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「JAVA」线程基础知识不牢固?别愁,我不仅梳理好了,还附带了案例

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Java 线程创建和并发基础

程序在没有流程控制的前提下,代码都是从上而下逐行依次执行的。基于这样的机制,如果我们使用程序来实现边打游戏,边听音乐的需求时,就会很困难;因为按照执行顺序,只能从上往下依次执行;同一时刻,只能执行听音乐和打游戏的其中之一。

为了解决这样的问题,在程序设计中引入了多线程并发。本文中的知识对windowsmaclinux系统都适用,但展示界面和功能名称上不太一样;相关的截图这里以windows为例。

并行和并发

并行和并发是两个很容易混淆的概念,他们在字面上理解起来可能没有很大的差异,但要放在计算机运行环境中来解释,两者是有很大区别的:

  • 并行:多个事件在同一个时间点同时发生,是真正的同时发生;
  • 并发:多个事件在同一时间段内在宏观上同时发生,而在微观上是CPU在多个事件上来回切换,但切换的时间很快,并不能被人眼捕获,因此在一段人类可以观察到的时间内,多个事件是同时发生的;

并行和并发

操作系统的运行环境中,并发指的就是一段时间内宏观上多个程序在同时运行;在单CPU的环境中,微观上每一个时刻仅有一个程序被CPU执行(也就是仅有一个程序获得了CPU时间片),CPU是在多个程序之间来回交替执行,也就是给每个程序的运行时间进行调度,从而实现多个程序的并发运行。

随着计算机硬件的不断发展,现如今的计算机一般都是有多个CPU的,在这样的多个CPU的环境中,原本由单个处理器运行的这些程序就可以被分配给多个CPU来运行,从而实现真程序的并行运行,无论从宏观上,还是微观上,程序都是同时运行的。这样,程序的运行效率就会大大提高。
PS:CPU时间片就是CPU分配给每个程序的运行时间。

在买电脑的时候,电脑厂商宣传的“几核处理器”,其中“核”表示的是CPU有几个物理核心,能够并行处理几个程序的调用。想要知道自己电脑是几核的,可以打开“任务管理器”来查看。

Windows 任务管理器

也可以通过计算机属性、设备管理器来查看。 所以,单核处理器是不能并行运行多个任务的,只能是多个任务在单核处理器中并发运行,我们把每个任务用一个线程来表示,多个线程在单个处理器中的并发运行我们称之为线程调度。

从宏观上讲,多个线程是并行运行的;从微观上讲,多个线程是串行运行的,也就是一个线程一个线程的运行;如果对这里的宏观和微观不太好理解的话,可以把宏观看作是站在人的角度看待程序运行,把微观看作是站在CPU的角度看待程序运行,这样就好理解多了。

线程和进程

进程:进程是指一个在内存中运行的应用程序,每个进程在内存中都有一块独立的内存空间。每个软件都可以启动多个进程。

windows 进程

线程:线程指的是进程中的一个控制单元,也就是进程中的每个单元任务,一个进程中可以有多个线程同时并发运行。

多进程指的是操作系统中同时运行的多个程序,多线程指的是同一个进程中同时运行的多个任务。操作系统中运行的每个任务就是一个进程,进程中的每个任务就是一个线程;操作系统就是一个多任务系统,它可以有多个进程,每个进程又可以有多个线程。

多进程和多线程

线程和进程的区别:

  1. 每个进程都有独立的内存空间,也就是进程中的数据存储空间(堆、栈空间)是独立的,且每个进程都至少有一个线程;

  2. 对于线程来说:堆内存空间是共享的,栈内存空间是独立的;线程消耗的资源比进程要小得多,且线程之间是可以相互通信的;

  3. 线程是进程的基本组成单元,故也把线程称作进程元,或者轻型进程;

  4. 线程的执行是通过CPU调度器来决定的,程序员无法控制;

线程调度: 计算机单个CPU在任意时刻只能执行一条计算机指令,每个进程只有获得CPU使用权才能执行相关指令;

多线程并发,其实就是运行中各个进程轮流获取CPU的使用权来分别执行各自的任务;在多进程的环境中,会有多个线程处于等待获取CPU使用权的状态中,为这些等待中的线程分配CPU使用权的操作就成为线程调度。

