day06 【线程、同步】

主要内容

线程
同步
线程状态

学习目标

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

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

测试类：

	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);
			}
		}
	}

流程图：

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

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。

获取线程的名称:

使用Thread类中的方法getName()

    String getName() 返回该线程的名称。

可以先获取到当前正在执行的线程,使用线程中的方法getName()获取线程的名称
```
    static Thread currentThread() 返回对当前正在执行的线程对象的引用。
```

设置线程的名称:(了解)

使用Thread类中的方法setName(名字)

    void setName(String name) 改变线程名称，使之与参数 name 相同。

创建一个带参数的构造方法,参数传递线程的名称;调用父类的带参构造方法,把线程名称传递给父类,让父类(Thread)给子线程起一个名字
```
    Thread(String name) 分配新的 Thread 对象。
```

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 void sleep(long millis):  毫秒数结束之后,线程继续执行

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。

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：

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。
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。
调用线程对象的start()方法来启动线程。

代码如下：

//1.创建一个Runnable接口的实现类
public class RunnableImpl implements Runnable{
    //2.在实现类中重写Runnable接口的run方法,设置线程任务
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i <20 ; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->"+i);
        }
    }
}

public class Demo01Runnable {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->"+i);
        }
        // 3.创建一个Runnable接口的实现类对象
        RunnableImpl run=new RunnableImpl();
        // 4.创建Thread类对象,构造方法中传递Runnable接口的实现类对象
        Thread t=new Thread(run,"梅");
        // 5.调用Thread类中的start方法,开启新的线程执行run方法
        t.start();

    }
}

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：

适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。
可以避免java中的单继承的局限性。
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。
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：

/*
    匿名内部类方式实现线程的创建

    匿名:没有名字
    内部类:写在其他类内部的类

    匿名内部类作用:简化代码
        把子类继承父类,重写父类的方法,创建子类对象合一步完成
        把实现类实现类接口,重写接口中的方法,创建实现类对象合成一步完成
    匿名内部类的最终产物:子类/实现类对象,而这个类没有名字

    格式:
        new 父类/接口(){
            重复父类/接口中的方法
        };
 */
public class Demo01InnerClassThread {
    public static void main(String[] args) {
        //线程的父类是Thread
        // new MyThread().start();
        new Thread(){
            //重写run方法,设置线程任务
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i <20 ; i++) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->"+"黑马");
                }
            }
        }.start();

        //线程的接口Runnable
        //Runnable r = new RunnableImpl();//多态
        Runnable r = new Runnable(){
            //重写run方法,设置线程任务
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i <20 ; i++) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->"+"程序员");
                }
            }
        };
        new Thread(r).start();

        //简化接口的方式
        new Thread(new Runnable(){
            //重写run方法,设置线程任务
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i <20 ; i++) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->"+"传智播客");
                }
            }
        }).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：

/*
    实现卖票案例
 */
public class RunnableImpl implements Runnable{
    //定义一个多个线程共享的票源
    private  int ticket = 100;


    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {
        //使用死循环,让卖票操作重复执行
        while(true){
            //先判断票是否存在
            if(ticket>0){
                //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                //票存在,卖票 ticket--
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                ticket--;
            }
        }
    }
}

测试类：

/*
    模拟卖票案例
    创建3个线程,同时开启,对共享的票进行出售
 */
public class Demo01Ticket {
    public static void main(String[] args) {
        //创建Runnable接口的实现类对象
        RunnableImpl run = new RunnableImpl();
        //创建Thread类对象,构造方法中传递Runnable接口的实现类对象
        Thread t0 = new Thread(run);
        Thread t1 = new Thread(run);
        Thread t2 = new Thread(run);
        //调用start方法开启多线程
        t0.start();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

结果中有一部分这样现象：

发现程序出现了两个问题：

相同的票数,比如5这张票被卖了两回。
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：

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。

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：

同步代码块。
同步方法。
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:

	synchronized(同步锁){
		需要同步操作的代码
	}

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.

