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多线程学习

时间：2024-09-29 15:22:04浏览次数：11  
标签：执行 创建 学习 任务 线程 进程 多线程 等待

一. 认识线程（Thread）

1. 线程是什么

定义：线程是一个轻量级的执行流，它代表了程序执行的一个路径。每个线程都有自己的程序计数器、栈和局部变量，但线程之间可以共享同一个进程的全局变量和堆。

主线程：在 Java 程序中，main() 方法所运行的线程被称为主线程（Main Thread）。当你启动一个 Java 应用程序时，JVM 会创建一个主线程来执行 main() 方法。

执行流：每个线程可以看作是一条独立的执行路径，多个线程可以并行执行同一段代码，但它们的执行顺序是非确定性的，这意味着可能会发生交错执行（interleaving）。

2. 为啥要有线程

并发编程的需求：现代计算需求往往需要同时执行多个任务，尤其在多核处理器环境下。并发编程能够充分利用 CPU 的资源，提升程序性能和响应速度。

提高算力：多核 CPU 的发展使得并发编程成为必要。通过创建多个线程，可以将计算任务分配到多个 CPU 核心上，提高执行效率。

等待 I/O 的场景：许多程序在执行过程中会等待输入/输出（I/O）操作，如文件读取、网络请求等。使用多线程可以在等待 I/O 时，让其他线程继续执行，从而提高资源的利用率。

线程相对进程的优势：

  • 创建速度：线程的创建和销毁比进程更快，因为线程的上下文切换比进程的上下文切换开销小。
  • 调度效率：操作系统调度线程的效率高于进程，线程在同一进程内的切换非常迅速。
  • 资源共享：同一进程内的线程共享内存空间，这使得数据传递更加高效。

线程池与协程：

  • 线程池：为了进一步提高性能，Java 提供了线程池机制，允许预先创建一组线程，重复使用，减少频繁创建和销毁线程的开销。
  • 协程：协程是一种更轻量级的线程实现，它允许在单线程内实现并发。协程通过协作式调度管理执行状态，使得资源利用更加高效。

3. 进程和线程的区别

3.1. 基本概念
  • 进程（Process）：
    • 进程是操作系统分配资源的基本单位，它是一个执行中的程序。每个进程拥有自己的地址空间、数据段、堆栈和其他属性。
  • 线程（Thread）：
    • 线程是进程内部的一个执行单元，它是操作系统能够独立调度的最小单位。每个进程至少有一个主线程，多个线程可以并行执行。
3.2. 资源分配
  • 进程：
    • 每个进程都有独立的内存空间，包括代码段、数据段和堆栈。进程间的内存是相互隔离的。
  • 线程：
    • 同一进程中的所有线程共享进程的内存空间，包括全局变量和堆。这使得线程之间可以快速通信，但也带来了线程安全问题。
3.3. 数据共享与通信
  • 进程：
    • 进程间不能直接共享数据，数据共享需要通过进程间通信（IPC）机制，如管道、消息队列、共享内存、信号量等。这使得进程间的数据交换相对复杂。
  • 线程：
    • 线程可以直接访问同一进程的内存，数据共享非常简单，可以通过直接读写共享变量实现。这种共享能力虽然方便，但也可能导致数据竞争和一致性问题。
3.4. 创建与销毁
  • 进程：
    • 创建和销毁进程的开销较大。创建进程时，操作系统需要分配新的内存空间和系统资源，这会消耗更多的时间和资源。
  • 线程：
    • 线程的创建和销毁相对更快，因为线程共享进程的资源和内存。创建新线程只需分配少量的系统资源（如线程栈和寄存器）。
3.5. 调度与执行
  • 进程：
    • 进程是操作系统调度的基本单位。进程的上下文切换涉及到更复杂的操作，如保存和恢复进程的完整状态，涉及大量的资源管理。
  • 线程：
    • 线程是最小的执行单位，操作系统调度线程的开销较小。线程的上下文切换速度比进程快，因为线程共享相同的地址空间，保存和恢复的状态较少。
3.6. 崩溃影响
  • 进程：
    • 如果一个进程崩溃，通常不会影响到其他进程的运行。操作系统能够保证进程之间的隔离性。
  • 线程：
    • 如果一个线程崩溃，可能会导致整个进程崩溃。这是因为线程之间共享内存，崩溃的线程可能会破坏共享数据，从而影响其他线程的执行。
3.7. 应用场景
  • 进程：
    • 适用于需要高隔离性的应用，如不同的服务或应用程序之间的运行（如浏览器、文本编辑器、播放器等），各个进程独立且不干扰。
  • 线程：
    • 适用于需要高并发的场景，如服务器处理多个客户端请求时，使用线程可以提高响应速度和资源利用率。
3.8. 小结
特征进程线程
定义资源分配的基本单位最小的执行单元
内存空间独立的地址空间共享同一进程的内存空间
数据共享通过 IPC 机制直接访问共享内存
创建与销毁开销较大开销较小
调度系统调度的基本单位轻量级的调度单位
崩溃影响不影响其他进程可能导致整个进程崩溃
应用场景高隔离性需求（如独立服务）高并发性需求（如 web 服务器处理请求）

