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JAVA面向对象-----多线程 1_并发:一个单核cpu(采用时间片)同时执行多个任务,实际采用的是时间片转机制,也就是

作者：IT小白 | 2024-02-27 07:57:19

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并发:一个单核cpu(采用时间片)同时执行多个任务,实际采用的是时间片转机制,也就是

多线程 1

基本概念

程序

程序(program)：为完成特定任务、用某种语言编写的一-组指令的集合。即指一段静态的代码，静态对象。在计算机操作系统中，程序就表现为一个可执行文件。

进程

进程(process)：程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。是一个动态的过程，有它自身的产生、存在和消亡的过程，即进程的生命周期。

➢ 程序是静态的，进程是动态的；
➢ 每一个进程，系统是分配一个唯一id标识（pid）;
➢ 进程作为系统资源分配的最小单位，系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域。

线程

线程(thread)： 进程可进一 步细化为线程，是-一个程序内部的一 条执行路径。若一个进程同一时间并行执行多个线程，就是支持多线程的。

➢ 线程作为调度和执行的单位，每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器(pc)，线程切换的开销小。
➢ 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间，它们从同一堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会帶来安全的隐患。

进程与线程关系图：
在这里插入图片描述

单核CPU / 多核CPU

单核CPU，其实是一种假的多线程，因为在一个时间单元内，也只能执行一个线程的任务。
例如：虽然有多车道，但是收费站只有一个工作人员在收费，只有收了费才能通过，那么CPU就好比收费人员，如果有某个人不想交钱，那么收费人员可以把他“挂起”(晾着他， 等他想通了，准备好了钱，再去收费)。但是因为CPU时间单元特别短，因此感觉不出来。

如果是多核CPU的话， 才能更好的发挥多线程的效率。(现在的服务器都是多核的)。
例如：一个Java应用程序java.exe， 其实至少有三个线程: main()主线程，gc()垃圾回收线程，异常处理线程。当然如果发生异常，会影响主线程。

时间片

现代操作系统比如Mac OS X, UNIX, Linux, Windows等，都是支持多任务的操作系统。所谓的多任务,就是操作系统可以同时运行多个任务。

操作系统(如Windows、Linux) 的任务调度是采用时间片轮转的抢占式调度方式，也就是说一个任务执行一小段时间后强制暂停去执行下一个任务，每个任务轮流执行。任务执行的一小段时间叫做时间片，任务正在执行时的状态叫运行状态，任务执行一段时间后强制暂停去执行下一个任务，被暂停的任务就处于就绪状态等待下一个属于它的时间片的到来。

这样每个任务都能得到执行，由于CPU的执行效率非常高，时间片非常短,在各个任务之间快速地切换，给人的感觉就是多个任务在"同时进行”,这也就是我们所说的并发。

内核态与用户态

一般的操作系统（如Windows、Linux）对执行权限进行分级：用户态和内核态。

  1. 操作系统内核作为直接控制硬件设备的底层软件，权限最高，称为内核态，或核心态。
  2. 用户程序的权限最低，称为用户态。

需要注意的是：当用户态转变为内核态时，是比较消耗资源的！！！

并行与并发

并行：多个CPU同时执行多个任务。比如:多个人同时做不同的事。
并发：一个CPU(采用时间片轮转调度的方式)同时执行多个任务。比如:秒杀、多个人做同一件事。

进程的状态

在这里插入图片描述

  1. 就绪：进程处于可运行的状态，只是CPU时间片还没有轮转到该进程，则该进程处于就绪状态。
  2. 运行：进程处于可运行的状态，且CPU时间片轮转到该进程，该进程正在执行代码，则该进程处于运行状态。
  3. 阻塞：进程不具备运行条件，正在等待某个事件的完成。

多线程的优点

思考：以单核CPU为例，只使用单个线程先后完成多个任务(调用多个方法)，肯定比用多个线程来完成用的时间更短，那么为何仍需多线程呢?

