308 day06_线程、同步

 

day06 【线程、同步】

主要内容

线程

同步

线程状态

教学目标

能够描述Java中多线程运行原理

能够使用继承类的方式创建多线程

能够使用实现接口的方式创建多线程

能够说出实现接口方式的好处

能够解释安全问题的出现的原因

能够使用同步代码块解决线程安全问题

能够使用同步方法解决线程安全问题

能够说出线程6个状态的名称

第一章 线程

1.1 多线程原理

昨天的时候我们已经写过一版多线程的代码，很多同学对原理不是很清楚，那么我们今天先画个多线程执行时序图

来体现一下多线程程序的执行流程。

代码如下：

自定义线程类：

  public class MyThread extends Thread{

/*    

 * 利用继承中的特点     

 *   将线程名称传递  进行设置    

 */    

public MyThread(String name){    

super(name);        

}    

/*    

 * 重写run方法    

 *  定义线程要执行的代码    

 */    

public void run(){           

for (int i = 0; i < 20; i++) {        

//getName()方法 来自父亲

 

测试类：

流程图：

//getName()方法 来自父亲            

System.out.println(getName()+i);            

}        

}    

}

public class Demo {

    public static void main(String[] args) {

       System.out.println("这里是main线程");  

     MyThread mt = new MyThread("小强");            

     mt.start();//开启了一个新的线程    

     for (int i = 0; i < 20; i++) {    

System.out.println("旺财:"+i);            

}        

}    

}  

程序启动运行 main时候，java虚拟机启动一个进程，主线程main在main()调用时候被创建。随着调用mt的对象的

start方法，另外一个新的线程也启动了，这样，整个应用就在多线程下运行。

通过这张图我们可以很清晰的看到多线程的执行流程，那么为什么可以完成并发执行呢？我们再来讲一讲原理。

多线程执行时，到底在内存中是如何运行的呢？以上个程序为例，进行图解说明：

多线程执行时，在栈内存中，其实每一个执行线程都有一片自己所属的栈内存空间。进行方法的压栈和弹栈。

当执行线程的任务结束了，线程自动在栈内存中释放了。但是当所有的执行线程都结束了，那么进程就结束了。

1.2 Thread 类

在上一天内容中我们已经可以完成最基本的线程开启，那么在我们完成操作过程中用到了 java.lang.Thread 类，

API中该类中定义了有关线程的一些方法，具体如下：

构造方法：

 

public Thread() :分配一个新的线程对象。

public Thread(String name) :分配一个指定名字的新的线程对象。

public Thread(Runnable target) :分配一个带有指定目标新的线程对象。

public Thread(Runnable target,String name) :分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。

常用方法：

public String getName() :获取当前线程名称。

public void start() :导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法。

public void run() :此线程要执行的任务在此处定义代码。

public static void sleep(long millis) :使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停（暂时停止执行）。

public static Thread currentThread() :返回对当前正在执行的线程对象的引用。

翻阅API后得知创建线程的方式总共有两种，一种是继承Thread类方式，一种是实现Runnable接口方式，方式一我

们上一天已经完成，接下来讲解方式二实现的方式。

1.3 创建线程方式二

采用 java.lang.Runnable 也是非常常见的一种，我们只需要重写run方法即可。

步骤如下：

1. 定义Runnable接口的实现类，并重写该接口的run()方法，该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。

2. 创建Runnable实现类的实例，并以此实例作为Thread的target来创建Thread对象，该Thread对象才是真正

的线程对象。

3. 调用线程对象的start()方法来启动线程。

代码如下：

public class MyRunnable implements Runnable{

@Override    

public void run() {    

for (int i = 0; i < 20; i++) {        

System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);            

}        

}    

}

public class Demo {

    public static void main(String[] args) {

        //创建自定义类对象  线程任务对象

        MyRunnable mr = new MyRunnable();

        //创建线程对象

        Thread t = new Thread(mr, "小强");

        t.start();

        for (int i = 0; i < 20; i++) {

            System.out.println("旺财 " + i);

        }

    }

}

 

