java / 多线程 · 2023年10月12日 0

基本概念、语法、线程安全

一.进程 vs 线程

进程和线程是包含关系,但是多任务既可以由多进程实现,也可以由单进程内的多线程实现,还可以混合多进程+多线程。

具体采用哪种方式,要考虑到进程和线程的特点。

和多线程相比,多进程的缺点在于:

  • 创建进程比创建线程开销大,尤其是在Windows系统上;
  • 进程间通信比线程间通信要慢,因为线程间通信就是读写同一个变量,速度很快。

而多进程的优点在于:

多进程稳定性比多线程高,因为在多进程的情况下,一个进程崩溃不会影响其他进程,而在多线程的情况下,任何一个线程崩溃会直接导致整个进程崩溃。

Java语言内置了多线程支持:一个Java程序实际上是一个JVM进程,JVM进程用一个主线程来执行main()方法,在main()方法内部,我们又可以启动多个线程。此外,JVM还有负责垃圾回收的其他工作线程等。

因此,对于大多数Java程序来说,我们说多任务,实际上是说如何使用多线程实现多任务。

和单线程相比,多线程编程的特点在于:多线程经常需要读写共享数据,并且需要同步。例如,播放电影时,就必须由一个线程播放视频,另一个线程播放音频,两个线程需要协调运行,否则画面和声音就不同步。因此,多线程编程的复杂度高,调试更困难。

Java多线程编程的特点又在于:

  • 多线程模型是Java程序最基本的并发模型;
  • 后续读写网络、数据库、Web开发等都依赖Java多线程模型。

二.线程的状态

在Java程序中,一个线程对象只能调用一次start()方法启动新线程,并在新线程中执行run()方法。一旦run()方法执行完毕,线程就结束了。因此,Java线程的状态有以下几种:

  • New:新创建的线程,尚未执行;
  • Runnable:运行中的线程,正在执行run()方法的Java代码;
  • Blocked:运行中的线程,因为某些操作被阻塞而挂起;
  • Waiting:运行中的线程,因为某些操作在等待中;
  • Timed Waiting:运行中的线程,因为执行sleep()方法正在计时等待;
  • Terminated:线程已终止,因为run()方法执行完毕。

Java线程对象Thread的状态包括:NewRunnableBlockedWaitingTimed WaitingTerminated

通过对另一个线程对象调用join()方法可以等待其执行结束;

可以指定等待时间,超过等待时间线程仍然没有结束就不再等待;

对已经运行结束的线程调用join()方法会立刻返回。

三.中断线程

在线程内使用

isInterrupted() 作为中断点

在线程外使用 t.interrupt(); // 中断t线程 来触发中断

对目标线程调用interrupt()方法可以请求中断一个线程,目标线程通过检测isInterrupted()标志获取自身是否已中断。如果目标线程处于等待状态,该线程会捕获到InterruptedException

目标线程检测到isInterrupted()true或者捕获了InterruptedException都应该立刻结束自身线程;

四.守护线程

守护线程是为其他线程服务的线程;

所有非守护线程都执行完毕后,虚拟机退出;

守护线程不能持有需要关闭的资源(如打开文件等)

五.线程安全与同步

当多个线程同时运行时,线程的调度由操作系统决定,程序本身无法决定。因此,任何一个线程都有可能在任何指令处被操作系统暂停,然后在某个时间段后继续执行。

这个时候,有个单线程模型下不存在的问题就来了:如果多个线程同时读写共享变量,会出现数据不一致的问题。

解决办法是使用 synchronized

synchronized(Counter.lock) { // 获取锁
    ...
} // 释放锁

使用方法:

  1. 找出修改共享变量的线程代码块;
  2. 选择一个共享实例作为锁;
  3. 使用synchronized(lockObject) { ... }

总结:使用synchronized实质就是让所有的线程均要使用这一个锁来保证他们顺序执行,每个线程首先获取锁然后执行内容执行完毕在释放锁,在这个过程中其他线程无法获取锁所以无法开始,所以其实会对性能有影响,因为由一起执行改为排队等待这个锁了

语法:共享实例可以使用当前实例自己如:synchronized(this)

一般写作如下形式:

public void add(int n) {
    synchronized(this) { // 锁住this
        count += n;
    } // 解锁
}

可优化为
public synchronized void add(int n) { // 锁住this
    count += n;
} // 解锁

线程安全:如果一个类被设计为允许多线程正确访问,我们就说这个类就是“线程安全”的(thread-safe)

Java标准库的java.lang.StringBuffer也是线程安全的。

还有一些不变类,例如StringIntegerLocalDate,它们的所有成员变量都是final,多线程同时访问时只能读不能写,这些不变类也是线程安全的。

最后,类似Math这些只提供静态方法,没有成员变量的类,也是线程安全的。

除了上述几种少数情况,大部分类,例如ArrayList,都是非线程安全的类,我们不能在多线程中修改它们。但是,如果所有线程都只读取,不写入,那么ArrayList是可以安全地在线程间共享的。