多线程程序的优点：

  1. 提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义，可增强用户体验；
  2. 提高计算机系统CPU的利用率；
  3. 改善程序结构。将既长又复杂的进程分为多个线程，独立运行，利于理解和修改。

何时需要多线程？

  1. 程序需要同时执行两个或多个任务。
  2. 程序需要实现一些需要等待的任务时，如用户输入、文件读写操作、网络操作、搜索等。
  3. 需要一些后台运行的程序时。

线程的创建和使用

Thread中的常用方法:

  1. start():启动当前线程: 调用当前线程的run()；
  2. run(): 通常需要重写Thread类中的此方法，将创建的线程要执行的操作声明在此方法中；
  3. currentThread(): 静态方法，返回执行当前代码的线程；
  4. getName(): 获取当前线程的名字；
  5. setName(): 设置当前线程的名字；
  6. yield(): 释放当前cpu的执行权；
  7. join(): 在线程a中调用线程b的join(),此时线程a就进入阻塞状态，直到线程b完全执行完以后，线程a才结束阻塞状态；
  8. stop():已过时。当执行此方法时，强制结束当前线程；
  9. sleep(long millitime):让当前线程“睡眠’指定的millitime毫秒。在指定的millitime毫秒时间内， 当前线程是阻塞状态；
  10. isAlive():判断当前线程是否存活。

参考代码：

package test_MultiThreading;

public class ThreadTest_3 {
    public static void main(String[] args) {
        //为该分线程起个名字~~
        //方式一：在下面构造一个带参数的构造函数，初始化的时候直接命名~~
        MyThread_3 myThread_3 = new MyThread_3("Thread-1");
        //方式二：调用setName()函数
        //myThread_3.setName("分线程1");
        myThread_3.start();
        //给主线程起个名字~~
        Thread.currentThread().setName("主线程");
        for (int i=1;i<100;i++){
            if (i % 2 != 0){
                //Thread.currentThread().getName()--->获取当前进程名字
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+ i);
            }
            //在主线程中，当运行到i=21的时候，主线程断开，进入Thread-1线程中~~
            if (i == 21){
                try {
                    myThread_3.join();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

class MyThread_3 extends Thread{
    @Override
    public void run(){
        for (int i=1;i<100;i++){
            if (i % 2 == 0){
                //让进程睡眠一段时间，单位：ms
                try {
                    sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //Thread.currentThread().getName()--->获取当前进程名字
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+ i);
            }
            //当i能够整除20的时候，释放当前线程的使用权~~
            if (i%20 == 0){
                Thread.currentThread().yield();
            }
        }
    }

    //创建一个带参数的构造函数
    public MyThread_3(String name){
        super(name);
    }
}


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方式一：继承Thread类

步骤

1.创建一个继承于Thread类的子类；
2.重写Thread类的run()—>将此线程需要执行的操作声明在run()函数中；
3.创建Thread类的子类的对象；
4. 通过此对象调用start()—>启动当前线程，调用当前线程的run()函数。

例1：遍历100以内的所有偶数。

参考代码：

//1.创建一个继承于Thread类的子类
class MyThread extends Thread{
    //2.重写Thread类的run()
    @Override
    public void run(){
        for (int i=1;i<100;i++){
            if (i % 2 == 0){
                //Thread.currentThread().getName()--->获取当前进程名字
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+ i);
            }
        }
    }
}

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        //3.创建Thread类的子类的对象
        MyThread myThread_1 = new MyThread();
        //4. 通过此对象调用start()
        myThread_1.start();

        //注意事项：
        //myThread.run();
        //通过这种方式启动的线程不是多线程~~

        //如果此时，我们需要再次调用myThread线程，不可以直接再次调用start()，
        //而是需要重新创建对象后再调用~~
        MyThread myThread_2 = new MyThread();
        myThread_2.start();

        //测试一下多线程
        for (int i=0;i<50;i++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i*i);
        }
    }
}

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运行结果：
在这里插入图片描述

这个输出结果是可以看出，该程序运行是开辟了3个线程进行运行的！
注意：

  1. 我们也可以使用myThread.run()的方式直接启动线程，但是这就不再是多线程了，而是全部都在main这个主线程下运行程序~~
  2. 如果此时，我们需要再次调用myThread线程，不可以直接再次调用start()，而是需要重新创建对象后再调用~~否则会抛IllegalThreadStateException异常。