这种区别能帮助你全面理解进程和线程之间的不同。如果还有其他方面需要进一步探讨或具体的例子，请告诉我！

4. Java的线程和操作系统线程的关系

操作系统的支持：

  • 线程是操作系统的基本概念，操作系统内核通过提供线程的创建、调度、同步等功能来支持多线程编程。
  • 不同的操作系统使用不同的机制来管理线程，例如，Linux 使用 pthread 库来提供线程功能。

Java 的线程模型：

  • Java 的 Thread 类是对操作系统线程 API 的抽象，JVM 在底层将 Java 线程映射为操作系统线程。
  • Java 线程通常是用户级线程，JVM 负责调度这些线程，并将它们映射到操作系统的线程上。

线程调度：

  • Java 线程的调度依赖于操作系统的调度策略，通常是时间片轮转（Round Robin）或优先级调度（Priority Scheduling）。
  • 在 Java 中，开发者可以通过 Thread 类设置线程的优先级，但实际效果还依赖于操作系统的实现。

二 Java 中创建线程的方式总结

1.继承 Thread 类

  • 描述：创建一个类继承 Thread，重写 run() 方法，使用 start() 方法启动线程。

  • 优点

    • 代码简单，易于理解。
    • 可以直接调用 Thread 类中的方法。

  • 缺点

    • Java 是单继承的，不能继承其他类。

  • 示例

    class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // 线程执行的代码
    }
}

2.实现 Runnable 接口

  • 描述：创建一个类实现 Runnable 接口，重写 run() 方法，并将 Runnable 实例传递给 Thread 对象。

  • 优点

    • 支持多重继承，可以同时继承其他类。
    • 适合多个线程共享同一任务。

  • 缺点

    • 代码相对复杂。

  • 示例

    class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        // 线程执行的代码
    }
}

3.使用 Callable 接口

  • 描述：创建一个类实现 Callable 接口，重写 call() 方法，使用 FutureTask 或 ExecutorService 执行任务。

  • 优点

    • 可以返回结果并处理异常。
    • 更适合需要计算结果的场景。

  • 缺点

    • 需要使用 FutureTask，相对较复杂。

  • 示例

    class MyCallable implements Callable<String> {
    public String call() throws Exception {
        // 线程执行的代码
        return "结果";
    }
}

4.使用 Lambda 表达式（Java 8 及以上）

  • 描述：使用 Lambda 表达式简化 Runnable 和 Callable 的实现。

  • 优点

    • 代码简洁，减少了样板代码。
    • 更容易阅读和维护。

  • 示例

    Thread thread = new Thread(() -> {
    // 线程执行的代码
});

5.小结

创建方式描述优点缺点
继承 Thread 类直接创建线程类并重写 run() 方法简单易懂，直接调用 Thread 方法单继承限制，无法继承其他类
实现 Runnable 接口实现接口并重写 run() 方法支持多重继承，适合共享任务代码较复杂
实现 Callable 接口实现接口并重写 call() 方法可以返回结果，处理异常相对复杂，需要使用 FutureTask
使用 Lambda 表达式使用 Lambda 简化代码代码简洁，易读仅适用于 Java 8 及以上

