持阻塞，下面一 一说明：
sleep()：可以以毫秒为单位，指定休眠一段时间（作为参数），时间一过，又进入就绪状态。
wait()和notify()：wait使得线程进入阻塞状态，它有两种形式，一种是允许指定以毫秒为单位的一段时间作为参数的，另一种是无参数的。前者当对应的notify方法被调用或超出指定时间时线程重新进入就绪状态，后者则必须调用notify方法才能重新进入就绪状态。
注意：此外，还有suspend方法（对应的恢复则用resume方法）也能使线程进入阻塞状态，不过这个方法现在已经不提倡使用了，会引起“死锁”，因为调用该方法会释放占用的所有资源，由JVM调度转入临时存储空间。

线程调度和优先级

java采用抢占式调度，即优先级高线程的先运行，优先级相同的交替运行
java将线程的优先级分为10个等级，1-10，数字越大表明线程的级别超高，可以通过setPriority方法设置线程优先级。
在java中有一个比较特殊的线程称为守护线程，它具有最低的优先级，用于为系统中的其他线程对象提供服务。典型的就是JVM中的系统资源自动回收线程。

线程互斥（银行取款问题）

线程互斥是什么？什么时候要用到线程互斥呢？

发现问题

举个例子，假设你的银行账户有100元，并且你和你的妻子两人都知道账户密码，如果某一天，你去取100元，银行系统会先查看你的账户够不够100元，明显你是满足条件的，但是，如果此时你的妻子也需要去取100元，并且你的取钱线程刚好因为某些状况被打断了（这时系统还来不及修改你的账户余额），所以你的妻子去取钱时也满足条件，所以她完成了取钱动作，而你取钱线程恢复之后，你也将完成取钱动作。大家可以发现共享数据（账户余额）的完整性被破坏了，两人都从银行里取出了一百元，而账户明明只有一百元，如果现实中真发生这种情况，估计银行就要哭晕在厕所了。代码及运行结果如下：

//Account.java
public class Acount{
  double balance;
  public Acount(double money){
    balance = money;
    System.out.println("Totle Money: "+balance);
  }
}


//AccountThread.java
class Account
{
    double balance;

    public Account(double money)
    {
        balance = money;
        System.out.println("Totle Money: " + balance);
    }
}

public class AccountThread extends Thread
{
    Account Account;

    int delay;

    public AccountThread(Account Account,int delay)
    {
        this.Account = Account;
        this.delay = delay;
    }

    public void run()
    {
        if (Account.balance >= 100) {
            try {
                sleep(delay);
                Account.balance = Account.balance - 100;
                System.out.println("withdraw  100 successful!");
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        } else
            System.out.println("withdraw failed!");
    }

    public static void main(String[] args)
    {
        Account Account = new Account(100);
        AccountThread AccountThread1 = new AccountThread(Account,1000);
        AccountThread AccountThread2 = new AccountThread(Account,0);
        AccountThread1.start();
        AccountThread2.start();
    }
}

这里写图片描述

解决问题

为了解决这个问题，java提供了线程互斥，通过synchronized关键字为共享的资源或数据加锁，避免在该线程没有完成操作之前，被其他线程的调用，从而保证了该变量的唯一性和准确性。在java语言中，每一个对象都有一把内置锁。线程进入同步代码块或方法的时候会通过synchronized关键字自动获取该对象上的内置锁，其他需要获取该锁的线程，必须等待当前拥有该锁的线程将其释放，从而保证任一时刻，只有一个线程访问共享资源。
为了接下来更好地理解synchronized用法的一些区别，我们先引入两个概念：对象锁和类锁
java的对象锁和类锁在锁的概念上基本上和内置锁是一致的，但是，两个锁实际是有很大的区别的，对象锁是用于对象实例方法，或者一个对象实例上的，类锁是用于类的静态方法或者一个类的class对象上的。我们知道，类的对象实例可以有很多个，但是每个类只有一个class对象，所以不同对象实例的对象锁是互不干扰的，但是每个类只有一个类锁。 但是有一点必须注意的是，其实类锁只是一个概念上的东西，并不是真实存在的，它只是用来帮助我们理解锁定实例方法和静态方法的区别的