例2：创建两个分线程，分别遍历100以内的所有偶数和所有奇数。

参考代码：

public class ThreadTest_2 {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread_1 = new MyThread();
        MyThread myThread_2 = new MyThread();

        myThread_1.start();
        myThread_2.start();
    }
}

class MyThread_1 extends Thread{
    @Override
    public void run(){
        for (int i=1;i<100;i++){
            if (i % 2 == 0){
                //Thread.currentThread().getName()--->获取当前进程名字
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+ i);
            }
        }
    }
}

class MyThread_2 extends Thread{
    @Override
    public void run(){
        for (int i=1;i<100;i++){
            if (i % 2 != 0){
                //Thread.currentThread().getName()--->获取当前进程名字
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+ i);
            }
        }
    }
}

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运行结果：
在这里插入图片描述

Thread的匿名子类

在上面两个例子中，我们发现这样一个问题：我们所创建的分线程，只是使用了一次就不用了，每次使用需要创建新的对象，其实还是挺麻烦的~~那么我们就可以使用Thread的匿名子类。

        //创建Thread类的匿名子类的方式
        new Thread(){
            @Override
            public void run(){
                //具体重写内容
            }
        }.start();

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方式二：实现Runnable接口

步骤

1.创建一个实现了Runnable接口的实现类；
2.实现类去实现Runnable 中的抽象方法run()；
3.创建实现类的对象；
4.将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象；
5.通过Thread类的对象 调用start()。

参考代码：

public class ThreadTest_5 {
    public static void main(String[] args) {
        //3.创建实现类的对象
        MyThread_5 myThread_5 = new MyThread_5();
        //4.将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象；
        Thread thread1 = new Thread(myThread_5);
        thread1.setName("线程1");
        //5.通过Thread类的对象 调用start()
        thread1.start();

        //再启动一个线程
        Thread thread2 = new Thread(myThread_5);
        thread2.setName("线程2");
        thread2.start();
    }
}

//1.创建一个实现Runnable接口的实现类
class MyThread_5 implements Runnable{
    //2.实现类去实现Runnable中的run()抽象方法
    @Override
    public void run() {
        for (int i=0;i<100;i++){
            if (i%2 == 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i);
            }
        }
    }
}

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我们会有这样一个疑问：因为调用start()方法后，线程启动，随后会执行当前线程内的run()函数，但是我们当前线程是Thread，为什么执行下来是调用的下面Runnable中的抽象run()方法呢？

通过阅读源码可以发现，Thread类中run()函数中的target是一个Runnable类型的值~~故而可以执行到Runnable节课欧中的抽像方法！
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

例1：创建三个窗口卖票，总票数100张。（方式一实现）

参考代码：

public class ThreadTest_4 {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread_4 window1 = new MyThread_4();
        MyThread_4 window2 = new MyThread_4();
        MyThread_4 window3 = new MyThread_4();
        window1.setName("窗口1");
        window2.setName("窗口2");
        window3.setName("窗口3");
        window1.start();
        window2.start();
        window3.start();
    }
}

class MyThread_4 extends Thread{
    private static int ticket = 100;  //注意这里必须要用static修饰
    @Override
    public void run(){

        while(true){
            if (ticket > 0){
                System.out.println(getName() + ":卖票，票号为："+ ticket);
                ticket--;
            }else{
                break;
            }
        }
    }
}

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我们会发现，运行结果中有3个票号为100的票，这是因为涉及到线程安全问题~ ~后面会讲如何解决！

例2：创建三个窗口卖票，总票数100张。（方式二实现）

参考代码：

public class ThreadTest_6 {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread_6 window = new MyThread_6();
        Thread window1 = new Thread(window);
        Thread window2 = new Thread(window);
        Thread window3 = new Thread(window);
        window1.setName("窗口1");
        window2.setName("窗口2");
        window3.setName("窗口3");
        window1.start();
        window2.start();
        window3.start();
    }
}

class MyThread_6 implements Runnable{
    private int ticket = 100; //注意这里没有用static修饰
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            if (ticket > 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为："+ ticket);
                ticket--;
            }else{
                break;
            }
        }
    }
}

