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JAVA線程

本文轉載自   查看原文   2019-10-19 21:32   319    Java

JAVA線程

線程

串行和並發

進程之間資源不共享，所以在程序中一般不單獨開辟進程

線程是一個任務執行的最小單元

線程的並發和進程是一樣的，也是CPU通過中斷進行“假並發”

多個線程同時訪問的資源叫臨界資源

線程的狀態

題外話：時間片

時間片（timeslice）又稱為“量子（quantum）”或“處理器片（processor slice）”是分時操作系統分配給每個正在運行的進程微觀上的一段CPU時間（在搶占內核中是：從進程開始運行直到被搶占的時間）。時間片通常很短（在Linux上為5ms－800ms）

時間片由操作系統內核的調度程序分配給每個進程。首先，內核會給每個進程分配相等的初始時間片（在Linux系統中，初始時間片也不相等，而是各自父進程的一半），然后每個進程輪番地執行相應的時間，當所有進程都處於時間片耗盡的狀態時，內核會重新為每個進程計算並分配時間片，如此往復。

系統通過測量進程處於“睡眠”和“正在運行”狀態的時間長短來計算每個進程的交互性，交互性和每個進程預設的靜態優先級（Nice值）的疊加即是動態優先級，動態優先級按比例縮放就是要分配給那個進程時間片的長短。一般地，為了獲得較快的響應速度，交互性強的進程（即趨向於IO消耗型）被分配到的時間片要長於交互性弱的（趨向於處理器消耗型）進程。

搶占式多任務處理（Preemption）是計算機操作系統中，一種實現多任務處理（multi task）的方式，相對於協作式多任務處理而言。協作式環境下，下一個進程被調度的前提是當前進程主動放棄時間片；搶占式環境下，操作系統完全決定進程調度方案，操作系統可以剝奪耗時長的進程的時間片，提供給其它進程。

  • 每個任務賦予唯一的一個優先級（有些操作系統可以動態地改變任務的優先級）；
  • 假如有幾個任務同時處於就緒狀態，優先級最高的那個將被運行；
  • 只要有一個優先級更高的任務就緒，它就可以中斷當前優先級較低的任務的執行；

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線程的概念

一個線程就是一個程序內部的順序控制流

線程和進程的區別

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java.lang.Thread模擬CPU實現線程，所要執行的代碼和處理的數據要傳遞給Thread類。

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構造線程的方法:線程實例化的兩種方式

  • 法一：線程實例化

  1. 繼承Thread類，做一個線程子類（自定義的線程類）

  2. 重寫run方法，將需要並發執行的任務寫到run中

  3. 線程開辟需要調用start方法，使線程啟動，來執行run中的邏輯（如果直接調用run方法，這不會開辟新線程，或者線程不會進入就緒態，沒有實現多線程）

    多線程的效果：

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    主線程先結束，再執行邏輯

    這種方式可讀性更強

    缺點：由於JAVA的單繼承，則該類無法再繼承其他類，會對原有的繼承結構造成影響

  • 法二：通過Runnable接口

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    用Runnable”聲明“了對象之后，要真正的實例化Thread對象，即Thread t2=new Thread(r1);這個語句

    不影響原有繼承關系

    缺點：可讀性較差

線程的常用操作

  1. 線程的命名

    1. 法一：使用setName命名

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    2. 法二：在構造方法中直接命名

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    3. 自定義一個類，繼承Thread，添加一個包括名字參數的構造方法

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  2. 線程的休眠

    線程休眠方法：

    Thread.sleep();//參數是以毫秒為單位的時間差

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    休眠會拋出一個InterruptedException異常，我們需要捕獲它

    線程休眠可以使一個線程由運行狀態變成阻塞態，休眠時間結束后回到就緒態，如果成功獲得時間片就變成運行狀態

線程的優先級

設置線程的優先級，只是修改這個線程可以去搶到CPU時間片的概率，並不是說優先級高的線程就一定能搶到CPU時間片

? 優先級是一個0-10的整數，默認是5

? 設置優先級必須放到這個線程開始執行(即Start)之前

? 題外話：Thread.currentThread().getName();//獲取當前線程

? 線程之間都是交替執行的，並不是優先級高的先執行完再執行優先級低的

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在主方法中：

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線程的禮讓(Yield)

