多线程的神秘面纱...还在恐惧吗？？？
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时间：2015年06月08日
前言
最开始学习java时，头都大了，也没学好多线程，甚至都不明白啥是多线程...慢慢的不断学习，发现多线程其实并没有我们想象中的困难。
进程（Processes）与线程（Threads）
在操作系统里面，存在着非常多的进程与线程。在每个单核处理器中，某个时刻仅有一个线程在执行。但是为什么我们在平时使用中，却感觉是有多个线程在运行呢？因为处理器使用了时间分片技术。也就是将处理器的执行时间分割成很多片段，然后将每个时间片段分配给不一样的线程，由于处理器的运行速度非常快，所以就给我们造成一种假象，处理器在同时执行多个线程。随着科技的发展，现在出现了多核处理器电脑，并且每个核心可超线程执行任务，由于每个核都是独立的，大大提高了电脑的并发执行能力。进程（Processes）
进程通常拥有自己的执行环境，特别的，还拥有私有的内存空间。在某种程度上看，进程可以看做是一个程序或者是应用，比如我们使用win7/win8的任务管理器，可查看到系统的进程列表。为了让多个进程之间能够正常通讯，现代的操作系统一般使用Inter Process Communication（IPC）技术，也称之为进程间通讯。通畅使用管道（Pipes）、Socket等。在java里面，一般一个jvm代表了一个进程。线程（Threads）
线程有时候也叫做轻量级的进程。在一个进程中，包含了一个或者多个线程，这些线程共享进程的执行环境，资源，内存。所以创建线程以及销毁线程的代价却比创建进程小的多。创建线程
方式1：实现Runnable接口
public class HelloRunnable implements Runnable {
public void run() {
System.out.println("Hello from a thread!");
}
public static void main(String args[]) {
(new Thread(new HelloRunnable())).start();
}
}
方式二：继承Thread类
public class HelloThread extends Thread {
public void run() {
System.out.println("Hello from a thread!");
}
public static void main(String args[]) {
(new HelloThread()).start();
}
}
注意点：启动线程使用的是start方法，不是调用run()方法。在这两种方式中，我们应该使用哪种呢？
推荐方式一，因为这样子代码看上去更加简洁，并且灵活性更高。比如一个类本身已经继承了别的Thread，那么就无法实现多次继承Thread。
暂停线程的执行（Pausing Execution）
为什么需要暂停线程的执行呢？大家可以回想下，在使用ServerSocket时，有个accept方法，这个方法是阻塞的，也就是会在等待客户端的socket连接。所以线程的暂停有着非常多的用处，比如等待别的任务执行，等待IO完成，等待网络等。那么如何停止一个线程呢？直接使用Thread.sleep(int time)public class SleepMessages {
public static void main(String args[])
throws InterruptedException {
String importantInfo[] = {
"Mares eat oats",
"Does eat oats",
"Little lambs eat ivy",
"A kid will eat ivy too"
};
for (int i = 0;
i < importantInfo.length;
i++) {
//Pause for 4 seconds
Thread.sleep(4000);
//Print a message
System.out.println(importantInfo[i]);
}
}
}注意点，Thread.sleep()方法会抛出一个InterruptedException，这个异常的抛出，是由于中断了这个线程，那么这个线程就不能继续存活下去了。线程的中断
在一个线程中，可以执行各种操作，假设某个操作非常耗时，或者进入了长时间的睡眠，这时候想要中断这个线程，那么可以使用Thread.interrupted()来中断线程。被中断的线程会直接被杀死。for (int i = 0; i < inputs.length; i++) {
heavyCrunch(inputs[i]);
if (Thread.interrupted()) {
throw new InterruptedException();
}
}线程的Join
在多个线程中，如果一个线程调用了join()，那么主线程就会被停止，直到调用了join()的那个线程执行完毕。public class ThreadDemo{
public static void main(String[] args){
Thread mainThread = Thread.currentThread();
System.out.println(mainThread.getName() + " start");
Thread joinThread = new Thread(new Runnable(){
@Override
public void run(){
System.out.println("I am joinThread");
try{
Thread.sleep(5000);
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}
});
joinThread.start();
try{
joinThread.join();
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
//this partition code has to wait the joinThread to complete
System.out.println("end");
}
