Java基础知识 -- 多线程

多线程的概念

线程是指一个任务从头到尾的执行流，线程提供了一个运行的机制。

在Java中，一个程序中可以并发的启动多个线程，这也就意味着线程可以在多处理器系统上同一时刻运行。

多线程可以使程序反应更快，执行效率更高。

多线程编程

以上介绍的概念可能还不够清晰的解释什么是多线程，没关系，我们举一个例子看一下。当然，如果我们想要创建一个多线程程序，那么首先我们应该提供多个任务供我们去执行，想要创建一个这样的任务，我们需要实现 Runnable 接口,打开Runnable 源码如下

public interface Runnable {
public abstract void run();
}

很简单，其中只是包含了一个 run() 的抽象方法，只要我们在子类中去实现它就可以了。

创建一个打印 “ I am task a！” 的任务

public class A implements Runnable{

@Override
public void run() {
System.out.println("I am task a !");
}

}

基于同样的原理，实现一个打印 “ I am task b !” 和一个 “I am task c !”的方法，代码同上。然后在主函数中去开启线程，实现打印任务。

主函数实现如下：

public class Main {
public static void main(String[] args){
int i = 0;
while(50 >= i){

Thread threadA = new Thread(new A());
Thread threadB = new Thread(new B());
Thread threadC = new Thread(new C());

threadA.start();
threadB.start();
threadC.start();

i++;
}
}

}

在主函数中我们开启了这三个线程，去实现打印任务，按照我们平常的理解，该程序肯定是依次执行A,B,C任务，但是打印结果却是：

I am task b !
I am task c !
I am task a !
I am task c !
I am task a !
I am task b !
I am task b !
I am task a !
I am task c !
I am task b !

怎么样，看到这里，你应该知道什么是多线程了，但是你肯定又有一个疑问，难道我们每次开线程都要去new Thread() 吗？

当然不是，这种方法对于执行单个任务而言确实很方便，但是当我们大量的任务时，这种方法显然是十分繁琐的，而且会降低性能，所以我们要引出另一个概念，也就是线程池。

3 . 线程池

Java 提供了 Executor 接口来执行线程池中的任务，提供ExecutorServive接口来管理和控制任务。下面我们来看看Executor 和 ExecutorService 这两个接口。

public interface Executor {
void execute(Runnable command);
}

可见，Executor接口只是提供了一个 execute() 方法，通过其函数，我们应该可以得出这个方法是我们执行任务时使用的一个函数，类似于 Thread 类中的 start() 方法。

public interface ExecutorService extends Executor {
void shutdown(); //关闭执行器，但是允许完成当前任务。一旦关闭，无法再接收新的任务
List<Runnable> shutdownNow(); //强制关闭执行器，就算当前线程池中存在尚未完成的任务，仍然立即关闭

boolean isShutdown();//如果执行器已经关闭，则返回 true
boolean isTerminated(); //如果线程池中的任务都被终止，则返回true
｝

当然，ExecutorService中还包含其他方法，以上列出的只是几个常用的方法，可以看到，ExecutorService 是继承 Executor 接口的，但是这些都只是接口，并没有提供具体的实现方法，我们该如何利用线程池开启我们的任务呢？当然，还存在一个 Executors 类，这个类中实现了创建线程池的方法，主要有两种方式

//创建一个线程池，该线程池可并发执行的线程数固定不变。
+ newFixedThreadPool(numberOfThreads : int) : ExecutorService

//创建一个线程池，可以按需要创建新线程，也即线程数可变

+ newCachedThreadPool():ExecutorService

下面我就用线程池的方法，实现A,B,C任务。

public class Main {
public static void main(String[] args){
int i = 0;
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
while(10 > i){

executor.execute(new A());
executor.execute(new B());
executor.execute(new C());
executor.shutdown();
i++;
}
}

}

学过计算机组成原理的人可能知道指令流水线设计，影响流水线性能的有三大原因，其中有一点就是数据相关，也就是由于重叠操作，改变了对操作数读写的访问顺序，从而导致了数据相关冲突。在多线程里面，会不会发生这种情况呢？ 答案是肯定的，下面我们来举一个例子：

设计一个IPhoneShop 类

public class IPhoneShop {

private static int number = 3;
public static void sellIPhone(){
if(0 < number){

try {
Thread.sleep(5);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
number --;
System.out.println("Sell a IPhone !");
} else {
System.out.println("Sell out !");
}
}
}

类的设计十分简单，初始化店内只有3台IPhone，如果卖出去一部，就打印卖出一部IPhone，如IPhone数量为0，则打印已经卖完了，在sellIPhone()方法中，我设置了线程睡眠 5 毫秒，是为了增大差异，更明显的看出线程的竞争状态。

这时的主函数为

public class Main {
public static IPhoneShop mShop = new IPhoneShop();
public static void main(String[] args){
int i = 1;
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(100);
while(100 >= i){
executor.execute(new A());
i++;
}

executor.shutdown();
}

}

A类

public class A implements Runnable{

@Override
public void run() {
Main.mShop.sellIPhone();
}

}

执行之后你会发现有意思的事情

I got a IPhone !
I got a IPhone !
Sell out !
I got a IPhone !
I got a IPhone !
I got a IPhone !
I got a IPhone !
I got a IPhone !
Sell out !
Sell out !
Sell out !
I got a IPhone !
I got a IPhone !
I got a IPhone !
I got a IPhone !
I got a IPhone !