synchronized详解

synchronized的用法：修饰方法和修饰代码块。
下面分析synchronized这两种用法在对象锁和类锁上有什么区别

（1）对象锁——synchronized修饰方法和代码块


    public class TestSynchronized   
    {    
        public void test1()   
        {    
        /*
       synchronized修饰代码块。传入的对象实例是this，表明是当前对象，当然，如果需要同步其他对象实例，也可传入其他对象的实例 
       */
             synchronized(this)  
             {    
                  int i = 5;    
                  while( i-- > 0)   
                  {    
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);    
                       try   
                       {    
                            Thread.sleep(500);    
                       }   
                       catch (InterruptedException ie)   
                       {    
                       }    
                  }    
             }    
        }    
          /*
          synchronized修饰方法。因为前面同步代码块中传入参数是this，所以两个公共资源代码所需要获得的对象锁都是同一个对象锁
          */
        public synchronized void test2()   
        {    
             int i = 5;    
             while( i-- > 0)   
             {    
                  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);    
                  try   
                  {    
                       Thread.sleep(500);    
                  }   
                  catch (InterruptedException ie)   
                  {    
                  }    
             }    
        }    

        public static void main(String[] args)   
        {    
             final TestSynchronized myt2 = new TestSynchronized();  
             /*
             main方法中分别开启两个线程（这两个线程的run()方法分别调用test1和test2方法），因为两个公共资源代码所需要获得的对象锁都是同一个对象锁，所以当有一个线程获得锁时，另一个线程必须等待。上面也给出了运行的结果可以看到：直到test1线程执行完毕，释放掉锁，test2线程才开始执行。
             */  
             Thread test1 = new Thread(  new Runnable() {  public void run() {  myt2.test1();  }  },"test1"  );    
             Thread test2 = new Thread(  new Runnable() {  public void run() { myt2.test2();   }  },"test2"  );    
             test1.start();;    
             test2.start();    
    //         TestRunnable tr=new TestRunnable();  
    //         Thread test3=new Thread(tr);  
    //         test3.start();  
        }   

    }

运行结果：

这里写图片描述

如果我们把test2方法的synchronized关键字去掉，执行结果会如何呢？

这里写图片描述

我们可以看到，结果输出是交替着进行输出的，这是因为，虽然某个线程得到了对象的内置锁（即可以访问同步的方法或代码），但是另一个线程还是可以访问该对象的，即访问没有进行加锁的方法或者代码，所以加锁方法和没加锁方法之间是互不影响的。
（这里说一个题外话，代码里面明明是先开启test1线程，为什么先执行的是test2呢？这是因为java编译器在编译成字节码的时候，会根据实际情况对代码进行一个重排序，编译前代码写在前面，在编译后的字节码不一定排在前面，所以这种运行结果是正常的）

（2）类锁——synchronized修饰（静态）方法和代码块：


    public class TestSynchronized   
    {    
        public void test1()   
        {    
             synchronized(TestSynchronized.class)   
             {    
                  int i = 5;    
                  while( i-- > 0)   
                  {    
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);    
                       try   
                       {    
                            Thread.sleep(500);    
                       }   
                       catch (InterruptedException ie)   
                       {    
                       }    
                  }    
             }    
        }    

        public static synchronized void test2()   
        {    
             int i = 5;    
             while( i-- > 0)   
             {    
                  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);    
                  try   
                  {    
                       Thread.sleep(500);    
                  }   
                  catch (InterruptedException ie)   
                  {    
                  }    
             }    
        }    

        public static void main(String[] args)   
        {    
             final TestSynchronized myt2 = new TestSynchronized();    
             Thread test1 = new Thread(  new Runnable() {  public void run() {  myt2.test1();  }  },"test1"  );    
             Thread test2 = new Thread(  new Runnable() {  public void run() { TestSynchronized.test2();   }  },"test2"  );    
             test1.start();    
             test2.start();    
    //         TestRunnable tr=new TestRunnable();  
    //         Thread test3=new Thread(tr);  
    //         test3.start();  
        }   

