Java 多線程編程核心技術有哪些

一、進程與線程的概念

（1）在傳統的操作系統中，程序并不能獨立運行，作為資源分配和獨立運行的基本單位都是進程。

在未配置 OS 的系統中，程序的執行方式是順序執行，即必須在一個程序執行完后，才允許另一個程序執行；在多道程序環境下，則允許多個程序并發執行。

程序的這兩種執行方式間有著顯著的不同。也正是程序并發執行時的這種特征，才導致了在操作系統中引入進程的概念。

自從在 20 世紀 60 年代人們提出了進程的概念后，在 OS 中一直都是以進程作為能擁有資源和獨立運行的基本單位的。

直到 20 世紀 80 年代中期，人們又提出了比進程更小的能獨立運行的基本單位——線程(Threads)，試圖用它來提高系統內程序并發執行的程度，從而可進一步提高系統的吞吐量。

特別是在進入 20 世紀 90 年代后，多處理機系統得到迅速發展，線程能比進程更好地提高程序的并行執行程度，充分地發揮多處理機的優越性，因而在近幾年所推出的多處理機 OS 中也都引入了線程，以改善 OS 的性能。

—–以上摘自《計算機操作系統-湯小丹等編著-3 版》

（2）下圖是來自某知乎用戶的解釋：

通過上述的大致了解，基本知道線程和進程是干什么的了，那么我們下邊給進程和線程總結一下概念：

（3）進程（Process）是計算機中的程序關于某數據集合上的一次運行活動，是系統進行資源分配和調度的基本單位，是操作系統結構的基礎。

在早期面向進程設計的計算機結構中，進程是程序的基本執行實體；

在當代面向線程設計的計算機結構中，進程是線程的容器。程序是指令、數據及其組織形式的描述，進程是程序的實體。

（4）線程，有時被稱為輕量級進程(Lightweight Process，LWP），是程序執行流的最小單元。線程是程序中一個單一的順序控制流程。

進程內一個相對獨立的、可調度的執行單元，是系***立調度和分派 CPU 的基本單位指運行中的程序的調度單位。

在單個程序中同時運行多個線程完成不同的工作，稱為多線程。

（5）進程和線程的關系：

（6）線程和進程各自有什么區別和優劣

進程是資源分配的最小單位，線程是程序執行的最小單位。

進程有自己的獨立地址空間，每啟動一個進程，系統就會為它分配地址空間，建立數據表來維護代碼段、堆棧段和數據段，這種操作非常昂貴。

而線程是共享進程中的數據的，使用相同的地址空間，因此 CPU 切換一個線程的花費遠比進程要小很多，同時創建一個線程的開銷也比進程要小很多，線程的上下文切換的性能消耗要小于進程。

線程之間的通信更方便，同一進程下的線程共享全局變量、靜態變量等數據，而進程之間的通信需要以通信的方式（IPC)進行。

不過如何處理好同步與互斥是編寫多線程程序的難點。

但是多進程程序更健壯，多線程程序只要有一個線程死掉，整個進程也死掉了，而一個進程死掉并不會對另外一個進程造成影響，因為進程有自己獨立的地址空間。

二、同步與異步

對于一次方法的調用來說，同步方法調用一旦開始，就必須等待該方法的調用返回，后續的方法才可以繼續執行；

異步的話，方法調用一旦開始，就可以立即返回，調用者可以執行后續的方法，這里的異步方法通常會在另一個線程里真實的執行，而不會妨礙當前線程的執行。

三、并行與并發

并發和并行是兩個相對容易比較混淆的概念。他都可以表示在同一時間范圍內有兩個或多個任務同時在執行，但其在任務調度的時候還是有區別的，首先看下圖：

并發任務執行過程：

并行任務執行過程：

從上圖中可以看到，兩個任務在執行的時候，并發是沒有時間上的重疊的，兩個任務是交替執行的，由于切換的非?？欤瑢τ谕饨缯{用者來說相當于同一時刻多個任務一起執行了；

而并行可以看到時間上是由重疊的，也就是說并行才是真正意義上的同一時刻可以有多個任務同時執行。

四、Java實現多線程方式

（1）繼承Thread，重寫run（）方法

public?class?MyThread?extends?Thread?{ ????????@Override ????????public?void?run()?{ ????????????while?(true)?{ ????????????????System.out.println(this.currentThread().getName()); ????????????} ????????} ????????public?static?void?main(String[]?args)?{ ????????????MyThread?thread?=?new?MyThread(); ????????????thread.start();?//線程啟動的正確方式 ????????} ????}

輸出結果：

Thread-0 ????Thread-0 ????Thread-0 ????...