通过实现 Runnable接口，使得该类有了多线程类的特征。run()方法是多线程程序的一个执行目标。所有的多线程

代码都在run方法里面。Thread类实际上也是实现了Runnable接口的类。

在启动的多线程的时候，需要先通过Thread类的构造方法Thread(Runnable target) 构造出对象，然后调用Thread

对象的start()方法来运行多线程代码。

实际上所有的多线程代码都是通过运行Thread的start()方法来运行的。因此，不管是继承Thread类还是实现

Runnable接口来实现多线程，最终还是通过Thread的对象的API来控制线程的，熟悉Thread类的API是进行多线程

编程的基础。

tips:Runnable对象仅仅作为Thread对象的target，Runnable实现类里包含的run()方法仅作为线程执行体。

而实际的线程对象依然是Thread实例，只是该Thread线程负责执行其target的run()方法。

1.4 Thread 和Runnable的区别

如果一个类继承Thread，则不适合资源共享。但是如果实现了Runable接口的话，则很容易的实现资源共享。

总结：

实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势：

1. 适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。

2. 可以避免java中的单继承的局限性。

3. 增加程序的健壮性，实现解耦操作，代码可以被多个线程共享，代码和线程独立。

4. 线程池只能放入实现Runable或Callable类线程，不能直接放入继承Thread的类。

扩充：在java中，每次程序运行至少启动2个线程。一个是main线程，一个是垃圾收集线程。因为每当使用

java命令执行一个类的时候，实际上都会启动一个JVM，每一个JVM其实在就是在操作系统中启动了一个进

程。

1.5 匿名内部类方式实现线程的创建

使用线程的内匿名内部类方式，可以方便的实现每个线程执行不同的线程任务操作。

使用匿名内部类的方式实现Runnable接口，重新Runnable接口中的run方法：

  public class NoNameInnerClassThread {

   public static void main(String[] args) {           

// new Runnable(){      

// public void run(){          

// for (int i = 0; i < 20; i++) {              

// System.out.println("张宇:"+i);                  

// }              

// }            

//    }; //‐‐‐这个整体  相当于new MyRunnable()   

        Runnable r = new Runnable(){

            public void run(){

                for (int i = 0; i < 20; i++) {

                   System.out.println("张宇:"+i);  

                }

            } 

        };

        new Thread(r).start();

 

第二章 线程安全

2.1 线程安全

如果有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样

的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

我们通过一个案例，演示线程的安全问题：

电影院要卖票，我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “葫芦娃大战奥特曼”，本次电影的座位共100个

(本场电影只能卖100张票)。

我们来模拟电影院的售票窗口，实现多个窗口同时卖 “葫芦娃大战奥特曼”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)

需要窗口，采用线程对象来模拟；需要票，Runnable接口子类来模拟

模拟票：

        for (int i = 0; i < 20; i++) {

           System.out.println("费玉清:"+i);  

        }

   }

}

public class Ticket implements Runnable {

    private int ticket = 100;

    /*

     * 执行卖票操作

     */

    @Override

    public void run() {

        //每个窗口卖票的操作

        //窗口 永远开启

        while (true) {

            if (ticket > 0) {//有票 可以卖

                //出票操作

                //使用sleep模拟一下出票时间

                try {

                    Thread.sleep(100);

                } catch (InterruptedException e) {

                    // TODO Auto‐generated catch block

                    e.printStackTrace();

                }

                //获取当前线程对象的名字

                String name = Thread.currentThread().getName();

                System.out.println(name + "正在卖:" + ticket‐‐);

            }

        }

    }

}

测试类：

结果中有一部分这样现象：

发现程序出现了两个问题：

1. 相同的票数,比如5这张票被卖了两回。

2. 不存在的票，比如0票与-1票，是不存在的。

这种问题，几个窗口(线程)票数不同步了，这种问题称为线程不安全。

线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写

操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，

否则的话就可能影响线程安全。

2.2 线程同步

当我们使用多个线程访问同一资源的时候，且多个线程中对资源有写的操作，就容易出现线程安全问题。

要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题，Java中提供了同步机制

(synchronized)来解决。

根据案例简述：

为了保证每个线程都能正常执行原子操作,Java引入了线程同步机制。

那么怎么去使用呢？有三种方式完成同步操作：

public class Demo {

public static void main(String[] args) {    

//创建线程任务对象        

Ticket ticket = new Ticket();        

