Java编程思想学习(十六) 并发编程

线程是进程中一个任务控制流序列，由于进程的创建和销毁需要销毁大量的资源，而多个线程之间可以共享进程数据，因此多线程是并发编程的基础。

多核心CPU可以真正实现多个任务并行执行，单核心CPU程序其实不是真正的并行运行，而是通过时间片切换来执行，由于时间片切换频繁，使用者感觉程序是在并行运行。单核心CPU中通过时间片切换执行多线程任务时，虽然需要保存线程上下文，但是由于不会被阻塞的线程所阻塞，因此相比单任务还是大大提高了程序运行效率。

1.线程的状态和切换：

线程的7种状态及其切换图如下：

2.多线程简单线程例子：

Java中实现多线程常用两种方法是：实现Runnable接口和继承Thread类。

(1).继承Thread类的多线程例子如下：

 class PrimeThread extends Thread {
          long minPrime;
          PrimeThread(long minPrime) {
              this.minPrime = minPrime;
          }
         //重写Thread类的run方法
          public void run() {
               . . .
          }
      } 

启动继承Thread类线程的方法：

 PrimeThread p = new PrimeThread(143);
 p.start(); 

(2).实现Runnable接口的多线程例子如下：

 class PrimeRun implements Runnable {
 long minPrime;
 PrimeRun(long minPrime) {
 this.minPrime = minPrime;
 }
 public void run() {
 . . .
 }
 }

启动实现Runnable接口线程的方法：

 PrimeThread p = new Thread(new PrimeThread(143));
 p.start();  

由于java的单继承特性和面向接口编程的原则，建议使用实现Runnable接口的方式实现java的多线程。

3.使用Executors线程池：

在JDK5中，在java.util.concurrent包中引入了Executors线程池，使得创建多线程更加方便高效，例子如下：

 import java.util.concurrent.*;  

 public class CachedThreadPool{
     public static void main(String[] args){
         //创建一个缓冲线程池服务
         ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
         for(int i=0; i<5; i++){
             //线程池服务启动线程
     exec.execute(
     new Runnable(){
         //使用匿名内部类实现的java线程
     public void run(){
         System.out.println(“Thread ” + i + “ is running”);
 }
 }
 );
         //线程池服务停止
         exec.shoutdown();
 }
 }
 } 

Executors.newCachedThreadPool()方法创建缓冲线程池，即在程序运行时创建尽可能多需要的线程，之后停止创建新的线程，转而通过循环利用已经创建的线程。Executors.newFixedThreadPool(intsize)方法创建固定数目的线程池，即程序会创建指定数量的线程。缓冲线程池效率和性能高，推荐优先考虑使用。

Executors.newSingleThreadPool()创建单线程池，即固定数目为1的线程池，一般用于长时间存活的单任务，例如网络socket连接等，如果有多一个任务需要执行，则会放进队列中顺序执行。

4.获取线程的返回值：

实现Runnable接口的线程没有返回值，如果想获取线程的返回值，需要实现Callable接口，Callable是JDK5中引入的现实线程的接口，其call()方法代替Runnable接口的run方法，可以获取线程的返回值，例子如下：

 import java.util.concurrent.*;
 import java.util.*;  

 class TaskWithResult implements Callable<String>{
     private int id;
     public TaskWithResult(int id){
         this.id = id;
 }
 public String call(){
     return “result of TaskWithResult ” + id;
 }
 public static void main(String[] args){
     ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
     List<Future<String>> results = new ArrayList<Future<String>>();
     for(int i=0; i<5; i++){
         //将线程返回值添加到List中
         results.add(exec.submit(new TaskWithResult(i)));
 }
 //遍历获取线程返回值
 for(Future<String> fs : results){
         try{
     System.out.println(fs.get());
 }catch(Exception e){
     System.out.println(e);
 }finally{
     exec.shutdown();
 }
 }
 }
 } 

输出结果(可能的结果，由于多线程执行顺序不确定，结果不固定)：

result of TaskWithResult 0

result of TaskWithResult 1

result of TaskWithResult 3

result of TaskWithResult 4

result of TaskWithResult 5

注解：使用线程池服务的submit()方法执行线程池时，会产生Future<T>对象，其参数类型是线程Callable的call()方法返回值的类型，使用Future对象的get()方法可以获取线程返回值。

5.线程休眠：

在jdk5之前，使用Thread.sleep(1000)方法可以使线程休眠1秒钟，在jdk之后，使用下面的方法使线程休眠：

TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

线程休眠的方法是TimeUnit枚举类型中的方法。

注意：不论是Thread.sleep还是TimeUnit的sleep线程休眠方法，都要捕获InterruptedExecutors。

6.线程优先级：

线程的优先级是指线程被线程调度器调度执行的优先级顺序，优先级越高表示获取CPU允许时间的概率越大，但是并不是绝对的，因为线程调度器调度线程是不可控制的，只是一个可能性的问题。可以通过Thread线程对象的getPriority()方法获取线程的优先级，可以通过线程对象的setPriority()方法设置线程的优先级。

Java的线程优先级总共有10级，最低优先级为1，最高为10，Windows的线程优先级总共有7级并且不固定，而Sun的Soloaris操作系统有23级，因此java的线程优先级无法很好地和操作系统线程优先级映射，所有一般只使用MAX_PRIORITY(10),NORM_PRIORITY(5)和MIN_PRIORITY(1)这三个线程优先级。