}在这个例子中，最后主线程部分的System.out.println("end");部分的代码，需要一直等待joinThread的执行完成，这里为了简单，只有一句输出，其实可以为任何的代码。下面这个简单的例子，有两个线程，一个是MessageLoop线程，不断的输出数据，另外一个是Main Thread。Main Thread由jvm直接创建，所以每个程序至少有一个线程，那就是主线程。MessageLoop t启动之后，就不断的输出数据，然后主线程就不断的询问该线程t是否存活，如果存活就让t暂停1秒钟，这里使用了t.join(1000)，然后判断程序的运行时间是否已经超过了patience标量，如果是，那就调用t.interrupt()方法来中断线程，最后主线程输出了Finally，表示结束。
public class SimpleThreads {
// Display a message, preceded by
// the name of the current thread
static void threadMessage(String message) {
String threadName =
Thread.currentThread().getName();
System.out.format("%s: %s%n",
threadName,
message);
}
private static class MessageLoop
implements Runnable {
public void run() {
String importantInfo[] = {
"Mares eat oats",
"Does eat oats",
"Little lambs eat ivy",
"A kid will eat ivy too"
};
try {
for (int i = 0;
i < importantInfo.length;
i++) {
// Pause for 4 seconds
Thread.sleep(4000);
// Print a message
threadMessage(importantInfo[i]);
}
} catch (InterruptedException e) {
threadMessage("I wasn't done!");
}
}
}
public static void main(String args[])
throws InterruptedException {
// Delay, in milliseconds before
// we interrupt MessageLoop
// thread (default one hour).
long patience = 1000 * 60 * 60;
// If command line argument
// present, gives patience
// in seconds.
if (args.length > 0) {
try {
patience = Long.parseLong(args[0]) * 1000;
} catch (NumberFormatException e) {
System.err.println("Argument must be an integer.");
System.exit(1);
}
}
threadMessage("Starting MessageLoop thread");
long startTime = System.currentTimeMillis();
Thread t = new Thread(new MessageLoop());
t.start();
threadMessage("Waiting for MessageLoop thread to finish");
// loop until MessageLoop
// thread exits
while (t.isAlive()) {
threadMessage("Still waiting...");
// Wait maximum of 1 second
// for MessageLoop thread
// to finish.
t.join(1000);
if (((System.currentTimeMillis() - startTime) > patience)
&& t.isAlive()) {
threadMessage("Tired of waiting!");
t.interrupt();
// Shouldn't be long now
// -- wait indefinitely
t.join();
}
}
threadMessage("Finally!");
}
}
线程的同步
在线程中，由于资源、运行环境、内存等共享，所以会带来许多的问题，比如著名的死锁。下面的例子是一个简单的计数器class Counter {
private int c = 0;
public void increment() {
c++;
}
public void decrement() {
c--;
}
public int value() {
return c;
}
}如果这个类的对象只是被一个线程访问，那么每次increment()、decrement()，c就会+1或者-1。但是如果这个对象同时被多个线程持有，并且并发的访问，那么程序的预期，将和我们所想象的不一致。上面的程序，使用的是c++，c--语法，但是并不代表c++，c--的执行流程只有一个指令。实际上，c++分为下面三个步骤。
1、获得当前c的值
2、当前的值+1
3、将第2步的值保存起来
下面我们假设Thread A,B同时访问increment()，那么很可能发生如下的过程：
1、Thread A获得c的值，c=02、Thread B获得c的值，c=0,
3、Thread A将值+1，c=1
4、Thread B将值-1，c=-1
5、Thread A将值保存起来，c=1
6、Thread B将值保存起来，c=-1
假设c执行之前为0，那么之后的结果会是多少呢？没错，是-1。这和我们预期的结果0并不一致。
那么是什么造成了这个问题呢？大家可以参考下其他文档，总体来说就是，多个线程对同一个变量的修改，对其他线程来说，可能是不可见的。比如Thread A对c的修改，Thread B是不可见的。
同步方法（Synchronized Methods）