以上总结涵盖了 Java 中创建线程的主要方法及其优缺点，可以根据具体的应用场景选择最适合的方式。如果还有其他问题或需要进一步讨论的内容，请随时告诉我！

三. 线程的生命周期

线程在 Java 中的生命周期主要包括以下七种状态：

1.新建（New）：

  • 描述：当线程对象被创建时，它处于新建状态。此时，线程尚未开始执行，且没有占用系统资源。

  • 示例：

    Thread thread = new Thread(() -> {
    // 线程执行的代码
});
// 此时线程处于新建状态

2.可运行（Runnable）：

  • 描述：当调用 start() 方法后，线程进入可运行状态。可运行状态的线程可能是就绪（READY）或正在运行（RUNNING）。可运行状态的线程处于系统的可运行线程池中，等待 CPU 的调度。

    • 就绪（READY）：线程已准备好，等待 CPU 时间片。
    • 运行中（RUNNING）：线程获得 CPU 时间片，正在执行代码。

  • 示例：

    thread.start();  // 调用 start() 方法，线程进入可运行状态

3.运行（Running）：

  • 描述：当线程获得 CPU 资源后，进入运行状态，开始执行 run() 方法中的代码。只有一个线程可以在任意时刻处于运行状态。

  • 示例：

    // 在这里，线程正在执行具体的任务

4.阻塞（Blocked）：

  • 描述：线程在等待某个资源（如获取锁）而被挂起时进入阻塞状态。阻塞通常发生在多线程环境中，当一个线程试图访问一个已经被其他线程占用的资源时，它会被阻塞，无法继续执行。

  • 示例：

    synchronized (someObject) {
    // 这里是访问被锁定的资源
}
// 如果另一个线程已经获取了 someObject 的锁，当前线程将被阻塞

5.等待（Waiting）：

  • 描述：线程进入等待状态时，它需要等待其他线程的特定动作（如通知或中断）。在等待状态下，线程不会占用 CPU 资源。

  • 示例：

    synchronized (someObject) {
    someObject.wait();  // 线程在这里等待
}

6.超时等待（Timed Waiting）：

  • 描述：线程在此状态时，会在指定的时间后自动返回。这种状态通常用于等待一定时间。

  • 示例：

    synchronized (someObject) {
    someObject.wait(1000);  // 等待最多 1000 毫秒
}

7.终止（Terminated）：

  • 描述：线程的执行完成或因异常中断后，进入终止状态。此时，线程生命周期结束，无法再被启动。

  • 示例：

    // run() 方法执行完毕，线程进入终止状态

8.线程状态的转换

  • 新建到可运行：当调用 start() 方法时，线程从新建状态转变为可运行状态。
  • 可运行到运行：当线程调度器分配 CPU 资源时，线程从可运行状态转变为运行状态。
  • 运行到阻塞：当线程尝试获取锁而未成功时，或者执行了 sleep()、wait() 等方法时，线程将被阻塞。
  • 阻塞到可运行：当所等待的资源可用时，阻塞的线程会返回到可运行状态，等待再次获得 CPU 资源。
  • 运行到等待：线程在调用 wait()、join() 等方法时，进入等待状态。
  • 等待到可运行：当其他线程调用了相应的通知方法（如 notify() 或 notifyAll()）时，等待的线程会返回到可运行状态。
  • 超时等待到可运行：当指定的等待时间到达时，线程会自动返回到可运行状态。
  • 运行到终止：线程的 run() 方法执行完毕或抛出未捕获异常时，线程进入终止状态。

流转图如下：

在这里插入图片描述

9.线程状态的查询

可以使用 Thread.getState() 方法来查看线程的当前状态。

四 多线程带来的风险 - 线程安全

1. 线程安全的概念

  • 定义：在多线程环境中，确保多个线程对共享资源的访问是安全的，使得程序的行为是可预测的，且数据始终保持一致。
  • 重要性：
    • 防止数据不一致。
    • 保护共享资源，确保程序逻辑的正确执行。

2. 线程安全问题的来源

  • 数据竞争（Race Condition）：
    • 多个线程同时访问和修改共享变量。
    • 示例：两个线程同时递增同一个计数器，导致最终结果不正确。
  • 脏读（Dirty Read）：
    • 一个线程读取到尚未提交的值。
    • 结果：可能基于错误的数据进行操作，导致程序状态异常。
  • 死锁（Deadlock）：
    • 两个或多个线程互相等待对方释放锁，导致程序无法继续执行。
    • 示例：线程A持有资源1的锁并等待资源2的锁，而线程B则相反，形成循环等待。
  • 活锁（Livelock）：
    • 线程不断变更状态以避免死锁，但由于状态调整没有实际工作，导致系统无法进展。

