范例解说Java里的线程概念与线程同步技术

本文以通俗易懂的范例入手，由浅入深的全面介绍了Java里的线程概念与线程同步技术。

线程 是一段完成某个特定功能的代码，程序中的执行线程。Java 虚拟机允许应用程序并发地运行多个执行线程。
每个线程都有一个优先级，高优先级线程的执行优先于低优先级线程。
进程不同的是，由同名类生成的多个线程共享相同的内存空间和系统资源。

线程与进程的区别：
一个线程是一个程序内部的顺序控制流。
1. 进程：每个进程都有独立的代码和数据空间（进程上下文） ，进程切换的开销大。线程：同一类线程共享代码和数据空间，每个线程有独立的运行栈和程序计数器（PC），线程切换的开销小。
2. 一个进程中可以包含多个线程。

本文将介绍以下线程方面的知识：
1，线程的创建
2，线程的状态
3，线程同步
4，线程组

理解线程的最有效的方法是通过实例来理解。下面我们将通过 售货员售书 为例，由浅入深地介绍线程的创建，通信，锁机制等概念。

售货员售书
我们假设一下售货员售书的操作流程：
1，我们假设有20本书，交给2个售货员去卖。
2，售货员可以卖掉任何一本尚未卖出去的书。换句话说，同一本书若被其中一位售出去了，则不能被另外一位再售出了。

清单1：

文件名	说明
Book.java	书籍类
SellBookRunnable.java	售书类，线程的创建方法之一，该类实现了Runnable 接口，并实现了 run 方法。
SellBookThread.java	售书类，线程的创建方法之一，该类声明为 Thread 的子类，并重写 Thread 类的 run 方法。
CallSellBook.java	调用类。该类分别介绍了2种不同线程创建的调用方法。

线程的创建
创建新执行线程有两种方法。
方法一种方法是将类声明为 Thread 的子类。该子类应重写 Thread 类的 run 方法。事实上类Thread本身也实现了接口Runnable，所以我们可以同过继承Thread类实现线程体。
参考：SellBookThread.java 与 CallSellBook.java
另一种方法是声明实现 Runnable 接口的类。该类然后实现 run 方法。
参考：SellBookRunnable.java 与 CallSellBook.java

线程的状态
线程有四种状态：创建状态(New)，可运行状态(Runnable)，阻塞状态（Blocked），死亡状态（Dead）。

创建状态(New)：
当执行完
Thread t1 = new SellBookThread("SaleMan1", bookList);
语句之后，则t1处于创建状态(New)。此时t1并未真正运行。

可运行状态(Runnable)：
当Thread t1被创建，并执行完
t1.start();
语句之后，t1就处于可运行状态(Runnable)。此时，系统为线程t1分配其所需的系统资源。并对t1加以调用（或者根据任务调度情况准备调用）。

阻塞状态（Blocked）：
由于以下原因：
1) 调用了sleep（）方法;
2) 调用了suspend（）方法（该方法已不推荐使用）;
3) 为等待条件锁，调用wait（）方法等;
4) 输入输出，或消息发生阻塞;

使得线程处于阻塞状态（Blocked）。处于该状态的线程即使处理器空闲，也不会得到执行。

死亡状态（Dead）：
死亡状态（Dead）可以为自然死亡（线程运行完毕），或者调用了stop()方法（该方法已不推荐使用）。

线程的优先级：
可以通过Thread类的
void setPriority(int newPriority)
方法为线程设置优先级。但是不能保证高优先级的线程就会被先运行。

线程组：
可以通过
ThreadGroup group = new ThreadGroup(groupName);
Thread t1 = new Thread(ThreadGroup g, Runnable r1);
Thread t1 = new Thread(ThreadGroup g, Runnable r2);
等方法把多个线程加到一个线程组里去，这样可以通过ThreadGroup对这些线程进行某些统一操作，
例如：group.interrupt();中断该组所有线程。

线程unchecked异常处理器：
可以通过：
public void static Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler)
方法为所有线程指定一个unchecked异常处理器，该处理器必须实现UncaughtExceptionHandler接口。

线程同步：
线程同步指多个线程同时访问某资源时，采用一系列的机制以保证同时最多只能一个线程访问该资源。
线程同步是多线程中必须考虑和解决的问题，因为很可能发生多个线程同时访问（主要是写操作）同一资源，如果不进行线程同步，很可能会引起数据混乱，造成线程死锁等问题。

使用synchronized同步线程。
在J2SE5.0之前，只能使用synchronized来同步线程。可以使用synchronized来同步代码块或者方法。
同步代码块例：
synchronized(欲同步的对象obj) {需要同步的代码块}可以同步代码块。

参考：SellBookThread.java

view plaincopy to clipboardprint?

private void sellBook(Book book) {

synchronized (book) {

...

