1Java多線程技能

??? 講到多線程技術(shù)狱庇，我們就不得不提及“進程”和“線程”的概念粉臊，“百度百科”里對“進程”的解釋如下：進程是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)箫爷；是一次程序的執(zhí)行舌稀；是一個程序及其數(shù)據(jù)在處理機上順序執(zhí)行時鎖發(fā)生的活動场绿；是程序在一個數(shù)據(jù)集合上運行的過程剖效，它是系統(tǒng)進行資源匹配和調(diào)度的一個獨立單位。通俗的來講其實就是一個正在操作系統(tǒng)中運行的exe程序，如圖1-1所示璧尸，而線程可以理解成是在進程中獨立運行的子任務(wù)咒林。比如，QQ.exe運行時就有很多的子任務(wù)在同時運行爷光。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 圖1-1系統(tǒng)進程列表

??? 那么使用多線程有什么優(yōu)點呢垫竞？如果有使用過“多任務(wù)操作系統(tǒng)”的經(jīng)驗，比如Windows蛀序，那么我們對于它的方便性就會有深入的體會：使用多任務(wù)操作系統(tǒng)后欢瞪，可以最大限度的利用CPU的空閑時間來處理其他任務(wù)，比如一邊處理正在由打印機打印數(shù)據(jù)徐裸，一邊使用Word編輯文檔遣鼓。為了更好的理解多線程的優(yōu)勢，我們可以看一些多線程模型（圖1-2）和單線程模型（圖1-3）重贺，總的來說多線程可以使CPU異步執(zhí)行骑祟，大大的提高CPU的利用率，而單線程只能順序的執(zhí)行气笙。

??????????????????????????????????????????????????????????????? 圖1-2多任務(wù)環(huán)境

??????????????????????????????????????????????????????????????? 圖1-3單任務(wù)環(huán)境

??? 講了線程的概念以及多線程的優(yōu)點曾我，接下來我們來談一談怎么使用多線程。首先是實現(xiàn)多線程健民，一般實現(xiàn)多線程的方式主要有兩種抒巢，一種是繼承Thread類，另一種是實現(xiàn)Runnable接口秉犹，通過Java的源碼可以發(fā)現(xiàn)蛉谜，Thread類實現(xiàn)了Runnable接口，同時又考慮到Java不支持多繼承崇堵，所以通過實現(xiàn)Runnable接口的方式來實現(xiàn)多線程更加符合Java的特性型诚；其次是啟動線程，啟動線程一般有start（）方法和run（）方法鸳劳，start（）方法會通知“線程規(guī)劃器”此線程已經(jīng)準備就緒狰贯，等待系統(tǒng)安排一個時間來調(diào)用Thread中run（）方法，由于“線程規(guī)劃器”調(diào)用的隨機性赏廓，所有執(zhí)行start（）的順序不代表線程啟動的順序涵紊，具有異步性；而run（）方法卻不會交給“線程規(guī)劃器”而是交給main主線程來調(diào)用run（）方法幔摸，也就是必須等run（）方法執(zhí)行完成后摸柄，才能執(zhí)行后面的代碼，具有順序性既忆；接著是暫停/恢復(fù)線程驱负，Java中一般用suspend（）方法和resume（）方法來暫停/恢復(fù)線程嗦玖，但是suspend和resume的缺點是獨占，如果使用不當(dāng)?shù)脑捲炯梗瑯O易造成公共對象的獨占宇挫，是的其他線程無法訪問公共同步對象，同時suspend和resume容易應(yīng)為線程的暫停導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不同步酪术；最后是停止線程器瘪，一種是直接使用stop（）方法，但是這個方法不安全拼缝、會拋出ThreadDeath異常娱局、強制讓線程停止導(dǎo)致一些請理性工作得不到完成而且會對鎖定的對象進行“解鎖”導(dǎo)致數(shù)據(jù)不同步，而且是已被啟用作廢的咧七，在將來的Java版本中衰齐，這個方法將不可用或不支持，還有一種是通過interrupt（）方法继阻，給線程注冊一個中斷標(biāo)識耻涛，然后通過interrupted（）和isInterrupted（）方法來判斷是否有中斷標(biāo)識，然后結(jié)合拋異常瘟檩、break或者return來退出線程抹缕，對于interrupted（）方法是用來測試當(dāng)前線程是否已經(jīng)中斷，具有清除中斷標(biāo)識的作用墨辛，isInterrupted（）方法用來測試是否已經(jīng)中斷卓研，不具有清除中標(biāo)功能。