7.守护线程：

守护线程(DaemonThread)是某些提供通用服务的在后台运行的程序，是优先级最低的线程。当所有的非守护线程执行结束后，程序会结束所有的守护线程而终止运行。如果当前还有非守护线程的线程在运行，则程序不会终止，而是等待其执行完成。守护进程的例子如下：

 import java.util.concurrent.*;  

 public class SimpleDaemons implements Runnable{
     public void run{
         try{
 System.out.println(“Start daemons”);
 TimeUtil.SECONDS.sleep(1);
 }catch(Exception e){
 System.out.println(“sleep() interrupted”);
 }finally{
     System.out.println(“Finally is running”);  

 }
 }
 public static void main(String[] args) throws Exception{
 Thread daemon = new Thread(new SimpleDaemons());
     daemon.setDaemon(true);
     daemon.start();
 }
 }

输出结果：

Start daemons

Finally没有执行，如果注释掉daemon.setDaemon(true)设置守护进程这一句代码。

输出结果：

Start daemons

Finally is running

之所以产生这样的结果原因是，main()是这个程序中唯一的非守护线程，当没有非守护线程在运行时，JVM强制推出终止守护线程的运行。

通过Thread对象的setDaemon方法可以设置线程是否为守护线程，通过isDaemon方法可以判断线程对象是否为守护线程。

由守护线程创建的线程对象不论有没有通过setDaemon方法显式设置，都是守护线程。

8.synchronized线程同步：

编程中的共享资源问题会引起多线程的竞争，为了确保同一时刻只有一个线程独占共享资源，需要使用线程同步机制，即使用前对共享资源加锁，使用完毕之后释放锁。

Java中通过synchronized关键字实现多线程的同步，线程同步可以分为以下几种：

(1).对象方法同步：

 public synchronized void methodA(){
         System.out.println(this);
     }  

每个对象有一个线程同步锁与之关联，同一个对象的不同线程在同一时刻只能有一个线程调用methodA方法。

(2).类所有对象方法同步：

 public synchronized static void methodB(){
         System.out.println(this);
     }   

静态方法的线程同步锁对类的所有对象都起作用，即所有对象的线程在同一时刻只能有一个类的一个线程调用该方法。

(3).对象同步代码块：

 public void methodC(){
         synchronized(this){
             System.out.println(this);
         }
     } 

使用当前对象作为线程同步锁，同一个对象的不同线程在同一时刻只能有一个线程调用methodC方法中的代码块。

(4).类同步代码块：

 public void methodD(){
         synchronized(className.class){
             System.out.println(this);
         }
     } 

使用类字节码对象作为线程同步锁，类所有对象的所有线程在同一时刻只能有一个类的一个线程调用methodD的同步代码块。

注意：线程的同步是针对对象的，不论是同步方法还是同步代码块，都锁定的是对象，而非方法或代码块本身。每个对象只能有一个线程同步锁与之关联。

如果一个对象有多个线程同步方法，只要一个线程访问了其中的一个线程同步方法，其它线程就不能同时访问这个对象中任何一个线程同步方法。

9.线程锁：

JDK5之后，在java.util.concurrent.locks包中引入了线程锁机制，编程中可以显式锁定确保线程间同步，例子如下：

 import java.util.concurrent.*;
 import java.util.concurrent.locks.*;  

 public class Locking{
     //创建锁
     private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
     public void untimed(){
         boolean captured = lock.tryLock();
         try{
     System.out.println(“tryLock(): ” + captured);
 }finally{
     if(captured){
     lock.unlock();
 }
 }
 }
 public void timed(){
     boolean captured = false;
     try{
         //对象锁定两秒钟
     captured = lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS);
 }catch(InterruptedException e){
     Throw new RuntimeException(e);
 }try{
     System.out.println(“tryLock(2, TimeUnit.SECONDS): ” + captured);
 }finally{
     if(captured){
     lock.unlock();
 }
 }
 }
 public static void main(String[] args){
     //主线程
     final Locking al = new Locking();
     al.untimed();
     al.timed();
     //创建新线程
     new Thread(){
     {//动态代码块，对象创建时执行
 setDaemon(true);//当前线程设置为守护线程
             }
             public void run(){
                 //获取al对象的线程锁并锁定al对象
                 al.lock.lock();
         System.out.println(“acquired”);
 }
 }.start();
 //主线程让出CPU
 Thread.yield();
 al.untimed();
     al.timed();
 }
 }  

输出结果：

tryLock(): true

tryLock(2, TimeUnit.SECONDS): true

acquired

tryLock(): false

tryLock(2, TimeUnit.SECONDS): false

由于创建的守护线程锁定对象之后没有释放锁，所有主线程再也无法获取对象锁。

ReentrantLock可以通过lock()锁定对象，也可通过tryLock()方法来锁定对象，对于显式使用线程锁的方法体或代码块必须放在try-catch-finally块中，必须在finally中释放对象锁。

ReentrantLock和Synchronized功能是类似的，区别在于：

(1). Synchronized代码简单，只需要一行代码即可，不用try-catch-finally捕获异常，同时不用显式释放对象锁。

(2).ReentrantLock可以控制锁的锁定和释放状态，也可以指定锁定时间等。

10.volatile传播性：

volatile关键字确保变量的跨程序可见性，使用volatile声明的字段，只要发生了写改动，所有读取该字段的值都会跟着改变，即使使用了本地缓存仍然会被改变。

volatile字段会立即写入主内存中，所有的读取值都是从主内存中读取。

volatile关键字告诉编译器移除线程中的读写缓存，直接从内存中读写。volatile适用的情况：

字段被多个任务同时访问，至少有一个任务是写操作。

volatile字段的读写操作实现了线程同步。