在java中，提供了对同步方法的原语支持，关键字就是synchronized。如下例子：
public class SynchronizedCounter {
private int c = 0;
public synchronized void increment() {
c++;
}
public synchronized void decrement() {
c--;
}
public synchronized int value() {
return c;
}
}在方法中加入了synchronized，那么系统就会保证如下的两个特性：
1、当一个线程访问一个synchronized方法时，其他方法只能等待。比如在上面例子中，Thread A假设在执行increment()，那么Thread B就必须等待Thread A的执行完毕。
2、一个线程执行完毕之后的结果，对于其他线程来说，结果是可见的。比如Thread A执行increment()之后，c的值为1，那么这时候Thread B获得的值也就是1。
内部锁（Intrinsic Locks）
锁，就是用来保护某一段代码只能被一个Thread访问。其他程序如果想要访问这段代码，就需要获得锁。使用synchronized methods，虚拟机会为整个方法都加入锁。在方法中加入synchronized，虽然实现了线程之间的同步，但是却降低了多线程的并发能力，如果一个方法中，仅仅只有一行代码需要同步，那么使用同步方法将会锁住整个方法，导致其他线程无法访问。所以在java中，支持同步代码块。语法也很简单，如下所示：public void addName(String name) {
synchronized(this) {
lastName = name;
nameCount++;
}
nameList.add(name);
}
原子访问（Atomic Access）
在编程中，一个原子的动作，是不可分割的。类似于数据库中的原子操作，所有操作要么执行成功，要么执行失败，不存在半执行。在java中，大部分的原始数据类型的操作都是原子的，或者是加入了volatile关键字的域。一般而言，使用原子技术会让代码更加难以控制，理解起来也更加困难，所以应该避免大范围的使用。死锁（Deadlock）
死锁就是两个线程互相等待对方的完成。下面的例子就说明了，两个friend都在等待对方bowBack()，所以程序会一直无限期的进入等待。public class Deadlock {
static class Friend {
private final String name;
public Friend(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return this.name;
}
public synchronized void bow(Friend bower) {
System.out.format("%s: %s"
+ " has bowed to me!%n",
this.name, bower.getName());
bower.bowBack(this);
}
public synchronized void bowBack(Friend bower) {
System.out.format("%s: %s"
+ " has bowed back to me!%n",
this.name, bower.getName());
}
}
public static void main(String[] args) {
final Friend alphonse =
new Friend("Alphonse");
final Friend gaston =
new Friend("Gaston");
new Thread(new Runnable() {
public void run() { alphonse.bow(gaston); }
}).start();
new Thread(new Runnable() {
public void run() { gaston.bow(alphonse); }
}).start();
}
}下面我们通过代码来演示一个生产者-消费者关系。这里一共有三个线程，一个是生产者，另外一个是消费者，另外一个是主线程。生产者负责生产，然后每次生产完之后，都需要notify消费者来取数据，消费者负责消费数据，每次消费完之后，都notify生产者开始生产数据。需要注意的一点是，生产者和消费者都是访问同一个对象，在例子中就是
Drop对象。
//可以假设为生产线
public class Drop {
// Message sent from producer
// to consumer.
private String message;
// True if consumer should wait
// for producer to send message,
// false if producer should wait for
// consumer to retrieve message.
private boolean empty = true;
public synchronized String take() {
// Wait until message is
// available.
while (empty) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {}
}
// Toggle status.
empty = true;
// Notify producer that
// status has changed.
notifyAll();
return message;
}
public synchronized void put(String message) {
// Wait until message has
// been retrieved.
while (!empty) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {}
}
// Toggle status.
empty = false;
// Store message.
this.message = message;
// Notify consumer that status
// has changed.