//创建三个窗口对象        

Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");        

Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");        

Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");        

       

//同时卖票        

t1.start();        

t2.start();        

t3.start();        

}    

}

窗口1线程进入操作的时候，窗口2和窗口3线程只能在外等着，窗口1操作结束，窗口1和窗口2和窗口3才有机会进入代码

去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候，其他线程不能修改该资源，等待修改完毕同步之后，才能去抢夺CPU

资源，完成对应的操作，保证了数据的同步性，解决了线程不安全的现象。

 

1 . 同步代码块。

2. 同步方法。

3. 锁机制。

2.3 同步代码块

同步代码块 ： synchronized 关键字可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。

格式:

同步锁:

对象的同步锁只是一个概念,可以想象为在对象上标记了一个锁.

1. 锁对象 可以是任意类型。

2. 多个线程对象 要使用同一把锁。

注意:在任何时候,最多允许一个线程拥有同步锁,谁拿到锁就进入代码块,其他的线程只能在外等着

(BLOCKED)。

使用同步代码块解决代码：

synchronized(同步锁){

     需要同步操作的代码

}

public class Ticket implements Runnable{

private int ticket = 100;    

   

Object lock = new Object();    

/*    

 * 执行卖票操作    

 */    

@Override    

public void run() {    

//每个窗口卖票的操作         

//窗口 永远开启         

while(true){        

synchronized (lock) {            

if(ticket>0){//有票 可以卖                

//出票操作                    

//使用sleep模拟一下出票时间                     

try {                    

Thread.sleep(50);                        

} catch (InterruptedException e) {                    

// TODO Auto‐generated catch block                        

e.printStackTrace();                        

}                    

//获取当前线程对象的名字                     

String name = Thread.currentThread().getName();                    

System.out.println(name+"正在卖:"+ticket‐‐);                    

}                

}            

}

 

当使用了同步代码块后，上述的线程的安全问题，解决了。

2.4 同步方法

同步方法 :使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外

等着。

格式：

同步锁是谁?

对于非static方法,同步锁就是this。

对于static方法,我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。

使用同步方法代码如下：

}        

}    

}

public synchronized void method(){

   可能会产生线程安全问题的代码

}

public class Ticket implements Runnable{

private int ticket = 100;    

/*    

 * 执行卖票操作    

 */    

@Override    

public void run() {    

//每个窗口卖票的操作         

//窗口 永远开启         

while(true){        

sellTicket();            

}        

}    

   

/*    

 * 锁对象 是 谁调用这个方法 就是谁     

 *   隐含 锁对象 就是  this    

 *        

 */    

public synchronized void sellTicket(){    

        if(ticket>0){//有票 可以卖  

            //出票操作

            //使用sleep模拟一下出票时间

            try {

               Thread.sleep(100);  

            } catch (InterruptedException e) {

               // TODO Auto‐generated catch block  

               e.printStackTrace();  

 

2.5 Lock 锁

java.util.concurrent.locks.Lock 机制提供了比synchronized代码块和synchronized方法更广泛的锁定操作,

同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有,除此之外更强大,更体现面向对象。

Lock锁也称同步锁，加锁与释放锁方法化了，如下：

public void lock() :加同步锁。

public void unlock() :释放同步锁。

使用如下：

第三章 线程状态

            }

            //获取当前线程对象的名字

            String name = Thread.currentThread().getName();

            System.out.println(name+"正在卖:"+ticket‐‐);

        }

}    

}

public class Ticket implements Runnable{

private int ticket = 100;    

   

Lock lock = new ReentrantLock();    

/*    

 * 执行卖票操作    

 */    

@Override    

public void run() {    

//每个窗口卖票的操作         

//窗口 永远开启         

while(true){        

lock.lock();            

if(ticket>0){//有票 可以卖            

//出票操作                 

//使用sleep模拟一下出票时间                 

try {                

Thread.sleep(50);                    