线程调度分为抢占式调度分时调度

  • 抢占式调度:多个线程在瞬间抢占CPU资源,谁抢到谁就运行,有更多的随机性;

  • 分时调度:为等待中的多个线程平均的分配CPU时间片;

Java的多线程中线程调度就是使用抢占式调度的。

多线程

多线程和单线程,就好比多行道和单行道,多行道可以有多辆车同时行驶通过,而单行道只能是多辆车按顺序依次行驶通过;多线程同时有多个线程并发运行,单线程只有单个线程对多个任务按顺序依次执行。

如果以下载文件为例:单线程就是只有一个文件下载的通道,多线程则是同时有多个下载通道在下载文件。当服务器提供下载服务时,下载程序是共享服务器带宽的,在优先级相同的情况下,服务器会对下载中的所有线程平均分配带宽:

多线程文件下载

宽带带宽是以位(bit)来计算的,而下载速度是以字节(byte)计算的,1 byte = 8 bit,故1024KB/s代表的是上网宽带为1M1024千位),而下载速度需要用1024KB/s除去8,得出128KB/s

多线程是为了同步完成多项任务,是为了提高系统整体的效率,而不能提高程序代码自身的运行效率。

多线程的优势: 多线程作为一种多任务、高并发的运行机制,有其独到的优势所在:

  1. 进程之间不能共享内存空间,但是线程之间是可以的(通过堆内存);

  2. 创建进程时,操作系统需要为其重新分配系统资源;而创建线程耗费的资源会小很多,在实现多任务并发时,相比较于多进程,多线程的效率会高很多;

  3. Java 语言内置了对多线程的支持,而不仅仅是简单的调用底层操作系统的调度;Java 对多线程的支持也很友好,能大大简化开发成本;

创建进程

Java中创建进程可通过两种方式来实现:

1. 通过java.lang.Runtime来实现,示例代码如下:

  public  static  void  main(String  []args)  throws  IOException  {  
        // 方式一:通过通过java.lang.Runtime来实现打开 cmd  
        Runtime runtime =  Runtime.getRuntime(); 
        runtime.exec("cmd");  
}  

2. 通过java.lang.ProcessBuilder 来实现,示例代码如下:

public  static  void  main(String  []args)  throws  IOException  {  
        // 方式二:通过通过java.lang.ProcessBuilder来实现打开 cmd
        ProcessBuilder pb =  new  ProcessBuilder("cmd"); 
        pb.start();  
}

创建线程

一、通过继承Thread类创建线程; 需要注意的是:只有Thread的子类才是线程类;

  1. 新创建一个类继承于java.lang.Thread

  2. 在新建的Thread子类中重写Thread类中的run方法,在run方法中编写线程逻辑;

  3. 创建线程对象,执行线程逻辑;

  public  class  ExtendsThreadDemo  {  
          public  static  void  main(String  []args)  {  
                 for  (int i =  0; i <  50; i++)  {  
                         System.out.println("主线程"  + i);  
                         if  (i ==  13)  {  
                              NewThread newThread =  new  NewThread(); 
                              newThread.start();  
                          }  
                  }  
            }  
}  

// 新线程类  
class  NewThread  extends  Thread  {  
        @Override  
         public  void  run()  {  
                for  (int i =  0; i <  50; i++)  {  
                      System.out.println("新线程"  + i);  
                }  
          }  
}  

二、通过实现Runnable接口创建线程; 需要注意,这里的Runnable实现类并不是线程类,所以启动方式和Thread子类会有所不同;

  1. 新创建一个类实现java.lang.Runnable
  2. 在新建的实现类中重写Runnable类中的run方法,在run方法中编写线程逻辑;
  3. 创建Thread对象,传入Runnable实现类对象,执行线程逻辑;

示例代码如下:

public class ImplementsRunnableDemo {
    public static void main(String []args) {
		for (int i = 0; i < 50; i++) {
			System.out.println("主线程" + i);
			if (i == 13) {
				Runnable runnable = new NewRunnableImpl();
				Thread thread = new Thread(runnable);
				thread.start();
			}
		}
 