禮讓：由執行到就緒態，即讓當前運行狀態的線程釋放自己的CPU資源

注意，放棄當前CPU時間片后，該線程和其他線程一起爭搶時間片，依然有可能搶到，所以禮讓的結果不一定是運行其他線程

yield是一個靜態方法，直接Thread.yield();就可

示例：

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注意看，無論是線程1還是線程2，執行到3時都進行了禮讓，讓另一個線程執行（這是比較極端的狀態）

線程中的臨界資源問題

被多個線程要同時訪問的資源是臨界資源

多個線程同時訪問一個臨界資源會出現臨界資源問題，即臨界資源調用出錯

錯誤示例：

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執行結果：

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可以看到，這里對於restCount的調用是有問題的

錯誤原因

每個線程在字符串拼接、輸出之前時間片就被搶走，另一個線程訪問的是原來的線程做減法之后的restCount,最后誰先輸出不一定。

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我們可以看到，這種差異是非常明顯的：當線程3做完減法變成0時，線程2還停留在78上，卡的時間可夠長的

解決臨界資源問題

不讓多個線程同時訪問--引入鎖的概念，為臨界資源加鎖。當其他線程訪問、看到有鎖時，就知道有其他線程正在訪問該資源，要等待該線程訪問完畢（解鎖）再訪問

? 常用的鎖：

1. 同步代碼段

2. 同步方法
3. 同步鎖

同步代碼段

在Java程序運行時環境中，JVM需要對兩類線程共享的數據進行協調：
1）保存在堆中的實例變量
2）保存在方法區中的類變量

這兩類數據是被所有線程共享的。

（程序不需要協調保存在Java 棧當中的數據。因為這些數據是屬於擁有該棧的線程所私有的。）

再復習一下堆棧：

方法區（Method Area）與Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯后的代碼等數據。雖然Java虛擬機規范把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做Non-Heap（非堆），目的應該是與Java堆區分開來。

棧：在Java中，JVM中的棧記錄了線程的方法調用。每個線程擁有一個棧。在某個線程的運行過程中，如果有新的方法調用，那么該線程對應的棧就會增加一個存儲單元，即幀(frame)[幀也就是你學過的活動記錄]。在frame中，保存有該方法調用的參數、局部變量和返回地址。

堆是JVM中一塊可自由分配給對象的區域。當我們談論垃圾回收(garbage collection)時，我們主要回收堆(heap)的空間。

深入類鎖和對象鎖

請參考：https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483

synchronized(""){
;
}

類鎖實際上用對象鎖來實現。當虛擬機裝載一個class文件的時候，它就會創建一個java.lang.Class類的實例。當鎖住一個對象的時候，實際上鎖住的是那個類的Class對象。

一個線程可以多次對同一個對象上鎖。對於每一個對象，java虛擬機維護一個加鎖計數器，線程每獲得一次該對象，計數器就加1，每釋放一次，計數器就減 1，當計數器值為0時，鎖就被完全釋放了。

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可以看到，這樣就解決了資源沖突，但是出現了負數

原因；進入循環后等待鎖，資源已經執行到0了，解鎖后依然執行

解決方法：

? 在鎖內部再做一個判斷，將這種情況篩出去

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等待的線程在鎖池里面。解鎖后第一個拿到鎖標記的線程變成就緒狀態，再和其他處於就緒狀態的線程爭搶CPU時間片

鎖的類型：

	* 對象鎖
	* 類鎖

多個線程看到的鎖需要時同一把，例如Synchronized()括號中不能寫New對象

同步方法

用關鍵字synchronized修飾的方法就是同步方法

更適用於邏輯比較復雜的情況

方法一：將邏輯獨立出去成為方法，在同步代碼段中調用該方法

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真正的同步方法：

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添加synchronized關鍵字

同步方法中的鎖：

? 靜態方法：同步鎖就是類鎖：當前類.class

? 非靜態方法:同步鎖是this

顯式鎖

  1. 實例化鎖對象

    ReentranLock lock=new ReentranLock();

  2. 上鎖和解鎖

    lock.lock();//上鎖
···//這里寫要執行的邏輯
lock.unlock();//解鎖

死鎖

使用鎖時不要產生死鎖

死鎖：多個線程彼此持有對方所需要的鎖對象，而不釋放自己的鎖，都在等待對方釋放自己所需要的鎖標記

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運行結果：

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沒有線程可以同時持有A和B。另外，程序到目前為止還是沒有停止的！說明這兩個線程依然在執行！