3. 线程同步的必要性

为了避免上述问题，线程间必须进行有效的同步，确保同一时刻只有一个线程可以操作共享资源。

a. 使用 synchronized

  • 同步方法：

    • 在方法声明中使用 synchronized 关键字，确保同一时间只有一个线程能执行该方法。
    • 适合简单场景，易于使用。

  • 同步代码块：

    • 只锁住特定的代码段，适用于复杂的逻辑或对性能有较高要求的场景。

    • 语法示例：

      public void increment() {
    synchronized(this) {
        count++;
    }
}
b. 使用 Lock 接口
  • 特点：
    • 提供更灵活的锁机制，如可重入锁、尝试锁等。
    • 适合高并发场景，能够减少锁竞争。
  • 常用实现：ReentrantLock
    • 可重入性：同一线程可以多次获得同一个锁。
    • 尝试获取锁：tryLock() 方法允许线程在获取锁时不被阻塞。
c. 使用 ReadWriteLock
  • 定义：提供读锁和写锁，读锁允许多个线程同时读取，写锁独占。
  • 使用场景：适合读操作占多数的情况，例如缓存读取，能有效提高并发性能。
d. 使用 Semaphore
  • 定义：信号量用于控制同时访问特定资源的线程数量。
  • 应用：适合限流场景，比如限制数据库连接的最大数量。
e. 使用 CountDownLatch
  • 定义：CountDownLatch 是一个同步辅助类，用于让一个或多个线程等待直到一组操作完成。
  • 基本原理：
    • CountDownLatch 维护一个计数器，线程可以通过调用 countDown() 方法来减少计数，其他线程可以通过 await() 方法等待计数器归零。
  • 使用场景：
    • 适合于等待多个线程完成初始化或其他操作的场景。例如，在进行多线程并发处理时，主线程可以等待所有工作线程完成后再继续执行。
f. 使用 join 方法
  • 定义：join 方法用于让调用该方法的线程等待其他线程完成执行。
  • 基本用法：
    • 当一个线程调用另一个线程的 join() 方法时，调用线程会阻塞，直到被调用线程执行完成。
  • 使用场景：
    • 适合在需要确保某个线程完成任务后再执行后续逻辑的场合，例如在多个线程并行处理数据时，主线程需要等待所有子线程完成后再进行汇总或输出结果。

4. 线程通信的必要性

线程间有时需要交换信息或协调工作，这就是线程通信的必要性。

a. 使用 wait(), notify(), notifyAll()
  • wait()：
    • 使当前线程进入等待状态，直到被其他线程通知。
    • 示例：消费者在没有可用数据时进入等待。
  • notify()：
    • 唤醒一个正在等待的线程。
  • notifyAll()：
    • 唤醒所有等待的线程，适用于需要通知多个线程的场景。
b. 使用 Condition
  • 定义：提供更灵活的等待/通知机制，通常与 Lock 接口结合使用。
  • 优势：支持多个等待队列，增强了线程协调能力。

5. 线程安全的设计模式

a. 生产者-消费者模式
  • 原理：生产者生成数据，消费者消费数据，通过阻塞队列实现安全通信。
  • 实现：使用 BlockingQueue，生产者在队列满时等待，消费者在队列空时等待。
b. 单例模式（线程安全实现）

  • 实现方法：双重检查锁定（Double-Checked Locking），确保单例实例在多线程环境下只被创建一次。

  • 代码示例：

    public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

五. 线程池

1. 什么是线程池？

线程池是一种并发编程的设计模式，用于管理和复用多个线程。线程池会预先创建一定数量的线程，避免在高并发环境下频繁创建和销毁线程，从而减少资源消耗和提升性能。

2. 线程池的优势

  • 性能提升：线程的创建和销毁是昂贵的操作，线程池通过复用线程显著提高系统性能。
  • 资源控制：通过限制线程的数量，线程池可以有效防止资源耗尽。
  • 响应速度：线程池可以迅速响应新的任务请求，降低了任务的等待时间。
  • 灵活管理：线程池通过任务队列和多种任务处理策略，增强了任务的调度能力。