    }

执行结果如下：

这里写图片描述

从中可以看出，两个同步代码所需要获得的对象锁都是同一个对象锁，即synchronized修饰静态方法所对应的锁为类锁（即TestSynchronized.class），注意喔，类锁只是我们为了方便区别静态方法的特点而抽象出来的一个概念，因为静态方法是所有对象实例共用的，所以对应着synchronized修饰的静态方法的锁也是唯一的，所以抽象出来个类锁。
为了更好地这证明类锁和对象锁是两个不一样的锁，我们同时用synchronized修饰静态方法和普通的方法，看看运行结果如何


    public class TestSynchronized   
    {    
        public synchronized void test1()   //修饰普通方法
        {    
                  int i = 5;    
                  while( i-- > 0)   
                  {    
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);    
                       try   
                       {    
                            Thread.sleep(500);    
                       }   
                       catch (InterruptedException ie)   
                       {    
                       }    
                  }    
        }    

        public static synchronized void test2()  //修饰静态方法 
        {    
             int i = 5;    
             while( i-- > 0)   
             {    
                  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);    
                  try   
                  {    
                       Thread.sleep(500);    
                  }   
                  catch (InterruptedException ie)   
                  {    
                  }    
             }    
        }    

        public static void main(String[] args)   
        {    
             final TestSynchronized myt2 = new TestSynchronized();    
             Thread test1 = new Thread(  new Runnable() {  public void run() {  myt2.test1();  }  },"test2"  );    
             test1.start();    
             test2.start();    
    //         TestRunnable tr=new TestRunnable();  
    //         Thread test3=new Thread(tr);  
    //         test3.start();  
        }   

    }

运行结果：

这里写图片描述

可见，线程是交替执行的，这就验证了类锁和对象锁是两个不一样的锁，控制着不同的区域，它们是互不干扰的。而且，线程获得对象锁的同时，也可以获得该类锁，即同时获得两个锁，这是允许的。

总结：
1、无论是同步代码块还是同步方法，必须获得对象锁才能够进入同步代码块或者同步方法进行操作。
2、同步是一种高开销的操作，因此应该尽量减少同步的内容。 通常没有必要同步整个方法，使用synchronized代码块同步关键代码即可。
3、如果采用方法级别的同步，对象锁为方法所在的对象；如果是静态同步方法，对象锁为方法所在的类(唯一)。
4、对于代码块，对象锁即指synchronized(object)中的object。

此处参考了博客：http://langgufu.iteye.com/blog/2152608

线程同步（生产-消费者模型）

线程互斥和线程同步都是指，某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。不同的是，同步是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问（有序交替执行），而线程互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的（一个线程释放锁之后，不能保证什么时候再次获得锁）。
一言蔽之，同步是一种更复杂的互斥。
一个典型的线程同步的应用是生产-消费者模型。其约束条件为：
（1）生产者生产产品，并将其保存到仓库中。
（2）消费者从仓库中取得产品。
（3）由于库房容量有限，因此只有当库房还有空间时，生产者才可以将产品放入库房;否则只能等待。
（4）只有库房中存在满足数量的产品时，消费者才能取走产品，否则只能等待。
实际应用中，很多例子都可以归结为该模型。这里举个例子，还是之前存款和取款的问题。假设存在一个账户对象（仓库）及两个线程：存款线程（生产者）和取款线程（消费者），并对其进行如下的限制：

  • 只有当账户上的余额balance=0时，存款线程才可以存进100元；否则只能等待。

  • 只有当账户上的余额balance=100时，取款线程才可以取走100元；否则只能等待。

    根据生产-消费者模型，应该得到一个交替执行的运行序列：存款100元、取款100元、存款100元、取款100元……很明显，使用前面的互斥对象是无法完成这两个线程的同步问题的。为了实现线程同步，java为互斥对象提供了两个方法：一个是wait()；另一个是notify()。（可见，同步确实是在互斥的基础上加上某些机制实现次序访问的）
    要注意的是，这两个方法是作为互斥对象的方法来实现的，而不是作为Thread类的方法实现，并且，必须将这两个方法放在临界代码段中（synchronized修饰的代码），也就是说执行该方法的线程必须已获得了互斥对象的互斥锁，因为这两个方法实际上也是在操作互斥对象的互斥锁。
    wait()：阻塞线程，释放互斥对象的互斥锁。（而sleep方法阻塞线程后，并不释放互斥锁）
    notify()：当另一个线程调用互斥对象的notify()方法时，该互斥对象等待队列中的第一个线程才能进入就绪状态。
    例子代码及运行结果如下：

