进程与线程
1 进程
1.1 进程的概念
进程就是正在运行的程序,它会占用对应的内存区域，由CPU进行执行与计算。
1.2 进程的特点
- 独立性
进程是系统中独立存在的实体,它可以拥有自己独立的资源,每个进程都拥有自己私有的地址空间,在没有经过进程本身允许的情况下,一个用户进程不可以直接访问其他进程的地址空间 - 动态性
进程与程序的区别在于,程序只是一个静态的指令集合,而进程是一个正在系统中活动的指令集合,程序加入了时间的概念以后,称为进程,具有自己的生命周期和各种不同的状态,这些概念都是程序所不具备的. - 并发性
多个进程可以在单个处理器CPU上并发执行,多个进程之间不会互相影响.
2 线程
2.1 线程的概念
线程是操作系统OS能够进行运算调度的最小单位,它被包含在进程之中,是进程中的实际运作单位.
一个进程可以开启多个线程,其中有一个主线程来调用本进程中的其他线程。
我们看到的进程的切换，切换的也是不同进程的主线程
多线程可以让同一个进程同时并发处理多个任务，相当于扩展了进程的功能。
2.2 进程与线程的关系
一个操作系统中可以有多个进程,一个进程中可以包含一个线程(单线程程序),也可以包含多个线程(多线程程序)
每个线程在共享同一个进程中的内存的同时,又有自己独立的内存空间.
所以想使用线程技术,得先有进程,进程的创建是OS操作系统来创建的,一般都是C或者C++完成
3 多线程的特性
3.1 随机性
我们宏观上觉得多个进程是同时运行的,但实际的微观层面上，一个CPU【单核】只能执行一个进程中的一个线程。
那为什么看起来像是多个进程同时执行呢？
是因为CPU以纳秒级别甚至是更快的速度高效切换着，超过了人的反应速度，这使得各个进程从看起来是同时进行的,也就是说,宏观层面上,所有的进程看似并行【同时运行】,但是微观层面上是串行的【同一时刻,一个CPU只能处理一件事】。
串行与并行
串行是指同一时刻一个CPU只能处理一件事，类似于单车道
并行是指同一时刻多个CPU可以处理多件事，类似于多车道
3.2 CPU分时调度
时间片,即CPU分配给各个线程的一个时间段,称作它的时间片,即该线程被允许运行的时间，如果在时间片用完时线程还在执行,那CPU将被剥夺并分配给另一个线程,将当前线程挂起,如果线程在时间片用完之前阻塞或结束,则CPU当即进行切换,从而避免CPU资源浪费,当再次切换到之前挂起的线程,恢复现场,继续执行。
注意:我们无法控制OS选择执行哪些线程,OS底层有自己规则,如:
- FCFS(First Come First Service 先来先服务算法)
- SJS(Short Job Service短服务算法)
3.3 线程的状态
由于线程状态比较复杂,我们由易到难,先学习线程的三种基础状态及其转换,简称”三态模型” :
- 就绪(可运行)状态：线程已经准备好运行，只要获得CPU，就可立即执行
- 执行(运行)状态：线程已经获得CPU，其程序正在运行的状态
- 阻塞状态：正在运行的线程由于某些事件（I/O请求等）暂时无法执行的状态，即线程执行阻塞
就绪 → 执行:为就绪线程分配CPU即可变为执行状态"
执行 → 就绪:正在执行的线程由于时间片用完被剥夺CPU暂停执行,就变为就绪状态
执行 → 阻塞:由于发生某事件,使正在执行的线程受阻,无法执行,则由执行变为阻塞
(例如线程正在访问临界资源,而资源正在被其他线程访问)
反之,如果获得了之前需要的资源,则由阻塞变为就绪状态,等待分配CPU再次执行
我们可以再添加两种状态:
- 创建状态:线程的创建比较复杂,需要先申请PCB,然后为该线程运行分配必须的资源,并将该线程转为就绪状态插入到就绪队列中
- 终止状态:等待OS进行善后处理,最后将PCB清零,并将PCB返回给系统
PCB(Process Control Block):为了保证参与并发执行的每个线程都能独立运行,OS配置了特有的数据结构PCB来描述线程的基本情况和活动过程,进而控制和管理线程
3.4 线程状态与代码对照
线程生命周期,主要有五种状态:
- 新建状态(New) : 当线程对象创建后就进入了新建状态.如:Thread t = new MyThread();
- 就绪状态(Runnable):当调用线程对象的start()方法,线程即为进入就绪状态.
处于就绪(可运行)状态的线程,只是说明线程已经做好准备,随时等待CPU调度执行,并不是执行了t.start()此线程立即就会执行 - 运行状态(Running):当CPU调度了处于就绪状态的线程时,此线程才是真正的执行,即进入到运行状态
就绪状态是进入运行状态的唯一入口,也就是线程想要进入运行状态状态执行,先得处于就绪状态 - 阻塞状态(Blocked):处于运状态中的线程由于某种原因,暂时放弃对CPU的使用权,停止执行,此时进入阻塞状态,直到其进入就绪状态才有机会被CPU选中再次执行.