这里只是粘贴了部分结果，显然，已经超出了IPhone的数量，这时为什么呢？当一个线程通过 sellIPhone() 的 if 判断时，我们设置了线程睡眠，这个时候，IPhone的数量并没有减少，而另一个线程又进来了，这个时候 if 判断也就失去了其意义，因为在number数量还未来得及减少的时候，很多子线程已经通过了if判断。

为了解决这个问题，Java 引入了 synchronized 关键字，这个关键字用于同步线程，以便一次只有一个线程能够访问这个方法。也就是说，当一个线程进入这个方法后，这个方法便被加了锁，别的线程只能够选择等待，直到前一个进入的线程执行完为止，这样就解决了线程间的竞争问题。

public static synchronized void sellIPhone()

只需要这样更改，便不会出现以上问题了，这也是synchronized 关键字的简单用法。但是synchronized 是隐式加锁，具体实现我们并看不到，那么有没有一种方法，能够显式给方法加锁呢？

4.使用 Lock 加锁同步

首先来介绍一下Lock 接口，看看定义

public interface Lock {

void lock();

void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition()
｝

我们主要能够用到 lock() , unlock(), newCondition()三个方法，顾名思义，lock() 用于加锁， unlock() 用于解锁, newCondition() 返回绑定到Lock实例的新的Condition 实例。下面就让我们使用Lock方法来进行方法的显式加锁。

public class IPhoneShop {

private static int number = 3;
private static Lock mLock = new ReentrantLock();

public static void sellIPhone(){
mLock.lock();
if(0 < number){

try {
Thread.sleep(5);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();
}
number --;
System.out.println("I got a IPhone !");

} else {
System.out.println("Sell out !");
}

mLock.unlock();

}
}

这样也就实现了和synchronized一样的效果，这样也显得更加灵活和直观。

想象一下刚才卖IPhone 的场景，如果在卖的同时，又进了新货，可不可以让那么没有没到IPhone的用户先等待一下，等到进新货时，由店家通知所有没有买到IPhone的用户，我们又进了新货，你们可以来买了。

这就涉及到了线程间的协作问题，还记得Lock 接口中的那个 newCondition() 方法吗？Condition接口中存在三个重要的方法，也就是await() , signal() , signalAll() 方法。await() 方法可以让当前线程都处于等待状态，signal() 方法可以唤醒一个等待的线程，signalAll() 方法可以唤醒所有的等待线程.

public class IPhoneShop {

private static int number = 3;
private static Lock mLock = new ReentrantLock();
private static Condition newCondition = mLock.newCondition();

public static void sellIPhone(){
mLock.lock();
if(0 < number){
number --;
System.out.println("I got a IPhone !");

} else {
System.out.println("Sell out !");
try {
newCondition.await();
} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();
}
}

mLock.unlock();

}

public static void getIPhone(){
mLock.lock();
number += 3;
newCondition.signalAll();
mLock.unlock();
}
}

这样，当IPhone售完后，所有线程将进入等待阶段，直到再次进货，newCondition 唤醒所有的等待线程，再次进入销售环节。这样就实现了使用Condition线程间的协作。

5.信号量

信号量可以用于限制访问共享资源的线程数，在访问资源前，必须获得信号的许可，所以，使用这种方法，也可以达到给方法加锁的目的，其效果和synchronized关键字和Lock是类似的。

使用信号量的方法为

Semaphore mSemaphore = new Semaphore(numberOfPermits:int);
或者
Semaphore mSemaphore = new Semaphore(Permits:int,fairs:boolean);//可以创建一种具有公平策略的信号量，所谓公平策略也就是说等待时间最长的线程获得方法的使用权

Semaphore 类中有两个重要方法，acquire() 和 release() 两个方法，第一个方法表示这个线程已经获得了方法的使用权，如果获得使用权的线程数等于指定的数，那么其他线程将不能再获得方法的使用权。release() 用于线程释放使用权。

具体使用如下

Semaphore mSemaphore = new Semaphore(2);

public void method(){
try {
mSemaphore.acquire();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally{
mSemaphore.release();
}
}