}

}

private void sellBook(Book book) {
synchronized (book) {
...
}
}

该例synchronized (book) 表示若多个线程同时访问时，只让其中一个线程最先取得book对象，其它线程则阻塞直到代码块执行完毕book对象被释放后，其它线程才能取得该book对象继续执行。
很多情况下，可以使用synchronized (this){...}来同步代码块。但需要注意的是，使用this作为同步对象的话，如果同一个类中存在多个synchronized (this){...}代码块，其中任何一个synchronized(this)代码块处于被执行状态，则其它线程对其他synchronized(this)代码块的访问也会受到阻塞。

同步方法例：

view plaincopy to clipboardprint?

synchronized private void sellBook(Book book) {

...

}

synchronized private void sellBook(Book book) {
...
}

这种方法其实相当于

view plaincopy to clipboardprint?

private void sellBook(Book book) {

synchronized(this) {

...

}

}

private void sellBook(Book book) {
synchronized(this) {
...
}
}

由于默认采用this作为同步对象，所以当一个类中有多个synchronized方法时，同样会存在以上问题：即如果有一个线程访问其中某个synchronized方法时，直到该方法执行完毕，其它线程对其它synchronized方法的访问也将受到阻塞。
有关synchronized详细说明我们将在其它文章中加以说明。

使用java.util.concurrent.locks.ReentrantLock和java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock类同步线程。
J2SE5.0加入了ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock可以对线程进行同步，这里举一个最简单的例子对其加以说明：

view plaincopy to clipboardprint?

class X {

private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

// ...

public void m() {

lock.lock(); // block until condition holds

try {

// ... method body

} finally {

lock.unlock()

}

}

}

class X {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// ...

public void m() {
lock.lock();  // block until condition holds
try {
// ... method body
} finally {
lock.unlock()
}
}
}

其它J2SE5.0新导入的有关线程的相关接口/类：
java.util.concurrent.Future
Future接口可以保持/取得异步执行的结果值

java.util.concurrent.Callable
类似于Runnable接口。但Runnable不能返回值，也不能抛出checked异常

java.util.concurrent.ExecutorService
该接口继承了Executor接口。可以通过submit方法把Runnable，Callable对象转换为Future 形式。

java.util.concurrent.FutureTask
该类实现了Runnable和Future接口。提供异步执行的取消以及异步执行结果的取得等功能。

java.util.concurrent.Executor
执行指定的Runnable对象

java.util.concurrent.Executors
工具类。提供静态方法可以创建Executor，ExecutorService，Callable等对象。可以通过newCachedThreadPool()等方法简单创建线程池。

Book.java

public class Book {
private String name;
private boolean sold = false;

public Book(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return name;
}

public void setName(String name) {
this.name = name;
}

public boolean isSold() {
return sold;
}

public void setSold(boolean sold) {
this.sold = sold;
}
}

[/code]

]public class SellBookRunnable implements Runnable {
private String saleMan;
private List<Book> bookList;

public SellBookRunnable(String saleMan, List<Book> bookList) {
this.saleMan = saleMan;
this.bookList = bookList;
}

public void run() {
for (int i = 0; i < bookList.size(); i++) {
Book book = bookList.get(i);
sellBook(book);
}
}

/**
* 售货员卖书。我们这样描述售货员的卖书过程。
*
* @param book Book
*/
private void sellBook(Book book) {
//从开始售书-到售书完成，使用synchronized (book)保证book不被其他售货员售出
synchronized (book) {
if (book.isSold()) {
return;
} else {
try {
//为了让各线程有执行机会，设置平均售书时间为0.5秒
Thread.sleep(500);
} catch (Exception e) {
}

//设置已售标志
book.setSold(true);
//打印该书已售信息
System.out.println("[" + saleMan + "]" + book.getName() + " sold out:"
+ book.isSold() + ". by "
+ Thread.currentThread().getName());

}
}
}
}

[/code]

import java.util.List;

public class SellBookThread extends Thread {
private String saleMan;
private List<Book> bookList;

public SellBookThread(String saleMan, List<Book> bookList) {
this.saleMan = saleMan;
this.bookList = bookList;
}

public void run() {
for (int i = 0; i < bookList.size(); i++) {
Book book = bookList.get(i);
sellBook(book);
}
}

/**
* 售货员卖书。我们这样描述售货员的卖书过程。
*
* @param book Book
*/
private void sellBook(Book book) {
//从开始售书-到售书完成，使用synchronized (book)保证book不被其他售货员售出
synchronized (book) {
if (book.isSold()) {
return;
} else {
try {
//为了让各线程有执行机会，设置平均售书时间为0.5秒
Thread.sleep(500);
} catch (Exception e) {
}

//设置已售标志
book.setSold(true);
//打印该书已售信息
System.out.println("[" + saleMan + "]" + book.getName() + " sold out:"
+ book.isSold() + ". by "
+ Thread.currentThread().getName());

}
}
}
}

import java.util.List;

public class SellBookThread extends Thread {
private String saleMan;
private List<Book> bookList;

public SellBookThread(String saleMan, List<Book> bookList) {
this.saleMan = saleMan;
this.bookList = bookList;
}

public void run() {
for (int i = 0; i < bookList.size(); i++) {
Book book = bookList.get(i);
sellBook(book);
}
}

