Java语言ch15 多线程与多进程

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2019-11-13

操作系统执行多任务实际上就是让CPU对多个任务轮流交替执行。

实现多任务的方法，有以下几种：

多进程模式（每个进程只有一个线程）：

┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐
│Process   │ │Process   │ │Process   │
│┌────────┐│ │┌────────┐│ │┌────────┐│
││ Thread ││ ││ Thread ││ ││ Thread ││
│└────────┘│ │└────────┘│ │└────────┘│
└──────────┘ └──────────┘ └──────────┘

多线程模式（一个进程有多个线程）：

┌────────────────────┐
│Process             │
│┌────────┐┌────────┐│
││ Thread ││ Thread ││
│└────────┘└────────┘│
│┌────────┐┌────────┐│
││ Thread ││ Thread ││
│└────────┘└────────┘│
└────────────────────┘

多进程＋多线程模式（复杂度最高）：

┌──────────┐┌──────────┐┌──────────┐
│Process   ││Process   ││Process   │
│┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐│
││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
│└────────┘││└────────┘││└────────┘│
│┌────────┐││┌────────┐││┌────────┐│
││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
│└────────┘││└────────┘││└────────┘│
└──────────┘└──────────┘└──────────┘

创建线程

要实例化一个Thread实例，然后调用它的start()方法：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread();
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

这个线程启动后实际上什么也不做就立刻结束了。我们希望新线程能执行指定的代码，有以下几种方法：

方法一：从Thread派生一个自定义类，然后覆写run()方法：

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new MyThread();
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start new thread!");
    }
}

start()方法会在内部自动调用实例的run()方法。

方法二：创建Thread实例时，传入一个Runnable实例：

// 多线程 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(new MyRunnable());
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start new thread!");
    }
}

线程的优先级

可以对线程设定优先级，设定优先级的方法是：

1	Thread.setPriority(int n) // 1~10, 默认值5

线程的状态

Java线程的状态有以下几种：

New：新创建的线程，尚未执行；
Runnable：运行中的线程，正在执行run()方法的Java代码；
Blocked：运行中的线程，因为某些操作被阻塞而挂起；
Waiting：运行中的线程，因为某些操作在等待中；
Timed Waiting：运行中的线程，因为执行sleep()方法正在计时等待；
Terminated：线程已终止，因为run()方法执行完毕。

状态转移图表示如下：

         ┌─────────────┐
         │     New     │
         └─────────────┘
                │
                ▼
┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐
 ┌─────────────┐ ┌─────────────┐
││  Runnable   │ │   Blocked   ││
 └─────────────┘ └─────────────┘
│┌─────────────┐ ┌─────────────┐│
 │   Waiting   │ │Timed Waiting│
│└─────────────┘ └─────────────┘│
 ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─
                │
                ▼
         ┌─────────────┐
         │ Terminated  │
         └─────────────┘

一个线程还可以等待另一个线程直到其运行结束：

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("hello");
        });
        System.out.println("start");
        t.start();
        t.join();
        System.out.println("end");
    }
}

join就是指等待该线程结束，然后才继续往下执行自身线程。所以，上述代码打印顺序可以肯定是main线程先打印start，t线程再打印hello，main线程最后再打印end。

通过对另一个线程对象调用join()方法可以等待其执行结束；
可以指定等待时间，超过等待时间线程仍然没有结束就不再等待；
对已经运行结束的线程调用join()方法会立刻返回。

线程中断

如果线程需要执行一个长时间任务，就可能需要能中断线程。中断线程就是其他线程给该线程发一个信号，该线程收到信号后结束执行run()方法，使得自身线程能立刻结束运行。

中断一个线程非常简单，只需要在其他线程中对目标线程调用interrupt()方法，目标线程需要反复检测自身状态是否是interrupted状态，如果是，就立刻结束运行。

// 中断线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1); // 暂停1毫秒
        t.interrupt(); // 中断t线程
        t.join(); // 等待t线程结束
        System.out.println("end");
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        int n = 0;
        while (! isInterrupted()) {
            n ++;
            System.out.println(n + " hello!");
        }
    }
}

interrupt()方法仅仅向t线程发出了“中断请求”，至于t线程是否能立刻响应，要看具体代码。而t线程的while循环会检测isInterrupted()，所以上述代码能正确响应interrupt()请求，使得自身立刻结束运行run()方法。

守护线程

守护线程是指为其他线程服务的线程。在JVM中，所有非守护线程都执行完毕后，无论有没有守护线程，虚拟机都会自动退出。

JVM退出时，不必关心守护线程是否已结束。

创建守护线程，在调用start()方法前，调用setDaemon(true)把该线程标记为守护线程：

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Thread t = new MyThread();
t.setDaemon(true);
t.start();

守护线程不能持有任何需要关闭的资源

线程同步

任何时候临界区最多只有一个线程能执行。

通过加锁和解锁的操作，就能保证3条指令总是在一个线程执行期间，不会有其他线程会进入此指令区间。即使在执行期线程被操作系统中断执行，其他线程也会因为无法获得锁导致无法进入此指令区间。只有执行线程将锁释放后，其他线程才有机会获得锁并执行。

Java程序使用synchronized关键字对一个对象进行加锁：

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synchronized(lock) {
    n = n + 1;
}

两个线程在执行各自的synchronized(Counter.lock) { ... }代码块时，必须先获得锁，才能进入代码块进行。执行结束后，在synchronized语句块结束会自动释放锁。

VM规范定义了几种原子操作：

基本类型（long和double除外）赋值，例如：int n = m；
引用类型赋值，例如：List<String> list = anotherList。

同步方法

Java程序依靠synchronized对线程进行同步，使用synchronized的时候，锁住的是哪个对象非常重要。

更好的方法是把synchronized逻辑封装起来。例如，我们编写一个计数器如下：

public class Counter {
    private int count = 0;

    public void add(int n) {
        synchronized(this) {
            count += n;
        }
    }

    public void dec(int n) {
        synchronized(this) {
            count += n;
        }
    }

    public int get() {
        return count;
    }
}

上述代码，线程调用add()、dec()方法时，不必关心同步逻辑。因为synchronized代码块在方法内部。并且， synchronized锁住的对象是this，即当前实例，这又使得创建多个Counter实例的时候，它们之间互不影响，可以并发执行：

var c1 = Counter();
var c2 = Counter();

// 对c1进行操作的线程:
new Thread(() -> {
    c1.add();
}).start();
new Thread(() -> {
    c1.dec();
}).start();

// 对c2进行操作的线程:
new Thread(() -> {
    c2.add();
}).start();
new Thread(() -> {
    c2.dec();
}).start();

如果一个类被设计为允许多线程正确访问，我们就说这个类就是“线程安全”的（thread-safe），上面的Counter类就是线程安全的。Java标准库的java.lang.StringBuffer也是线程安全的。

还有一些不变类，例如String，Integer，LocalDate，它们的所有成员变量都是final，多线程同时访问时只能读不能写，这些不变类也是线程安全的。

最后，类似Math这些只提供静态方法，没有成员变量的类，也是线程安全的。

除了上述几种少数情况，大部分类，例如ArrayList，都是非线程安全的类，我们不能在多线程中修改它们。但是，如果所有线程都只读取，不写入，那么ArrayList是可以安全地在线程间共享的。

没有特殊说明时，一个类默认是非线程安全的。

本文作者： Yao Zhu
发布时间： 2019-11-13
最后更新： 2019-12-03
本文链接： https://juoyo.github.io/posts/8625f16f.html
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