但依然有不被鎖住的可能性：一個線程在獲得第一個鎖、搶奪第二個鎖的過程中，另外一個線程一直沒有獲得時間片，這樣就有一個線程可以執行完成了

盡量不要讓線程持有了一個鎖標記后再去搶奪另外的鎖

但如果真的有這樣的需求的話：

  1. wait方法：

    wait是Object類中的一個方法，表示讓當前的線程釋放自己的鎖標記並讓出CPU資源，使得當前的線程進入等待隊列

  2. notify（通知）方法：

    喚醒等待隊列中的一個線程，使這個線程進入鎖池。但是具體喚醒哪一個線程不能由軟件編寫者決定，而要由CPU決定

  3. notifyAll方法

    與2相比的區別是喚醒等待隊列中所有等待該鎖的線程

"A".wait();//釋放已經持有的A鎖標記並進入等待隊列

如果該線程沒有A鎖，會爆出異常：

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上面的語句會出異常，應該catch：

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這樣可以使一個線程完成，但另外一個卻不能

解決方法是在完成的那個線程的邏輯中加入"A".notify();將等待的那個線程喚醒

多線程環境中的單例設計模式

單例設計模式在多線程環境下會出問題！

懶漢式方式會出問題：多個對象會被創建而不是一個

原因：實例化之前失去時間片，另外一個線程又創建了一遍

解決方法1：在實例化之前加一個線程鎖（對象鎖）

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解決方法2：將方法該我同步方法（類鎖）

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設計模式之三：生產者-消費者設計模式

應用：購票-票庫、就餐-后廚

臨界資源：產品

兩個重要角色：生產者與消費者

  • 生產者：生產邏輯：通過一個生產標記，判斷是否要生產產品。如果要生產，則生產並通知消費者消費；如果不需要，則等待
  • 消費者：消費邏輯：通過判斷是否有足夠的產品可以消費，如果可以，就獲取；否則就等待

生產過程和消費過程是同時執行的，所以需要使用多線程

  1. 做一個產品類
  2. 做一個產品池類：將所有產品進行統一管理，消費和生產都要管理。存儲所有的產品的集合。最后要對產品池進行實例化.臨界資源就是產品池
  3. 涉及到臨界資源讀取的方法要改為同步方法
  4. 做一個生產者和消費者類

代碼如下：

Program.java:

package com.jiading;
/*
*@author JiaDing
*/
public class Program {
	public static void main(String[]args) {
		ProductPool  pool=new ProductPool(15);
		new Productor(pool).start();
		new Customer(pool).start();
	}
}

Product.java:

package com.jiading;
/*
*@author JiaDing
*/
public class Product {
	private String name;
	public String getName() {
		return name;
	}
	public void setName(String name) {
		this.name=name;
	}
	public Product(String name) {
		this.name=name;
	}
	
}

ProductPool.java:

package com.jiading;

import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

/*
*@author JiaDing
*/
public class ProductPool {
	private List<Product> productList;
	private int maxSize=0;
	public ProductPool(int maxSize) {
		this.productList=new LinkedList<Product>();
		this.maxSize=maxSize;
	}
	public synchronized void push(Product product) {
		if(this.productList.size()==maxSize) {
			try {
				this.wait();
			}catch(InterruptedException e){
				e.printStackTrace();
			}
		}
		this.productList.add(product);
		//通知其他人，有產品可以消費了
		this.notifyAll();
	}
	public synchronized Product pop() {
		if(this.productList.size()==0) {
			try {
				this.wait();
			}catch(InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		Product product=this.productList.remove(0);
		this.notifyAll();
		return product;
	}
	
}

Productor.java:

package com.jiading;
/*
*@author JiaDing
*/
/*
 * 繼承自Thread類，實現多線程
 */
public class Productor extends Thread{
	private ProductPool pool;
	public Productor(ProductPool pool) {
		this.pool=pool;
	}
	@Override
	public void run() {
		while(true) {
			String name=(int)(Math.random()*100)+"號產品";
			Product product=new Product(name);
			this.pool.push(product);
			System.out.println("生成了一件產品:"+name);
		}
	}
}

Customer.java:

package com.jiading;
/*
*@author JiaDing
*/
public class Customer extends Thread{
	private ProductPool pool;
	public Customer(ProductPool pool) {
		this.pool=pool;
	}
	@Override
	public void run() {
		while(true) {
			Product product=this.pool.pop();
			System.out.println("消費者消費了一件產品:"+product.getName());
		
		}
	}
}


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