/**
* 售货员卖书。我们这样描述售货员的卖书过程。
*
* @param book Book
*/
private void sellBook(Book book) {
//从开始售书-到售书完成，使用synchronized (book)保证book不被其他售货员售出
synchronized (book) {
if (book.isSold()) {
return;
} else {
try {
//为了让各线程有执行机会，设置平均售书时间为0.5秒
Thread.sleep(500);
} catch (Exception e) {
}

//设置已售标志
book.setSold(true);
//打印该书已售信息
System.out.println("[" + saleMan + "]" + book.getName() + " sold out:"
+ book.isSold() + ". by "
+ Thread.currentThread().getName());

}
}
}
}

[/code]

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

//该类调用SellBookXxx类
public class CallSellBook {

/**
* 用线程模拟这个售书的过程
*/
public static void main(String[] args) {
//方法1：
callSellBookThread();

//or

//方法2：
//callSellBookRunnable();
}

//调用SellBookRunnable（Runnable接口实现类）模拟售书过程
public static void callSellBookThread() {
List <Book>bookList = getBookListForSale();

//将预售书籍清单交给售货员SaleMan1
Thread t1 = new SellBookThread("SaleMan1", bookList);
//将预售书籍清单交给售货员SaleMan2
Thread t2 = new SellBookThread("SaleMan2", bookList);

//售货员SaleMan1开始售书
t1.start();
//售货员SaleMan2开始售书
t2.start();
}

//调用SellBookRunnable（Runnable接口实现类）模拟售书过程
public static void callSellBookRunnable() {
List <Book>bookList = getBookListForSale();

//将预售书籍清单交给售货员SaleMan1
Thread t1 = new Thread(new SellBookRunnable("SaleMan1", bookList));
//将预售书籍清单交给售货员SaleMan2
Thread t2 = new Thread(new SellBookRunnable("SaleMan2", bookList));

//售货员SaleMan1开始售书
t1.start();
//售货员SaleMan2开始售书
t2.start();
}

//准备预售书籍
public static List<Book> getBookListForSale() {
List <Book>bookList = new ArrayList();
for (int i = 0; i < 20; i++) {
Book book = new Book("Book" + i);
bookList.add(book);
}

return bookList;
}
}

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

//该类调用SellBookXxx类
public class CallSellBook {

/**
* 用线程模拟这个售书的过程
*/
public static void main(String[] args) {
//方法1：
callSellBookThread();

//or

//方法2：
//callSellBookRunnable();
}

//调用SellBookRunnable（Runnable接口实现类）模拟售书过程
public static void callSellBookThread() {
List <Book>bookList = getBookListForSale();

//将预售书籍清单交给售货员SaleMan1
Thread t1 = new SellBookThread("SaleMan1", bookList);
//将预售书籍清单交给售货员SaleMan2
Thread t2 = new SellBookThread("SaleMan2", bookList);

//售货员SaleMan1开始售书
t1.start();
//售货员SaleMan2开始售书
t2.start();
}

//调用SellBookRunnable（Runnable接口实现类）模拟售书过程
public static void callSellBookRunnable() {
List <Book>bookList = getBookListForSale();

//将预售书籍清单交给售货员SaleMan1
Thread t1 = new Thread(new SellBookRunnable("SaleMan1", bookList));
//将预售书籍清单交给售货员SaleMan2
Thread t2 = new Thread(new SellBookRunnable("SaleMan2", bookList));

//售货员SaleMan1开始售书
t1.start();
//售货员SaleMan2开始售书
t2.start();
}

//准备预售书籍
public static List<Book> getBookListForSale() {
List <Book>bookList = new ArrayList();
for (int i = 0; i < 20; i++) {
Book book = new Book("Book" + i);
bookList.add(book);
}

return bookList;
}
}

[/code]

执行CallSellBook
[SaleMan1]Book0 sold out:true. by Thread-0
[SaleMan2]Book1 sold out:true. by Thread-1
[SaleMan2]Book2 sold out:true. by Thread-1
[SaleMan2]Book3 sold out:true. by Thread-1
[SaleMan2]Book4 sold out:true. by Thread-1
[SaleMan2]Book5 sold out:true. by Thread-1
[SaleMan1]Book6 sold out:true. by Thread-0
[SaleMan1]Book7 sold out:true. by Thread-0
[SaleMan1]Book8 sold out:true. by Thread-0
[SaleMan1]Book9 sold out:true. by Thread-0
[SaleMan1]Book10 sold out:true. by Thread-0
[SaleMan1]Book11 sold out:true. by Thread-0
[SaleMan2]Book12 sold out:true. by Thread-1
[SaleMan2]Book13 sold out:true. by Thread-1
[SaleMan2]Book14 sold out:true. by Thread-1
[SaleMan2]Book15 sold out:true. by Thread-1
[SaleMan2]Book16 sold out:true. by Thread-1
[SaleMan2]Book17 sold out:true. by Thread-1
[SaleMan1]Book18 sold out:true. by Thread-0
[SaleMan1]Book19 sold out:true. by Thread-0