第十八章 多執行緒

18.1 基本概念

18.1.1 程式和程序的概念

• 程式 - 資料結構 + 演算法，主要指存放在硬碟上的可執行檔案。
• 程序 - 主要指執行在記憶體中的可執行檔案。
• 目前主流的作業系統都支援多程序，為了讓作業系統同時可以執行多個任務，但程序是重量級的，也就是新建一個程序會消耗CPU和記憶體空間等系統資源，因此程序的數量比較侷限。

18.1.2 執行緒的概念

• 為了解決上述問題就提出執行緒的概念，執行緒就是程序內部的程式流，也就是說作業系統內部支援多程序的，而每個程序的內部又是支援多執行緒的，執行緒是輕量的，新建執行緒會共享所在程序的系統資源，因此目前主流的開發都是採用多執行緒。
• 多執行緒是採用時間片輪轉法來保證多個執行緒的併發執行，所謂併發就是指巨集觀並行微觀序列的機制。

18.2 執行緒的建立（重中之重）

18.2.1 Thread類的概念

• java.lang.Thread類代表執行緒，任何執行緒物件都是Thread類（子類）的例項。
• Thread類是執行緒的模板，封裝了複雜的執行緒開啟等操作，封裝了作業系統的差異性。

18.2.2 建立方式

• 自定義類繼承Thread類並重寫run方法，然後建立該類的物件呼叫start方法。
• 自定義類實現Runnable介面並重寫run方法，建立該類的物件作為實參來構造Thread型別的物件，然後使用Thread型別的物件呼叫start方法。

18.2.3 相關的方法

18.2.4 執行流程

• 執行main方法的執行緒叫做主執行緒，執行run方法的執行緒叫做新執行緒/子執行緒。
• main方法是程式的入口，對於start方法之前的程式碼來說，由主執行緒執行一次，當start方法呼叫成功後執行緒的個數由1個變成了2個，新啟動的執行緒去執行run方法的程式碼，主執行緒繼續向下執行，兩個執行緒各自獨立執行互不影響。
• 當run方法執行完畢後子執行緒結束，當main方法執行完畢後主執行緒結束。
• 兩個執行緒執行沒有明確的先後執行次序，由作業系統排程演算法來決定。

18.2.5 方式的比較

• 繼承Thread類的方式程式碼簡單，但是若該類繼承Thread類後則無法繼承其它類，而實現
• Runnable介面的方式程式碼複雜，但不影響該類繼承其它類以及實現其它介面，因此以後的開發中推薦使用第二種方式。

18.2.6 匿名內部類的方式

• 使用匿名內部類的方式來建立和啟動執行緒。

18.3 執行緒的生命週期（熟悉）

• 新建狀態 - 使用new關鍵字建立之後進入的狀態，此時執行緒並沒有開始執行。
• 就緒狀態 - 呼叫start方法後進入的狀態，此時執行緒還是沒有開始執行。
• 執行狀態 - 使用執行緒排程器呼叫該執行緒後進入的狀態，此時執行緒開始執行，當執行緒的時間片執行完畢後任務沒有完成時回到就緒狀態。
• 消亡狀態 - 當執行緒的任務執行完成後進入的狀態，此時執行緒已經終止。
• 阻塞狀態 - 當執行緒執行的過程中發生了阻塞事件進入的狀態，如：sleep方法。阻塞狀態解除後進入就緒狀態。

18.4 執行緒的編號和名稱（熟悉）

• 案例題目
  • 自定義類繼承Thread類並重寫run方法，在run方法中先列印當前執行緒的編號和名稱，然後將執行緒的名稱修改為"zhangfei"後再次列印編號和名稱。要求在main方法中也要列印主執行緒的編號和名稱。

18.5 常用的方法（重點）

• 案例題目
  • 程式設計建立兩個執行緒，執行緒一負責列印1 ~ 100之間的所有奇數，其中執行緒二負責列印1 ~ 100之間的所有偶數。
  • 在main方法啟動上述兩個執行緒同時執行,主執行緒等待兩個執行緒終止。

18.6 執行緒同步機制（重點）

18.6.1 基本概念

• 當多個執行緒同時訪問同一種共享資源時，可能會造成資料的覆蓋等不一致性問題，此時就需要對執行緒之間進行通訊和協調，該機制就叫做執行緒的同步機制。
• 多個執行緒併發讀寫同一個臨界資源時會發生執行緒併發安全問題。
• 非同步操作:多執行緒併發的操作，各自獨立執行。
• 同步操作:多執行緒序列的操作，先後執行的順序。

18.6.2 解決方案

• 由程式結果可知：當兩個執行緒同時對同一個賬戶進行取款時，導致最終的賬戶餘額不合理。
• 引發原因：執行緒一執行取款時還沒來得及將取款後的餘額寫入後臺，執行緒二就已經開始取款。
• 解決方案：讓執行緒一執行完畢取款操作後，再讓執行緒二執行即可，將執行緒的併發操作改為序列操作。
• 經驗分享：在以後的開發儘量減少序列操作的範圍，從而提高效率。