??? 在Java線程中有兩種線程睹簇，一種是用戶線程奏赘，另一種是守護線程。守護線程時特殊的線程太惠，它的特性有“陪伴”的含義磨淌，當(dāng)進程中不存在非守護線程了，則守護線程自動銷毀凿渊，典型的守護線程就是垃圾回收梁只，主要是為其他線程的運行的運行提供服務(wù)，用戶可以通過Thread.setDameon（）方法將一個線程設(shè)置為守護線程埃脏。

2 對象及變量的并發(fā)訪問

??? 前面講述了多線程的技能搪锣，從而我們對線程的創(chuàng)建、啟動剂癌、暫停淤翔、停止等基本操作有了一定的了解，接下來當(dāng)然就會涉及到線程中的實例變量佩谷、局部變量以及方法的訪問控制的問題旁壮，對于自定義線程中實例變量存在有兩種情況，一種是不共享數(shù)據(jù)的情況（如圖2-1）谐檀，一種是共享數(shù)據(jù)的情況（如圖2-2）抡谐，對于不共享數(shù)據(jù)的情況下，線程之間就不會存在“非線程安全”問題桐猬，而對于共享數(shù)據(jù)的情況下就會存在“非線程安全”問題麦撵，例如：對于一個i--操作來說，在某些JVM中要分成如下三步：

?1) 取得原有i值

?2) 計算i--

?3)? 對i進行賦值

在這3個步驟中溃肪，如果有多個線程同時訪問免胃，那么就會出現(xiàn)“非線程安全”問題。

??????????????????????????????????????????????????????????????? 圖2-1不共享數(shù)據(jù)

??????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖2-2共享數(shù)據(jù)

??? 對于“非線程安全”問題常用的處理方法是在方法前加上synchronized關(guān)鍵字惫撰，使多個線程以排隊的順序執(zhí)行某一個方法羔沙。當(dāng)一個線程調(diào)用方法前，先判斷當(dāng)前方法有沒有上鎖厨钻，如果上鎖了扼雏，說明有其他的線程正在調(diào)用此方法，必須等到其他線程結(jié)束后才可以執(zhí)行此方法夯膀，這樣就實現(xiàn)了排隊調(diào)用方法的目的了诗充。但有一點我們必須要搞清楚，對于非靜態(tài)方法前加入synchronized關(guān)鍵字诱建，關(guān)鍵字synchronized取得的鎖是對象鎖蝴蜓，而不是把一段代碼或者方法當(dāng)做鎖，如果多個線程訪問的是同一個對象那么加上synchronized關(guān)鍵字是可以解決“非線程安全”問題俺猿，但是如果是多個對象多個鎖茎匠，那么線程之間仍然是異步執(zhí)行的；對于靜態(tài)方法前加入synchronized關(guān)鍵字辜荠，關(guān)鍵字synchronized取得的鎖就是當(dāng)前的*.java文件的Class類汽抚，Class鎖可以對類的所有對象起作用。

然而使用關(guān)鍵字synchronized聲明方法在某些情況下是存在弊端的伯病，比如A線程調(diào)用同步方法執(zhí)行一個長時間的任務(wù)造烁，那么B線程則必須等待比較長的時間。在這樣的情況下可以使用synchronized同步語句塊來來解決午笛，只對需要順序執(zhí)行的某個或者某些語句進行加鎖惭蟋，從而提高運行效率，常用的同步語句方法有synchronized（this）药磺、synchronized（非this對象）告组、synchronized（class）。對于synchronized（this）和synchronized（非this對象）來說癌佩，監(jiān)視器對象都是圓括號中的所指定的對象木缝，而synchronized（class）的監(jiān)視器對象是類便锨，是與在靜態(tài)方法前加synchronized關(guān)鍵字具有同樣的概念。

??? 對于同一個類中多方法加了synchronized關(guān)鍵字或者synchronized語句塊的調(diào)用遵循以下規(guī)則：

???? 1)? A線程先持有Object對象的Lock鎖我碟，B線程可以以異步的方式調(diào)用Object對象中非synchronized類型或者非synchronized代碼塊的方法放案。

???? 2)? A線程先持有Object對象的Lock鎖，B線程如果在這時調(diào)用Object對象中synchronized類型或者synchronized代碼塊的方法則需等待矫俺，也就是同步吱殉。

??? 總而言之，我們要區(qū)分清楚監(jiān)視器對象是否相同厘托，如果相同那么對于方法的調(diào)用就要遵循以上的規(guī)則友雳，如果監(jiān)視器對象不同，那么線程之間的方法調(diào)用就是異步的铅匹，而且如果線程遇到異常后會自動的釋放掉鎖持有的鎖押赊，防止出現(xiàn)死鎖的現(xiàn)象。