锁对象可以是任意类型。
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)堵塞状态。

使用同步代码块解决代码：

public class RunnableImpl implements Runnable{
    //定义一个多个线程共享的票源
    private  int ticket = 100;

    //创建一个锁对象
    Object obj = new Object();

    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {
        //使用死循环,让卖票操作重复执行
        while(true){
           //同步代码块
            synchronized (obj){
                //先判断票是否存在
                if(ticket>0){
                    //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    //票存在,卖票 ticket--
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                    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：

 	修饰符 synchronized 返回值类型 方法名(参数列表){
        可能会出现线程安全问题的代码(访问了共享数据的代码)
    }

	public synchronized void method(){
		可能会出现线程安全问题的代码(访问了共享数据的代码)
	}

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 class RunnableImpl implements Runnable{
    //定义一个多个线程共享的票源
    private static int ticket = 100;


    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("this:"+this);//this:com.itheima.demo08.Synchronized.RunnableImpl@58ceff1
        //使用死循环,让卖票操作重复执行
        while(true){
            payTicket();
        }
    }

    /*
        定义一个同步方法
        同步方法也会把方法内部的代码锁住
        只让一个线程执行
        同步方法的锁对象是谁?
        就是实现类对象 new RunnableImpl()
        也是就是this
     */
    public synchronized void payTicket(){
            //先判断票是否存在
            if(ticket>0){
                //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                //票存在,卖票 ticket--
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                ticket--;
        }

    }
}

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() :获取锁。
public void unlock() :释放同步锁。

使用如下：

public class RunnableImpl implements Runnable{
    //定义一个多个线程共享的票源
    private  int ticket = 100;

    //1.在成员位置创建一个ReentrantLock对象
    Lock l = new ReentrantLock();

    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {
        //使用死循环,让卖票操作重复执行
        while(true){
            //2.在可能会出现安全问题的代码前调用Lock接口中的方法lock获取锁
            l.lock();

            //先判断票是否存在
            if(ticket>0){
                //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
                try {
                    Thread.sleep(10);
                    //票存在,卖票 ticket--
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                    ticket--;
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    //3.在可能会出现安全问题的代码后调用Lock接口中的方法unlock释放锁
                    l.unlock();//无论程序是否异常,都会把锁释放
                }
            }
        }
    }

第三章线程状态

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 Demo01Sleep extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100 ; i++) {
            if ((i)%10==0){
                System.out.println("-----"+i);
            }

            //使用Thread类的sleep方法让程序睡眠1秒钟
            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 Demo01Sleep().start();
    }
}

运行结果

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：

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。
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
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。

3.3 BLOCKED（锁阻塞）

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：

/*
    等待唤醒案例:线程之间的通信
        创建一个顾客线程(消费者):告知老板要的包子的种类和数量,调用wait方法,放弃cpu的执行,进入到WAITING状态(无限等待)
        创建一个老板线程(生产者):花了5秒做包子,做好包子之后,调用notify方法,唤醒顾客吃包子

    注意:
        顾客和老板线程必须使用同步代码块包裹起来,保证等待和唤醒只能有一个在执行
        同步使用的锁对象必须保证唯一
        只有锁对象才能调用wait和notify方法

    Obejct类中的方法
    void wait()
          在其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法前，导致当前线程等待。
    void notify()
          唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。
          会继续执行wait方法之后的代码
 */
public class Demo01WaitAndNotify {
    public static void main(String[] args) {
        //创建锁对象,保证唯一
        Object obj = new Object();
        // 创建一个顾客线程(消费者)
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
               //一直等着买包子
               while(true){
                   //保证等待和唤醒的线程只能有一个执行,需要使用同步技术
                   synchronized (obj){
                       System.out.println("告知老板要的包子的种类和数量");
                       //调用wait方法,放弃cpu的执行,进入到WAITING状态(无限等待)
                       try {
                           obj.wait();
                       } catch (InterruptedException e) {
                           e.printStackTrace();
                       }
                       //唤醒之后执行的代码
                       System.out.println("包子已经做好了,开吃!");
                       System.out.println("---------------------------------------");
                   }
               }
            }
        }.start();

        //创建一个老板线程(生产者)
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                //一直做包子
                while (true){
                    //花了5秒做包子
                    try {
                        Thread.sleep(5000);//花5秒钟做包子
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    //保证等待和唤醒的线程只能有一个执行,需要使用同步技术
                    synchronized (obj){
                        System.out.println("老板5秒钟之后做好包子,告知顾客,可以吃包子了");
                        //做好包子之后,调用notify方法,唤醒顾客吃包子
                        //obj.notifyAll();//唤醒所有线程
                         obj.notify();//如果有多个线程那么会随机唤醒一个线程
                    }
                }
            }
        }.start();
    }
}

效果图：

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

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。