} catch (InterruptedException e) {                

// TODO Auto‐generated catch block                    

e.printStackTrace();                    

}                

//获取当前线程对象的名字                 

String name = Thread.currentThread().getName();                

System.out.println(name+"正在卖:"+ticket‐‐);                

}            

lock.unlock();            

}        

}    

}

 

线程状态 导致状态发生条件

NEW(新建) 线程刚被创建，但是并未启动。还没调用start方法。

Runnable(可

运行)

线程可以在java虚拟机中运行的状态，可能正在运行自己代码，也可能没有，这取决于操

作系统处理器。

Blocked(锁阻

塞)

当一个线程试图获取一个对象锁，而该对象锁被其他的线程持有，则该线程进入Blocked状

态；当该线程持有锁时，该线程将变成Runnable状态。

Waiting(无限

等待)

一个线程在等待另一个线程执行一个（唤醒）动作时，该线程进入Waiting状态。进入这个

状态后是不能自动唤醒的，必须等待另一个线程调用notify或者notifyAll方法才能够唤醒。

Timed

Waiting(计时

等待)

同waiting状态，有几个方法有超时参数，调用他们将进入Timed Waiting状态。这一状态

将一直保持到超时期满或者接收到唤醒通知。带有超时参数的常用方法有Thread.sleep 、

Object.wait。

Teminated(被

终止)

因为run方法正常退出而死亡，或者因为没有捕获的异常终止了run方法而死亡。

3.1 线程状态概述

当线程被创建并启动以后，它既不是一启动就进入了执行状态，也不是一直处于执行状态。在线程的生命周期中，

有几种状态呢？在API中 java.lang.Thread.State 这个枚举中给出了六种线程状态：

这里先列出各个线程状态发生的条件，下面将会对每种状态进行详细解析

我们不需要去研究这几种状态的实现原理，我们只需知道在做线程操作中存在这样的状态。那我们怎么去理解这几

个状态呢，新建与被终止还是很容易理解的，我们就研究一下线程从Runnable（可运行）状态与非运行状态之间

的转换问题。

3.2 Timed Waiting （计时等待）

Timed Waiting在API中的描述为：一个正在限时等待另一个线程执行一个（唤醒）动作的线程处于这一状态。单独

的去理解这句话，真是玄之又玄，其实我们在之前的操作中已经接触过这个状态了，在哪里呢？

在我们写卖票的案例中，为了减少线程执行太快，现象不明显等问题，我们在run方法中添加了sleep语句，这样就

强制当前正在执行的线程休眠（暂停执行），以“减慢线程”。

其实当我们调用了sleep方法之后，当前执行的线程就进入到“休眠状态”，其实就是所谓的Timed Waiting(计时等

待)，那么我们通过一个案例加深对该状态的一个理解。

实现一个计数器，计数到100，在每个数字之间暂停1秒，每隔10个数字输出一个字符串

代码：

  public class MyThread extends Thread {

    public void run() {

        for (int i = 0; i < 100; i++) {

            if ((i) % 10 == 0) {

                System.out.println("‐‐‐‐‐‐‐" + i);

 

通过案例可以发现， sleep方法的使用还是很简单的。我们需要记住下面几点：

1. 进入 TIMED_WAITING 状态的一种常见情形是调用的 sleep 方法，单独的线程也可以调用，不一定非要有协

作关系。

2. 为了让其他线程有机会执行，可以将Thread.sleep()的调用放线程run()之内。这样才能保证该线程执行过程

中会睡眠

3. sleep与锁无关，线程睡眠到期自动苏醒，并返回到Runnable（可运行）状态。

小提示：sleep()中指定的时间是线程不会运行的最短时间。因此，sleep()方法不能保证该线程睡眠到期后就

开始立刻执行。

Timed Waiting 线程状态图：

3.3 BLOCKED （锁阻塞）

            }

            System.out.print(i);

            try {

                Thread.sleep(1000);

               System.out.print("    线程睡眠1秒！\n");  

            } catch (InterruptedException e) {

                e.printStackTrace();