??? 在Java5中引入了一種Lock對象伊群，該對象也能實現(xiàn)同步的效果考杉，并且在擴張功能上也更加強大，比如具有嗅探鎖定舰始、多路通知等功能崇棠。而且使用上比synchronized更加的靈，同時類ReentrantLock具有完全互斥排他的效果丸卷，即同一個時間只有一個線程在執(zhí)行ReentrantLock.lock（）方法后面的任務(wù)枕稀，這樣做雖然保證了實例變量的線程安全，但是效率卻是非常低下谜嫉。所以在JDK中提供了一種讀寫鎖ReentrantReadWriteLock類萎坷，使用它可以加快運行效率。讀寫鎖表示也有兩個鎖沐兰，一個是讀操作相關(guān)的鎖哆档，也叫共享鎖；另一個是寫操作相關(guān)的鎖住闯，也好排它鎖瓜浸。也就是多個讀鎖之間不互斥，讀鎖與寫鎖互斥比原，寫鎖與寫鎖互斥插佛。

3 線程間通信

??? 線程是操作系統(tǒng)中獨立的個體，但這些個體如果不經(jīng)過特殊的處理就不能成為一個整體量窘。線程間通信就是成為整體的備用方案之一雇寇，可以說，使線程進行通信后，系統(tǒng)之間的交互性會更強大锨侯，在大大提高CPU利用率的同時還會使程序員對給線程任務(wù)處理的過程中進行有效地把控與監(jiān)督嫩海。

??? 通過不斷的使用while語句輪詢機制來檢測某一個條件，來進行線程間的通信识腿，這樣會浪費CPU資源出革，如果輪詢的時間間隔很小造壮，更浪費CPU資源渡讼；如果輪詢的時間間隔很大，有可能會取不到想要得到的數(shù)據(jù)耳璧。所以就需要有一種機制來實現(xiàn)減少CPU的資源浪費成箫。而且還可以實現(xiàn)在多個線程間通信，他就是“wait/notify”機制旨枯。等待/通知機制在生活中比比皆是蹬昌，比如在就餐中就會出現(xiàn)，如圖3-1所示攀隔。

??? 廚師和服務(wù)員之間的交互要在“菜品傳遞臺”上皂贩，在這期間會有幾個問題：

???? 1)? 廚師做完一道菜的時間不確定，所以廚師將菜品放到“菜品傳遞臺”上的時間也不確定

???? 2)? ]服務(wù)員取到菜的時間取決于廚師昆汹，所以服務(wù)員就有“等待”（wait）的狀態(tài)明刷。

???? 3)? 服務(wù)員如何能取到菜呢？這又取決于廚師满粗，廚師將菜放在“菜品傳遞臺”上辈末，其實就相當(dāng)于一種通知（notify），這時服務(wù)員才可以拿到菜并交給就餐者映皆。

???? 4)? 在這個過程中出現(xiàn)了“等待/通知”機制挤聘。

??????????????????????????????????????????????????????????? 圖3-1就餐時出現(xiàn)等待通知

??? 方法wait（）的作用是使得當(dāng)前執(zhí)行代碼的線程立刻進行等待，將當(dāng)前線程置入“預(yù)執(zhí)行隊列”中捅彻，并且在wait（）所在的代碼行處停止執(zhí)行组去，同時會把自己所持有的鎖進行釋放，直到接到通知或被中斷為止步淹。在調(diào)用wait（）之前从隆，線程必須獲得對象的對象級別鎖，即只能在同步方法或者同步代碼塊中調(diào)用wait（）方法贤旷。方法notify（）的主要作用是用來通知那些可能等待該對象鎖的其他線程广料，如果喲多個線程等待，則由“線程規(guī)劃器”隨機挑選出一個呈wait狀態(tài)的線程幼驶，并對其發(fā)出notify通知艾杏，并使其獲得該對象的對象鎖，同時notify也要在同步方法或者同步代碼塊中進行調(diào)用盅藻，即在調(diào)用前购桑，線程也必須獲得該對象的對象級別鎖畅铭。有一點需要明白的是味廊，在執(zhí)行notify（）方法后医窿，當(dāng)前線程不會馬上釋放該對象鎖，呈wait狀態(tài)的線程也不能馬上獲取該對象鎖躯肌，要等到執(zhí)行notify（）方法的線程將程序執(zhí)行完缭贡，也就是退出synchronized代碼塊后炉擅，當(dāng)前線程才會釋放鎖，而呈wait狀態(tài)所在的線程才可以獲得該對象鎖阳惹。方法notifyAll（）可以使所有正在等待隊列中等待同一共享資源的“全部”線程從等待隊列退出谍失，進入可運行狀態(tài)。此時莹汤，只有第一個獲取到該對象鎖的線程才會進行running快鱼，如圖3-2所示中線程狀態(tài)切換示意圖：