18.6.3 實現方式

• 在Java語言中使用synchronized關鍵字來實現同步/物件鎖機制從而保證執行緒執行的原子性，具體方式如下：
• 使用同步程式碼塊的方式實現部分程式碼的鎖定，格式如下：
  • synchronized(類型別的引用) {
    • 編寫所有需要鎖定的程式碼；
  • }
• 使用同步方法的方式實現所有程式碼的鎖定。
  • 直接使用synchronized關鍵字來修飾整個方法即可
  • 該方式等價於:
    • synchronized(this) { 整個方法體的程式碼 }

18.6.4 靜態方法的鎖定

• 當我們對一個靜態方法加鎖，如:
  • public synchronized static void xxx(){….}
• 那麼該方法鎖的物件是類物件。每個類都有唯一的一個類物件。獲取類物件的方式:類名.class。
• 靜態方法與非靜態方法同時使用了synchronized後它們之間是非互斥關係的。
• 原因在於：靜態方法鎖的是類物件而非靜態方法鎖的是當前方法所屬物件。

18.6.5 注意事項

• 使用synchronized保證執行緒同步應當注意:
  • 多個需要同步的執行緒在訪問同步塊時，看到的應該是同一個鎖物件引用。
  • 在使用同步塊時應當儘量減少同步範圍以提高併發的執行效率。

18.6.6 執行緒安全類和不安全類

• StringBuffer類是執行緒安全的類，但StringBuilder類不是執行緒安全的類。
• Vector類和 Hashtable類是執行緒安全的類，但ArrayList類和HashMap類不是執行緒安全的類。
• Collections.synchronizedList() 和 Collections.synchronizedMap()等方法實現安全。

18.6.7 死鎖的概念

• 執行緒一執行的程式碼：
  • public void run(){
    • synchronized(a){ //持有物件鎖a，等待物件鎖b
      • synchronized(b){
        • 編寫鎖定的程式碼;
      • }
    • }
  • }
• 執行緒二執行的程式碼：
  • public void run(){
    • synchronized(b){ //持有物件鎖b，等待物件鎖a
      • synchronized(a){
        • 編寫鎖定的程式碼;
      • }
    • }
  • }
• 注意：
  • 在以後的開發中儘量減少同步的資源，減少同步程式碼塊的巢狀結構的使用！

18.6.8 使用Lock（鎖）實現執行緒同步

（1）基本概念

• 從Java5開始提供了更強大的執行緒同步機制—使用顯式定義的同步鎖物件來實現。
• java.util.concurrent.locks.Lock介面是控制多個執行緒對共享資源進行訪問的工具。
• 該介面的主要實現類是ReentrantLock類，該類擁有與synchronized相同的併發性，在以後的執行緒安全控制中，經常使用ReentrantLock類顯式加鎖和釋放鎖。

（2）常用的方法

（3）與synchronized方式的比較

• Lock是顯式鎖，需要手動實現開啟和關閉操作，而synchronized是隱式鎖，執行鎖定程式碼後自動釋放。
• Lock只有同步程式碼塊方式的鎖，而synchronized有同步程式碼塊方式和同步方法兩種鎖。
• 使用Lock鎖方式時，Java虛擬機器將花費較少的時間來排程執行緒，因此效能更好。

18.6.9 Object類常用的方法

18.6.10 執行緒池（熟悉）

（1）實現Callable介面

• 從Java5開始新增加建立執行緒的第三種方式為實現java.util.concurrent.Callable介面。
• 常用的方法如下：

（2）FutureTask類

• java.util.concurrent.FutureTask類用於描述可取消的非同步計算，該類提供了Future介面的基本實現，包括啟動和取消計算、查詢計算是否完成以及檢索計算結果的方法，也可以用於獲取方法呼叫後的返回結果。
• 常用的方法如下：

（3）執行緒池的由來

• 在伺服器程式設計模型的原理，每一個客戶端連線用一個單獨的執行緒為之服務，當與客戶端的會話結束時，執行緒也就結束了，即每來一個客戶端連線，伺服器端就要建立一個新執行緒。
• 如果訪問伺服器的客戶端很多，那麼伺服器要不斷地建立和銷燬執行緒，這將嚴重影響伺服器的效能。

（4）概念和原理

• 執行緒池的概念：首先建立一些執行緒，它們的集合稱為執行緒池，當伺服器接受到一個客戶請求後，就從執行緒池中取出一個空閒的執行緒為之服務，服務完後不關閉該執行緒，而是將該執行緒還回到執行緒池中。
• 線上程池的程式設計模式下，任務是提交給整個執行緒池，而不是直接交給某個執行緒，執行緒池在拿到任務後，它就在內部找有無空閒的執行緒，再把任務交給內部某個空閒的執行緒，任務是提交給整個執行緒池，一個執行緒同時只能執行一個任務，但可以同時向一個執行緒池提交多個任務。

（5）相關類和方法

• 從Java5開始提供了執行緒池的相關類和介面：java.util.concurrent.Executors類和java.util.concurrent.ExecutorService介面。
• 其中Executors是個工具類和執行緒池的工廠類，可以建立並返回不同型別的執行緒池，常用方法如下：
• 其中ExecutorService介面是真正的執行緒池介面，主要實現類是ThreadPoolExecutor，常用方法如下：