//Account4.java
public class Account4 {
  double balance;
  public Account4(){
     balance = 0;
     System.out.println("Totle Money: "+balance);
   }
   /*
   取款
   */
   public synchronized void withdraw(double money){
       if(balance == 0)
         try{
              wait();  //使取款线程进入阻塞状态，并释放互斥对象的互斥锁    
         }catch(InterruptedException e){
        }
         balance = balance - money;
         System.out.println("withdraw 100 success");
         notify();     //使存款线程进入就绪状态
       }
   /*
   存款
   */
   public synchronized void deposite(double money){
     if (balance != 0)
       try {
         wait();      //使存款线程进入阻塞状态，并释放互斥对象的互斥锁    
       }
       catch (InterruptedException e) {
       }
     balance = balance + money;
     System.out.println("deposite 100 success");
     notify();       //使取款线程进入就绪状态
   }
}

//WithdrawThread.java
public class WithdrawThread extends Thread
{
    Account4 account;

    public WithdrawThread(Account4 acount)
    {
        this.account = acount;
    }

    public void run()
    {
        for (int i = 0; i < 5; i++)
            account.withdraw(100);
    }
}

//DepositeThread.java
class DepositeThread extends Thread {
  Account4 acount;
  public DepositeThread(Account4 acount) {
  this.acount = acount;
  }
  public void run(){
    for(int i=0;i<5;i++)
      acount.deposite(100);
  }
}

//TestProCon.java
public class TestProCon
{
    public static void main(String[] args)
    {
        Account4 acount = new Account4();
        WithdrawThread withdraw = new WithdrawThread(acount);
        DepositeThread deposite = new DepositeThread(acount);
        withdraw.start();
        deposite.start();
    }
}

运行结果：

这里写图片描述

线程通信

线程通信是指线程之间相互传递信息。线程之间有好几种通信方式，如数据共享、管道等。这里，我们主要讲解线程间通过管道来进行通信的方式。管道通信具有如下特点：
（1）管道是单向的。如果需要建立双向通信，可以通过建立多个管道来解决。
（2）管道通信是面向连接的。发送线程建立管道的发送端，接收线程建立与发送管道的连接。
（3）管道中的信息是严格按照发送的顺序进行传送的。收到的数据和发送方在顺序上完全一致。
java语言管道看作是一种特殊的I/O流，并提供了两对相应的基本类来支持管道通信。这些类都位于java.io包中。一对是PipedOutStream和PipedInputStream，用于建立基于字节的通信；另一对是PipedWriter和PipedReader，用于建立基于字符的管道通信。
下面这个例子建立的就是字符管道。

//SenderThread.java
import java.io.*;
class SenderThread extends Thread{
  PipedWriter pipedWriter;
  public SenderThread( ){
  pipedWriter = new PipedWriter( );
  }
  public PipedWriter getPipedWriter( ){
    return pipedWriter;
  }
  public void run( ){
    for (int  i =0; i<5;i++){
     try{
      pipedWriter.write(i); 
     }catch(IOException e){   
     }
     System.out.println("Send: "+i);
    }
  }
}

//ReceiverThread.java
import java.io.*;
class ReceiverThread extends Thread{
  PipedReader pipedReader;

  public ReceiverThread( SenderThread senderThread) throws IOException{
  pipedReader = new PipedReader(senderThread.getPipedWriter( ));

  }

  public void run( ){
    int i=0;
    while(true){
      try{
      i = pipedReader.read();
      System.out.println("Received: "+i);  
    }catch(IOException e){        
      }
     if(i == 4) 
         break;     
    }
  }
}