            }

        }

    }

    public static void main(String[] args) {

        new MyThread().start();

    }

}

 

Blocked 状态在API中的介绍为：一个正在阻塞等待一个监视器锁（锁对象）的线程处于这一状态。

我们已经学完同步机制，那么这个状态是非常好理解的了。比如，线程A与线程B代码中使用同一锁，如果线程A获

取到锁，线程A进入到Runnable状态，那么线程B就进入到Blocked锁阻塞状态。

这是由Runnable状态进入Blocked状态。除此Waiting以及Time Waiting状态也会在某种情况下进入阻塞状态，而

这部分内容作为扩充知识点带领大家了解一下。

Blocked 线程状态图

3.4 Waiting （无限等待）

Wating状态在API中介绍为：一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的（唤醒）动作的线程处于这一状态。

那么我们之前遇到过这种状态吗？答案是并没有，但并不妨碍我们进行一个简单深入的了解。我们通过一段代码来

学习一下：

  public class WaitingTest {

    public static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) {

        // 演示waiting

        new Thread(new Runnable() {

            @Override

            public void run() {

                while (true){

                    synchronized (obj){

                        try {

                            System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"=== 获取到锁对

 

通过上述案例我们会发现，一个调用了某个对象的 Object.wait 方法的线程会等待另一个线程调用此对象的

Object.notify()方法 或 Object.notifyAll()方法。

其实waiting状态并不是一个线程的操作，它体现的是多个线程间的通信，可以理解为多个线程之间的协作关系，

多个线程会争取锁，同时相互之间又存在协作关系。就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在晋升时的竞

争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。

当多个线程协作时，比如A，B线程，如果A线程在Runnable（可运行）状态中调用了wait()方法那么A线程就进入

了Waiting（无限等待）状态，同时失去了同步锁。假如这个时候B线程获取到了同步锁，在运行状态中调用了

notify()方法，那么就会将无限等待的A线程唤醒。注意是唤醒，如果获取到锁对象，那么A线程唤醒后就进入

Runnable（可运行）状态；如果没有获取锁对象，那么就进入到Blocked（锁阻塞状态）。

Waiting 线程状态图

象，调用wait方法，进入waiting状态，释放锁对象");

                            obj.wait();  //无限等待

                            //obj.wait(5000); //计时等待, 5秒 时间到，自动醒来

                        } catch (InterruptedException e) {

                            e.printStackTrace();

                        }

                        System.out.println( Thread.currentThread().getName() + "=== 从waiting状

态醒来，获取到锁对象，继续执行了");

                    }

                }

            }

        },"等待线程").start();

        new Thread(new Runnable() {

            @Override

            public void run() {

//                while (true){   //每隔3秒 唤醒一次

                    try {

                        System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"‐‐‐‐‐ 等待3秒钟");

                        Thread.sleep(3000);

                    } catch (InterruptedException e) {

                        e.printStackTrace();

                    }

                    synchronized (obj){

                        System.out.println( Thread.currentThread().getName() +"‐‐‐‐‐ 获取到锁对

象,调用notify方法，释放锁对象");

                        obj.notify();

                    }

                }

//            }

        },"唤醒线程").start();

    }

}

 

3.5 补充知识点

到此为止我们已经对线程状态有了基本的认识，想要有更多的了解，详情可以见下图：

 

一条有意思的tips:

我们在翻阅API的时候会发现Timed Waiting（计时等待） 与 Waiting（无限等待） 状态联系还是很紧密的，

比如Waiting（无限等待） 状态中wait方法是空参的，而timed waiting（计时等待） 中wait方法是带参的。

这种带参的方法，其实是一种倒计时操作，相当于我们生活中的小闹钟，我们设定好时间，到时通知，可是

如果提前得到（唤醒）通知，那么设定好时间在通知也就显得多此一举了，那么这种设计方案其实是一举两

得。如果没有得到（唤醒）通知，那么线程就处于Timed Waiting状态,直到倒计时完毕自动醒来；如果在倒

计时期间得到（唤醒）通知，那么线程从Timed Waiting状态立刻唤醒。