另外，要明白啟動線程的是 start（）方法而不是run（）方法，如果用run（）方法，那么他就是一個普通的方法執行了。

（2）實現 Runable 接口

public?class?MyRunnable?implements?Runnable?{ ????????@Override ????????public?void?run()?{ ????????????System.out.println("123"); ????????} ????????public?static?void?main(String[]?args)?{ ????????????MyRunnable?myRunnable?=?new?MyRunnable(); ????????????Thread?thread?=?new?Thread(myRunnable,?"t1"); ????????????thread.start(); ????????} ????}

這里Thread和Runnable的關系是這樣的：

Thread類本身實現了Runnable接口，并且持有run方法，但Thread類的run方法主體是空的，Thread類的run方法通常是由子類的run方法重寫。

五、線程安全

線程安全概念：當多個線程訪問某一個類（對象或方法）時，這個類始終能表現出正確的行為，那么這個類（對象或方法）就是線程安全的。

線程安全就是多線程訪問時，采用了加鎖機制，當一個線程訪問該類的某個數據時，進行保護，其他線程不能進行訪問，直到該線程讀取完，釋放了鎖，其他線程才可使用。

這樣的話就不會出現數據不一致或者數據被污染的情況。 線程不安全就是不提供數據訪問保護，有可能出現多個線程先后更改數據以至于所得到的數據是臟數據。這里的加鎖機制常見的如：synchronized

六、synchronized修飾符

（1）synchronized：可以在任意對象及方法上加鎖，而加鎖的這段代碼稱為互斥區或臨界區。

（2）不使用synchronized實例（代碼A）：

public?class?MyThread?extends?Thread?{ ????????private?int?count?=?5; ????????@Override ????????public?void?run()?{ ????????????count--; ????????????System.out.println(this.currentThread().getName()?+?"?count:"?+?count); ????????} ????????public?static?void?main(String[]?args)?{ ????????????MyThread?myThread?=?new?MyThread(); ????????????Thread?thread1?=?new?Thread(myThread,?"thread1"); ????????????Thread?thread2?=?new?Thread(myThread,?"thread2"); ????????????Thread?thread3?=?new?Thread(myThread,?"thread3"); ????????????Thread?thread4?=?new?Thread(myThread,?"thread4"); ????????????Thread?thread5?=?new?Thread(myThread,?"thread5"); ????????????thread1.start(); ????????????thread2.start(); ????????????thread3.start(); ????????????thread4.start(); ????????????thread5.start(); ????????} ????}

輸出的一種結果如下：

thread3?count:2 ????thread4?count:1 ????thread1?count:2 ????thread2?count:3 ????thread5?count:0

可以看到，上述的結果是不正確的，這是因為，多個線程同時操作run（）方法，對count進行修改，進而造成錯誤。

（3）使用synchronized實例（代碼B）：

public?class?MyThread?extends?Thread?{ ????????private?int?count?=?5; ????????@Override ????????public?synchronized?void?run()?{ ????????????count--; ????????????System.out.println(this.currentThread().getName()?+?"?count:"?+?count); ????????} ????????public?static?void?main(String[]?args)?{ ????????????MyThread?myThread?=?new?MyThread(); ????????????Thread?thread1?=?new?Thread(myThread,?"thread1"); ????????????Thread?thread2?=?new?Thread(myThread,?"thread2"); ????????????Thread?thread3?=?new?Thread(myThread,?"thread3"); ????????????Thread?thread4?=?new?Thread(myThread,?"thread4"); ????????????Thread?thread5?=?new?Thread(myThread,?"thread5"); ????????????thread1.start(); ????????????thread2.start(); ????????????thread3.start(); ????????????thread4.start(); ????????????thread5.start(); ????????} ????}

輸出結果：

thread1?count:4 ????thread2?count:3 ????thread3?count:2 ????thread5?count:1 ????thread4?count:0

可以看出代碼A和代碼B的區別就是在run（）方法上加上了synchronized修飾。

說明如下：

當多個線程訪問 MyThread 的 run 方法的時候，如果使用了synchronized修飾，那個多線程就會以排隊的方式進行處理（這里排隊是按照 CPU 分配的先后順序而定的）。

一個線程想要執行 synchronized 修飾的方法里的代碼，首先是嘗試獲得鎖，如果拿到鎖，執行 synchronized 代碼體的內容。

如果拿不到鎖的話，這個線程就會不斷的嘗試獲得這把鎖，直到拿到為止，而且多個線程同時去競爭這把鎖，也就是會出現鎖競爭的問題。

七、一個對象有一把鎖！多個線程多個鎖！

何為，一個對象一把鎖，多個線程多個鎖！首先看一下下邊的實例代碼（代碼C）：

public?class?MultiThread?{ ????????private?int?num?=?200; ????????public?synchronized?void?printNum(String?threadName,?String?tag)?{ ????????????if?(tag.equals("a"))?{ ????????????????num?=?num?-?100; ????????????????System.out.println(threadName?+?"?tag?a,set?num?over!"); ????????????}?else?{ ????????????????num?=?num?-?200; ????????????????System.out.println(threadName?+?"?tag?b,set?num?over!"); ????????????} ????????????System.out.println(threadName?+?"?tag?"?+?tag?+?",?num?=?"?+?num); ????????} ????????public?static?void?main(String[]?args)?throws?InterruptedException?{ ????????????final?MultiThread?multiThread1?=?new?MultiThread(); ????????????final?MultiThread?multiThread2?=?new?MultiThread(); ????????????new?Thread(new?Runnable()?{ ????????????????public?void?run()?{ ????????????????????multiThread1.printNum("thread1",?"a"); ????????????????} ????????????}).start(); ????????????Thread.sleep(5000); ????????????System.out.println("等待5秒，確保thread1已經執行完畢！"); ????????????new?Thread(new?Runnable()?{ ????????????????public?void?run()?{ ????????????????????multiThread2.printNum("thread2",?"b"); ????????????????} ????????????}).start(); ????????} ????}