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思考一下，这道例题用方式一和方式二实现的最大区别在于定义stick总数的时候有没有用static修饰？
方式一必须要用是因为方式一种创造出了三个对象，那么如果不用static修饰，每个创造对象，stick就会+100，最后就有300张stick。
方式二不需要用static修饰stick，是因为方式二中只创造了一个对象，这一个对象放到了三个构造器中，这三个线程只使用了一个对象。

Runnable的匿名子类

// 使用匿名类创建 Runnable 子类对象
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        //具体重写内容
   }
});

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两种创建方式的比较

综合上面两个方式及其例题，我们发现，线程的创建和使用中，方式二更好一下~~

方式一的局限性在于java的单继承特性，拿购票窗口举例，如果使用方法一的方式实现多线程，现实中的购票窗口还有其他特性，也许还需要继承其他父类，那么方法一下面它就无法继承其他类了，所以还是使用方式二实现Runnable接口比较方便。

方式二能够更好的处理多个线程有共享数据的情况，例如购票窗口中的总票数和窗口之间的关系，方式二在创建中就不需要按每个窗口来创建对象，只需要创建一个对象，然后调用好对象的构造器就可实现多个对象的创建。

方式一和方式二之间的联系就在于两种方法都需要重写run()函数，将线程要执行的逻辑声明在run()函数中。

线程中断的两种方法

1. 通过共享的标记来进行沟通

public class FlagStopThread {
    //使用标志位isQuit标识是否继续执行线程中的任务，true中断，false继续执行
    private static class MyRunnable implements Runnable {
        public volatile boolean isQuit = false;
        @Override
        public void run() {
            while (!isQuit) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 别管我，我忙着转账呢!");
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ":好！停止转账！");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyRunnable target = new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(target, "李四");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 让李四开始转账。");
        thread.start();
        Thread.sleep( 1000);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 老板来电话了，得赶紧通知李四对方是个骗子！");
        target.isQuit = true;
    }
}

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2. 调用 interrupt() 方法来通知

public class InterruptThread {
private static class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 两种方法均可以
        while (!Thread.interrupted()) {
            //while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 别管我，我忙着转账呢!");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 有内鬼，终止交易！");
                break;
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 好！停止转账！");
    }
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    MyRunnable target = new MyRunnable();
    Thread thread = new Thread(target, "李四");
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 让李四开始转账。");
    thread.start();
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ ": 老板来电话了，得赶紧通知李四对方是个骗子！");
    thread.interrupt();
   }
}


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在这里插入图片描述
重点说明下第二种方法：

通过 thread 对象调用 interrupt() 方法通知该线程停止运行。thread 收到通知的方式有两种：

  1. 如果线程调用了 wait/join/sleep 等方法而阻塞挂起，则以 InterruptedException 异常的形式
    通知，清除中断标志；
  2. 否则，只是内部的一个中断标志被设置
    thread 可以通过，Thread.interrupted() 判断当前线程的中断标志被设置，清除中断标志，Thread.currentThread().isInterrupted() 判断指定线程的中断标志被设置，不清除中断标志

第二种方式通知收到的更及时，即使线程正在 sleep 也可以马上收到。

Thread的优先级

线程的调度

调度策略

1.时间片

在这里插入图片描述

2.抢占式，高优先级的线程抢占CPU

线程的优先级等级

优先级分类

  1. MAX_ PRIORITY：10
  2. MIN_ PRIORITY：1
  3. NORM_ PRIORITY： 5

涉及的方法

  1. getPriority()：返回线程优先值；
  2. setPriority(int newPriority) ：改变线程的优先级。

说明

  1. 线程创建时继承父线程的优先级；
  2. 高优先级的线程要抢占低优先级线程cpu的执行权。但是只是从概率上讲，高优先级的线程高概率的情况下被执行。并不意味着只有当高优先级的线程执行完以后，低优先级的线程才执行。|

~~未完待续

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