??????????????????????????????????????????????????????????? 圖3-2線程狀態(tài)切換示意圖

??? 1) 新創(chuàng)建一個新的線程對象后，再調(diào)用它的start（）方法纲岭，系統(tǒng)會為此線程分配CPU資源抹竹，時期處于Runnable（可運行）狀態(tài)，這是一個準備運行的階段止潮，如果線程搶占到CPU資源窃判，此線程就處于Running（運行）狀態(tài)。

??? 2) Runnable狀態(tài)和Running狀態(tài)可以相互切換沽翔，因為有可能線程運行一段時間后兢孝，有其他高優(yōu)先級的線程搶占了CPU資源，這時此線程就從Running狀態(tài)變成Runnable狀態(tài)仅偎。

??? 3) Blocked是阻塞的意思跨蟹，例如遇到一個IO操作，此時CPU處于空閑狀態(tài)橘沥，可能會轉(zhuǎn)而把CPU時間片分配給其他線程窗轩，這時也可以成為“暫停”狀態(tài)座咆。Blocked結(jié)束后痢艺，進入Runnable狀態(tài)，等待系統(tǒng)重新分配資源介陶。

?? 4) run（）方法運行結(jié)束后進入銷毀階段堤舒，這個線程執(zhí)行完畢。

??? 在前面介紹過通過Lock對象也能實現(xiàn)同步的效果哺呜，并且在擴張功能上也更加強大舌缤，比如具有嗅探鎖定、多路通知等功能。而且使用上比synchronized更加的靈活国撵。關(guān)鍵字synchronized與wait（）和notify（）/notifyAll（）方法結(jié)合可以實現(xiàn)通知/等待模式陵吸，但是使用notify（）/notifyAll（）方法進行通知時，被通知的線程卻是JVM隨機選擇的介牙，因為synchronized就相當(dāng)于整個Lock對象中只有一個單一的Condition對象壮虫，所以的線程都注冊在它一個對象的身上，而且對于notifyAll（）時环础，需要通知所有的WAITTING線程囚似，沒有選擇權(quán)，會出現(xiàn)相當(dāng)大的效率問題喳整。但是Lock對象里面可以創(chuàng)建多個Condition（即對象監(jiān)視器）實例谆构，線程可以注冊在指定的Condition中，從而可以有選擇性的進行線程通知框都，在調(diào)度線程上更加靈活。

??? Object類中的wait（）方法相當(dāng)于Condition類中的await（）方法呵晨。

??? Object類中的wait（long timeout）方法相當(dāng)于Condition類中的await（long timeout魏保，TimeUnit unit）方法。

??? Object類中的notify（）方法相當(dāng)于Condition類中的signal（）方法摸屠。

??? Object類中的notifyAll（）方法相當(dāng)于Condition類中的signalAll（）方法谓罗。

4 總結(jié)

??? 這本書主要講述了Java中多線程技術(shù)，主要圍繞三個方面來進行講解季二，第一個方面講的主要就是一些對線程的基本操作檩咱，使我們對線程能有一個初步的認識，知道可以通過繼承Thread類或者實現(xiàn)Runnable接口來實現(xiàn)一個自定義的線程類胯舷，同時明白這兩種方法的區(qū)別以及JDK中關(guān)于Thread的API的使用刻蚯；第二個方面主要講解的是怎么對變量以及方法的訪問進行控制，保證不會出現(xiàn)一些“非線程安全”的問題桑嘶，主要提到的解決方案有synchronized關(guān)鍵字炊汹、synchronized代碼塊、Lock類等來控制線程對實例變量和方法的順序訪問逃顶，同時知道方法中的變量不會出現(xiàn)“非線程安全”問題讨便；第三方面講的是怎么把一個個單獨的線程結(jié)合成一個整體，使得線程之間可以相互的通信以政，從而保證CPU具有高效的利用率霸褒，在這方面介紹的主要技術(shù)就是wait/notifhe lock/condition，并指出lock/condition比wait/notify方法具有更高的效率以及靈活性盈蛮，因為lock/condition可以注冊多個監(jiān)視器對象废菱，將不同的對象注冊到不同的監(jiān)視器對象上，可以更加方便的對線程進行管理而wait/notify只有一個監(jiān)視器對象。