輸出結果：

thread1?tag?a,set?num?over! ????thread1?tag?a,?num?=?100 ????等待5秒，確保thread1已經執行完畢！ ????thread2?tag?b,set?num?over! ????thread2?tag?b,?num?=?0

可以看出，有兩個對象：multiThread1和multiThread2，如果多個對象使用同一把鎖的話，那么上述執行的結果就應該是：thread2 tag b, num = -100，因此，是每一個對象擁有該對象的鎖的。

關鍵字synchronized取得的鎖都是對象鎖，而不是把一段代碼或方法當做鎖，所以上述實例代碼C中哪個線程先執行synchronized?關鍵字的方法，那個線程就持有該方法所屬對象的鎖，兩個對象，線程獲得的就是兩個不同對象的不同的鎖，他們互補影響的。

那么，我們在正常的場景的時候，肯定是有一種情況的就是，所有的對象會對一個變量 count 進行操作，那么如何實現哪？

很簡單就是加static，我們知道，用 static 修改的方法或者變量，在該類的所有對象是具有相同的引用的，這樣的話，無論實例化多少對象，調用的都是一個方法，代碼如下（代碼D）：

public?class?MultiThread?{ ????????private?static?int?num?=?200; ????????public?static?synchronized?void?printNum(String?threadName,?String?tag)?{ ????????????if?(tag.equals("a"))?{ ????????????????num?=?num?-?100; ????????????????System.out.println(threadName?+?"?tag?a,set?num?over!"); ????????????}?else?{ ????????????????num?=?num?-?200; ????????????????System.out.println(threadName?+?"?tag?b,set?num?over!"); ????????????} ????????????System.out.println(threadName?+?"?tag?"?+?tag?+?",?num?=?"?+?num); ????????} ????????public?static?void?main(String[]?args)?throws?InterruptedException?{ ????????????final?MultiThread?multiThread1?=?new?MultiThread(); ????????????final?MultiThread?multiThread2?=?new?MultiThread(); ????????????new?Thread(new?Runnable()?{ ????????????????public?void?run()?{ ????????????????????multiThread1.printNum("thread1",?"a"); ????????????????} ????????????}).start(); ????????????Thread.sleep(5000); ????????????System.out.println("等待5秒，確保thread1已經執行完畢！"); ????????????new?Thread(new?Runnable()?{ ????????????????public?void?run()?{ ????????????????????multiThread2.printNum("thread2",?"b"); ????????????????} ????????????}).start(); ????????} ????}

輸出結果：

thread1?tag?a,set?num?over! ????thread1?tag?a,?num?=?100 ????等待5秒，確保thread1已經執行完畢！ ????thread2?tag?b,set?num?over! ????thread2?tag?b,?num?=?-100

可以看出，對變量和方法都加上了static修飾，就可以實現我們所需要的場景。同時也說明了，對于非靜態static修飾的方法或變量，是一個對象一把鎖的。

八、對象鎖的同步和異步

（1）同步：synchronized

同步的概念就是共享，我們要知道“共享”這兩個字，如果不是共享的資源，就沒有必要進行同步，也就是沒有必要進行加鎖；

同步的目的就是為了線程的安全，其實對于線程的安全，需要滿足兩個最基本的特性：原子性和可見性;

（2）異步：asynchronized

異步的概念就是獨立，相互之間不受到任何制約，兩者之間沒有任何關系，這里的異步可以理解為多個線程之間不會競爭共享資源。

（3）示例代碼：

public?class?MyObject?{ ????????public?void?method()?{ ????????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()); ????????} ????????public?static?void?main(String[]?args)?{ ????????????final?MyObject?myObject?=?new?MyObject(); ????????????Thread?t1?=?new?Thread(new?Runnable()?{ ????????????????public?void?run()?{ ????????????????????myObject.method(); ????????????????} ????????????},?"t1"); ????????????Thread?t2?=?new?Thread(new?Runnable()?{ ????????????????public?void?run()?{ ????????????????????myObject.method(); ????????????????} ????????????},?"t2"); ????????????t1.start(); ????????????t2.start(); ????????} ????}

上述代碼中method（）就是異步的方法。一方面，他不會出現對共享變量的修改，另一方面，無需保證訪問該方法的線程安全性。

—————END—————

喜歡本文的朋友們，歡迎長按下圖關注訂閱號程序員小灰，收看更多精彩內容

Java 任務調度 容器

版權聲明：本文內容由網絡用戶投稿，版權歸原作者所有，本站不擁有其著作權，亦不承擔相應法律責任。如果您發現本站中有涉嫌抄襲或描述失實的內容，請聯系我們jiasou666@gmail.com 處理，核實后本網站將在24小時內刪除侵權內容。