notifyAll();
}
}
//生产者
import java.util.Random;
public class Producer implements Runnable {
private Drop drop;
public Producer(Drop drop) {
this.drop = drop;
}
public void run() {
String importantInfo[] = {
"Mares eat oats",
"Does eat oats",
"Little lambs eat ivy",
"A kid will eat ivy too"
};
Random random = new Random();
for (int i = 0;
i < importantInfo.length;
i++) {
drop.put(importantInfo[i]);
try {
Thread.sleep(random.nextInt(5000));
} catch (InterruptedException e) {}
}
drop.put("DONE");
}
}
//消费者
import java.util.Random;
public class Consumer implements Runnable {
private Drop drop;
public Consumer(Drop drop) {
this.drop = drop;
}
public void run() {
Random random = new Random();
for (String message = drop.take();
! message.equals("DONE");
message = drop.take()) {
System.out.format("MESSAGE RECEIVED: %s%n", message);
try {
Thread.sleep(random.nextInt(5000));
} catch (InterruptedException e) {}
}
}
}
//主线程
public class ProducerConsumerExample {
public static void main(String[] args) {
Drop drop = new Drop();
(new Thread(new Producer(drop))).start();
(new Thread(new Consumer(drop))).start();
}
}不可变对象
有时候，为了防止一些多线程问题的出现，可以使用不可变对象来代替可变对象。下面我们来看一个例子，一个颜色类。public class SynchronizedRGB {
// Values must be between 0 and 255.
private int red;
private int green;
private int blue;
private String name;
private void check(int red,
int green,
int blue) {
if (red < 0 || red > 255
|| green < 0 || green > 255
|| blue < 0 || blue > 255) {
throw new IllegalArgumentException();
}
}
public SynchronizedRGB(int red,
int green,
int blue,
String name) {
check(red, green, blue);
this.red = red;
this.green = green;
this.blue = blue;
this.name = name;
}
public void set(int red,
int green,
int blue,
String name) {
check(red, green, blue);
synchronized (this) {
this.red = red;
this.green = green;
this.blue = blue;
this.name = name;
}
}
public synchronized int getRGB() {
return ((red << 16) | (green << 8) | blue);
}
public synchronized String getName() {
return name;
}
public synchronized void invert() {
red = 255 - red;
green = 255 - green;
blue = 255 - blue;
name = "Inverse of " + name;
}
}这个类的getRGB()、getName()、invert()都是同步方法，但是还是可能会出现一些问题。比如下面的代码
SynchronizedRGB color =
new SynchronizedRGB(0, 0, 0, "Pitch Black");
...
int myColorInt = color.getRGB(); //Statement 1
String myColorName = color.getName(); //Statement 2在Stament1之后，如果一个线程在调用了getRGB()之后，另外一个方法调用set()方法，那么getName()和getRGB()得到的就不是同一个RGB颜色值了。那么我们如何防止这种情况的发生呢？没错，使用不可变对象的技术，去掉set()方法。
final public class ImmutableRGB {
// Values must be between 0 and 255.
final private int red;
final private int green;
final private int blue;
final private String name;
private void check(int red,
int green,
int blue) {
if (red < 0 || red > 255
|| green < 0 || green > 255
|| blue < 0 || blue > 255) {
throw new IllegalArgumentException();
}
}
public ImmutableRGB(int red,
int green,
int blue,
String name) {
check(red, green, blue);
this.red = red;
this.green = green;
this.blue = blue;
this.name = name;
}
public int getRGB() {
return ((red << 16) | (green << 8) | blue);
}
public String getName() {
return name;
}
public ImmutableRGB invert() {
return new ImmutableRGB(255 - red,
255 - green,
255 - blue,
"Inverse of " + name);
}
}
不可变对象的基本准则：
1、不提供setter方法修改fields
2、将所有fields变成private final
3、不允许子类override方法，可以使用final关键字修饰方法，或者使用private修饰
4、如果一个对象的field是一个引用对象，这个引用对象是可变的，那么就不允许修改该field，可以使用final修饰，并且不要将这个引用共享给其他对象，可以使用copy技术，将该引用对象的值赋值一份，再丢给其他对象。