//ThreadComm.java
import java.io.*;

public class ThreadComm
{
    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        SenderThread sender = new SenderThread();
        ReceiverThread receiver = new ReceiverThread(sender);
        sender.start();
        receiver.start();
    }
}

运行结果：

这里写图片描述

线程死锁（哲学家用餐问题）

线程死锁是并发程序设计中可能遇到的问题之一，它是指程序运行中，多个线程竞争共享资源时可能出现的一种系统状态。该问题可以形象地描述为哲学家用餐问题（此处对其进行了简化）：5个哲学家围坐在一圆桌旁，每人的两边放着一筷子，共5支筷子。并规定如下条件：
（1）每个人只有拿起位于自己两边的筷子，合成一双才可以用餐。
（2）用餐后每人必须将两只筷子放回原处。
如果每个哲学家都彬彬有礼，轮流吃饭，则这种融洽的气氛可以长久地保持下去，但是如果每个人都拿起自己左手边的筷子，并想要去拿自己右手边的筷子（这支在另一个哲学家手中），这样就会处于僵持状态，这就是相当于线程死锁。
要注意的是，死锁不是一定会发生的，相反它出现的可能性很小，简单的测试往往无法发现，只有在程序设计中尽量避免这种情况的发生。
示例代码如下：

//ChopStick.java
public class ChopStick
{
    private String name;

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

    public String getNumber()
    {
        return name;
    }

}

//Philosopher.java
import java.util.*;

public class Philosopher extends Thread
{
    private ChopStick leftChopStick;

    private ChopStick rightChopStick;

    private String name;

    private static Random random = new Random();

    public Philosopher(String name,ChopStick leftChopStick,ChopStick rightChopStick)
    {
        this.name = name;
        this.leftChopStick = leftChopStick;
        this.rightChopStick = rightChopStick;
    }

    public String getNumber()
    {
        return name;
    }

    public void run()
    {
        try {
            sleep(random.nextInt(10));
        } catch (InterruptedException e) {

        }
        synchronized (leftChopStick) {
            System.out.println(this.getNumber() + " has "
                    + leftChopStick.getNumber() + " and wait for "
                    + rightChopStick.getNumber());
            synchronized (rightChopStick) {
                System.out.println(this.getNumber() + " eating");
            }
        }
    }

    public static void main(String args[])
    {
        // 建立三个筷子对象
        ChopStick chopStick1 = new ChopStick("ChopStick1");
        ChopStick chopStick2 = new ChopStick("ChopStick2");
        ChopStick chopStick3 = new ChopStick("ChopStick3");
        // 建立哲学家对象，并在其两边摆放筷子。
        Philosopher philosopher1 = new Philosopher("philosopher1",chopStick1,chopStick2);
        Philosopher philosopher2 = new Philosopher("philosopher2",chopStick2,chopStick3);
        Philosopher philosopher3 = new Philosopher("philosopher3",chopStick3,chopStick2);
        // 启动三个线程
        philosopher1.start();
        philosopher2.start();
        philosopher3.start();
    }
}

运行结果一：

这里写图片描述

运行结果二：

这里写图片描述

运行结果一发生了死锁，结果二没发生死锁。可见，线程死锁存在偶然性，不是一定会发生的，并且发生概率一般比较小，不过我们还是要尽可能地避免它，这样才算是优雅的代码。

线程池

创建和清除线程垃圾都会大量占用CPU等系统资源，所以java中用线程池来解决这一问题。基本思想是：在系统中开辟一块区域，用来存放一些待命的线程，这个区域就叫线程池，如果需要执行任务，则从线程池中取一个待命的线程来执行指定的任务，到任务结束再将其放回，这样可以避免重复创建线程。
常用的两种线程池为：
固定尺寸线程池，待命线程数量一定；
可变尺寸线程池，待命线程数量是根据任务负载的需要动态变化的。
之前在探索资料的时候，发现有一篇详细介绍线程池的博客，讲得挺好的，可以学习下：http://blog.csdn.net/hsuxu/article/details/8985931

原文地址：https://blog.csdn.net/ParanoidYang

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