    }
}

// 新线程类
class NewRunnableImpl implements Runnable {
 
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 50; i++) {
			System.out.println("新线程" + i);
		}
	}
}

三、使用匿名内部类创建线程,使用接口的匿名内部类来创建线程,示例代码如下:

// 使用接口的匿名内部类
public class AnonymousInnerClassDemo {
 
    public static void main(String []args) {
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
          System.out.println("主线程" + i);
          if (i == 13) {
            new Thread(new Runnable() {
              @Override
              public void run() {
                for (int j = 0; j < 50; j++) {
                  System.out.println("新线程" + j);
                }
              }
            }).start();
          }
        }
    }
}

当然了,也可以使用Thread类的匿名内部类创建线程,不过这样的方式很少使用;示例代码如下:

// 使用Thread类的匿名内部类 
public class AnonymousInnerClassDemo {
 
    public static void main(String []args) {
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
          System.out.println("主线程" + i);
          if (i == 13) {
            new Thread() {
              @Override
              public void run() {
                for (int j = 0; j < 50; j++) {
                  System.out.println("新线程" + j);
                }
              }
            }.start();
          }
        }
    }
}

多线程案例

案例需求:六一儿童节,设置了抢气球比赛节目,共有50个气球,三个小朋友小红、小强、小明来抢;请使用多线程技术来实现上述比赛过程。
气球比赛

一、使用继承Thread类的方式来实现上述案例; 示例代码如下:

public class ExtendsDemo {
    public static void main(String []args) {
 
		new Student("小红").start();
		new Student("小强").start();
		new Student("小明").start();
 
    }
}

class Student extends Thread {
 
	private int num = 50;
	private String name;
	public Student(String name) {
		super(name);
		this.name = name;
	}
 
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 50; i++) {
			if (num > 0) {
				System.out.println(this.name + "抢到了" + num + "号气球");
				num--;
			}
		}
	}
}

通过查看输出结果,发现一个问题:每个小朋友都抢到了50个气球,这和原本只有50个气球相矛盾了;不过别急,我们可以使用第二种方式:使用实现接口的方式来实现上述案例 来解决。

二、使用实现接口的方式来实现上述案例; 示例代码如下:

public class ImplementsDemo {
    public static void main(String []args) {
        Balloon balloon = new Balloon();
        new Thread(balloon, "小红").start();
        new Thread(balloon, "小强").start();
        new Thread(balloon, "小明").start();
    }
}

// 气球
class Balloon implements Runnable {
 
	private int num = 50;
 
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 50; i++) {
        if (num > 0) {
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到了" 
                     + num + "号气球");
          num--;
        }
		}
	}
 
}

在该案例中我们是用了Thread.currentThread()方法,该方法的作用是返回当前正在执行的线程对象的引用,所以当前正在执行的线程对象的名称就可以这样来获取:String name = Thread.currentThread().getName();

通过查看该案例的打印结果,不难发现:三个小朋友一共抢到了50个气球,符合了需求中规气球总共有50个的要求。我们再来分析主函数中的代码,发现是因为3个线程共享了一个Balloon对象,该对象中的气球数量就在50个。

共享Balloon对象的堆内存模型

按照这样的思路,上述使用继承Thread类的方式中出现的问题就可以解决了。接下来就对上述两种实现多线程的方式进行分析和总结:

使用继承Thread类的方式:

  1. 使用继承方式来实现多线程在操作上会更加简便;比如:可以通过super.getName()来直接获取当前线程对象的名称;
  2. 由于Java 是单继承的,所以如果继承了Thread,该类就不能再有其他的父类了;
  3. 对于抢气球案例需求来说,并不能很好的解决问题;

使用实现接口的方式:

  1. 相较于继承方式,实现方式和线程操作会稍加复杂;比如:获取当前线程名称需要通过Thread.currentThread().getName();来获取;
  2. 由于是使用实现的方式,Java 是支持多实现的,所以除了Runnable接口之外,还可以实现其他的接口,继承另外的类;
  3. 能够很好的实现案例需求:多个线程共享一个资源;

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