使用java.util.concurrecy.*包来解决并发问题
在这个包中，有个很重要的抽象类，那就是Lock。这个方法的语义更加清晰，需要注意的一点就是，每次使用lock()之后，都需要在finally中，unlock()锁。下面使用Lock来改写前面死锁的例子：
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.Random;
public class Safelock {
static class Friend {
private final String name;
private final Lock lock = new ReentrantLock();
public Friend(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return this.name;
}
public boolean impendingBow(Friend bower) {
Boolean myLock = false;
Boolean yourLock = false;
try {
myLock = lock.tryLock();
yourLock = bower.lock.tryLock();
} finally {
if (! (myLock && yourLock)) {
if (myLock) {
lock.unlock();
}
if (yourLock) {
bower.lock.unlock();
}
}
}
return myLock && yourLock;
}
public void bow(Friend bower) {
if (impendingBow(bower)) {
try {
System.out.format("%s: %s has"
+ " bowed to me!%n",
this.name, bower.getName());
bower.bowBack(this);
} finally {
lock.unlock();
bower.lock.unlock();
}
} else {
System.out.format("%s: %s started"
+ " to bow to me, but saw that"
+ " I was already bowing to"
+ " him.%n",
this.name, bower.getName());
}
}
public void bowBack(Friend bower) {
System.out.format("%s: %s has" +
" bowed back to me!%n",
this.name, bower.getName());
}
}
static class BowLoop implements Runnable {
private Friend bower;
private Friend bowee;
public BowLoop(Friend bower, Friend bowee) {
this.bower = bower;
this.bowee = bowee;
}
public void run() {
Random random = new Random();
for (;;) {
try {
Thread.sleep(random.nextInt(10));
} catch (InterruptedException e) {}
bowee.bow(bower);
}
}
}
public static void main(String[] args) {
final Friend alphonse =
new Friend("Alphonse");
final Friend gaston =
new Friend("Gaston");
new Thread(new BowLoop(alphonse, gaston)).start();
new Thread(new BowLoop(gaston, alphonse)).start();
}
}在java.util.concurrent.*中，还提供了线程执行器，这个接口就是Executor。在之前的代码中，我们使用(new Thread(r)).start()来启动线程，有了执行器之后，可以使用e.execute(r)来启动一个线程。在Executor中，有两个比较重要的子类，ExecutorService和ScheduledExecutorService，具体的使用方式也比较简单，大家可以直接查看java doc便可。
线程池（Thread Pools）
如果你熟悉jdbc的操作，那么肯定知道数据库连接池。有关于池的概念，都很类似，就是把一些需要的对象，事先准备好，然后将这些对象放入内存中，以后每次需要的时候，就直接从内存中取出来，这样子可以大大节省new一个对象的开销。在java中，提供了几个不一样的线程池供我们选择。1、java.util.concurrent.Executors.newCachedThreadPool()提供一个缓存池
2、java.util.concurrent.Executors.newSingleThreadExecutor()提供一个单线程池
3、java.util.concurrent.Executors.newFixedThreadPool()提供一个固定大小的线程池
支持多线程的容器（Concurrent Collections）
在java.util.Collection中，提供了很多容器类，但是这些类大部分都不是线程安全的，所以如果程序需要使用线程安全的容器类，那么可以使用java.util.concurrent包中的容器类，这些类最大的区别就是线程安全的，所以使用上对我们来说没什么新的难点，直接查看文档api便可。原子变量（Atomic Variables）
在之前的例子中，说到了原子访问，比如下面的计数器：class Counter {
private int c = 0;
public void increment() {
c++;
}
public void decrement() {
c--;
}
public int value() {
return c;
}
}一种方式可以让程序变得是线程安全的，一个是使用线程方法，如下代码：
class SynchronizedCounter {
private int c = 0;
public synchronized void increment() {
c++;
}
public synchronized void decrement() {
c--;
}
public synchronized int value() {
return c;
}
}但是这种方式的效率不高，可以使用java.util.concurrent.atomic的原子类，如下代码：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
class AtomicCounter {
private AtomicInteger c = new AtomicInteger(0);
public void increment() {
c.incrementAndGet();
}
public void decrement() {
c.decrementAndGet();
}
public int value() {
return c.get();
}
}总结：多线程的技术，一直是我们既向往又害怕的部分。向往是因为多线程的威力，害怕的是多线程的复杂性。在学习初，什么进程、线程、同步、原子、死锁等各种专业词汇搞得我们信心全无。只有不断的学习，总结，其实我们也可以掌握多线程。最后感谢大家的查询...继续苦逼写代码去了。
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