3. 线程池的核心组件

1. 核心线程数（corePoolSize）
  • 定义：线程池中始终保持的线程数量。
  • 作用：在任务提交时，如果当前线程数少于核心线程数，则会创建新线程执行任务。
2. 最大线程数（maximumPoolSize）
  • 定义：线程池中允许的最大线程数量。
  • 作用：限制线程池能创建的最大线程数量，防止系统资源过度消耗。
3. 空闲线程存活时间（keepAliveTime）
  • 定义：当线程数超过核心线程数时，多余的空闲线程在此时间内会被终止。
  • 作用：有助于释放资源，避免过多的空闲线程占用系统内存。
4. 时间单位（unit）
  • 定义：用于指定 keepAliveTime 的时间单位。
  • 常用单位：SECONDS, MILLISECONDS, MINUTES, HOURS, DAYS。
5. 任务队列（workQueue）
  • 定义：用于存放等待执行的任务的队列。
  • 常见队列类型：
    • ArrayBlockingQueue：有界队列，限制最大任务数，适合任务数量可预测的场景。
    • LinkedBlockingQueue：无界队列，适合任务数量不确定的情况，线程安全。
    • SynchronousQueue：不存储元素，每个插入操作都必须等待对应的删除操作，适合瞬时任务。
    • PriorityBlockingQueue：按照优先级处理任务，适合任务优先级差异较大的场景。
6. 拒绝策略（handler）
  • 定义：处理无法执行的任务的策略。
  • 常用策略：
    • AbortPolicy：抛出异常，任务无法执行。
    • CallerRunsPolicy：由调用线程处理任务，适合简单的任务重试。
    • DiscardPolicy：直接丢弃任务，不抛出异常。
    • DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最旧的任务，优先处理新任务。
* 运行流程
  • 首先按核心线程数创建线程任务
  • 核心线程数满了。任务进入工作队列
  • 队列也满了 扩大核心线程数
  • 当核心线程数达到最大线程数
  • 并且工作队列也满了 触发拒绝策略
  • 工作队列分有界和无界的

4. 创建线程池的方式

在Java中，java.util.concurrent包提供了多种方式来创建线程池，其中使用Executors工厂类是最常见的方法。

1. 使用 Executors 创建线程池

  • 固定线程池：适用于处理固定数量的并发任务。

    ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(5); // 固定5个线程

  • 可缓存线程池：适合处理大量短期任务，线程会根据需要动态创建和回收。

    ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool(); // 根据需求动态创建线程

  • 单线程池：适用于需要保证任务按顺序执行的场景。

    ExecutorService singleThreadPool = Executors.newSingleThreadExecutor(); // 仅有一个线程

  • 定时任务线程池：用于周期性或延迟执行的任务。

    ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5); // 固定线程数的定时任务池
2. 使用 ThreadPoolExecutor 自定义线程池

除了使用Executors，我们还可以通过ThreadPoolExecutor类来创建更灵活的线程池：

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
    2, // 核心线程数
    5, // 最大线程数
    60, // 空闲线程存活时间（秒）
    TimeUnit.SECONDS, // 时间单位
    new ArrayBlockingQueue<>(10), // 任务队列
    new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy() // 拒绝策略
);

5. 示例代码

以下是使用 ThreadPoolExecutor 创建一个线程池的示例代码：

import java.util.concurrent.*;

public class ThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); // 创建固定大小的线程池

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int taskId = i;
            executor.submit(() -> {
                System.out.println("正在执行任务：" + taskId + "，线程："+Thread.currentThread().getName());
                try {
                    Thread.sleep(200); // 模拟任务执行时间
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }

        executor.shutdown(); // 关闭线程池
    }
}

6. 适用场景

  • 固定大小线程池：适用于任务量稳定且可预测的场景，例如文件处理、图片上传等。
  • 可缓存线程池：适合处理大量短期任务，可以动态创建和回收线程，适合高并发场景。
  • 单线程池：适用于需要保证任务按顺序执行的场景，例如日志处理、任务调度等。
  • 定时任务线程池：适合定期执行的任务调度，例如定时备份、定时清理等。

7. 常见问题与注意事项

  • 合理配置参数：核心线程数、最大线程数和任务队列的选择应根据应用的实际需求进行合理配置，以避免资源耗尽或过度消耗。
  • 线程池的关闭：在使用完线程池后，确保调用 shutdown() 或 shutdownNow() 以释放资源，防止内存泄漏。
  • 监控线程池状态：定期检查线程池的状态（如活跃线程数、已完成任务数等）以确保系统运行正常，避免任务堆积。

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