根据阻塞状态产生的原因不同,阻塞状态又可以细分成三种:
等待阻塞:运行状态中的线程执行wait()方法,本线程进入到等待阻塞状态
同步阻塞:线程在获取synchronized同步锁失败(因为锁被其他线程占用),它会进入同步阻塞状态
其他阻塞:调用线程的sleep()或者join()或发出了I/O请求时,线程会进入到阻塞状态.当sleep()状态超时.join()等待线程终止或者超时或者I/O处理完毕时线程重新转入就绪状态 - 死亡状态(Dead):线程执行完了或者因异常退出了run()方法,该线程结束生命周期
4 多线程代码创建方式1:继承Thread
4.1 概述
Thread类本质上是实现了Runnable接口的一个实例,代表一个线程的实例
启动线程的唯一方法就是通过Thread类的start()实例方法
start()方法是一native方法,它将通知底层操作系统,.最终由操作系统启动一个新线程,操作系统将执行run()
这种方式实现的多线程很简单,通过自己的类直接extends Thread,并重写run()方法,就可以自动启动新线程并执行自己定义的run()方法
模拟开启多个线程,每个线程调用run()方法.
4.2 常用方法
构造方法
Thread() 分配新的Thread对象
Thread(String name) 分配新的Thread对象
Thread(Runnable target) 分配新的Thread对象
Thread(Runnable target,String name) 分配新的Thread对象
普通方法
static Thread currentThread( )
返回对当前正在执行的线程对象的引用
long getId()
返回该线程的标识
String getName()
返回该线程的名称
void run()
如果该线程是使用独立的 Runnable 运行对象构造的，则调用该 Runnable 对象的 run 方法
static void sleep(long millions)
在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠(暂停执行)
void start()
使该线程开始执行:Java虚拟机调用该线程的run()
4.3 测试多线程的创建方式1
创建包: cn.tedu.thread
创建类: TestThread1.java
package cn.tedu.thread;
/*本类用于多线程编程实现方案一：继承Thread类来完成*/
public class TestThread1 {
public static void main(String[] args) {
//4.创建线程对象进行测试
/*4.new对应的是线程的新建状态
* 5.要想模拟多线程，至少得启动2个线程，如果只启动1个，是单线程程序*/
MyThread t1 = new MyThread();
MyThread t2 = new MyThread();
MyThread t3 = new MyThread();
MyThread t4 = new MyThread();
/*6.这个run()如果直接这样调用，是没有多线程抢占执行的效果的
* 只是把这两句话看作普通方法的调用，谁先写，就先执行谁*/
//t1.run();
//t2.run();
/*7.start()对应的状态就是就绪状态，会把刚刚新建好的线程加入到就绪队列之中
* 至于什么时候执行，就是多线程执行的效果，需要等待OS选中分配CPU
* 8.执行的时候start()底层会自动调用我们重写的run()种的业务
* 9.线程的执行具有随机性，也就是说t1-t4具体怎么执行
* 取决于CPU的调度时间片的分配，我们是决定不了的*/
t1.start();//以多线程的方式启动线程1，将当前线程变为就绪状态
t2.start();//以多线程的方式启动线程2，将当前线程变为就绪状态
t3.start();//以多线程的方式启动线程3，将当前线程变为就绪状态
t4.start();//以多线程的方式启动线程4，将当前线程变为就绪状态
}
}
//1.自定义一个多线程类，然后让这个类继承Thread
class MyThread extends Thread{
/*1.多线程编程实现的方案1：通过继承Thread类并重写run()来完成的 */
//2.重写run(),run()里是我们自己的业务
@Override
public void run() {
/*2.super.run()表示的是调用父类的业务，我们现在要用自己的业务，所以注释掉*/
//super.run();
//3.完成业务：打印10次当前正在执行的线程的名称
for (int i = 0; i < 10; i++) {
/*3.getName()表示可以获取当前正在执行的线程名称
* 由于本类继承了Thread类，所以可以直接使用这个方法*/
System.out.println(i+"="+getName());
}
}
}
5 多线程代码创建方式2:实现Runnable接口
5.1 概述
如果自己的类已经extends另一个类,就无法多继承,此时,可以实现一个Runnable接口
5.2 常用方法
void run()使用实现接口Runnable的对象创建线程时,启动该线程将导致在独立执行的线程中调用对象的run()方法
5.3 练习2：测试多线程的创建方式2
创建包: cn.tedu.thread
创建类: Thread2.java
package cn.tedu.thread;
/*本类用于多线程编程实现方案二：实现Runnable接口来完成*/
public class TestThread2 {
public static void main(String[] args) {
//5.创建自定义类的对象--目标业务类对象
MyRunnable target = new MyRunnable();
//6.如何启动线程？自己没有，需要与Thread建立关系
Thread t1 = new Thread(target);
Thread t2 = new Thread(target);
Thread t3 = new Thread(target);
Thread t4 = new Thread(target);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t4.start();
}
}
//1.自定义多线程类
class MyRunnable implements Runnable{
//2.添加父接口中的抽象方法run(),里面是自己的业务
@Override
public void run() {
//3.写业务，打印10次当前正在执行的线程名称
for (int i = 0; i < 10; i++) {
/*问题：自定义类与父接口Runnable中都没有获取名字的方法
* 所以还需要从Thread中找：
* currentThread():静态方法，获取当前正在执行的线程对象
* getName():获取当前线程的名称*/
System.out.println(i+"="+Thread.currentThread().getName());
}
}
}
5.4 两种实现方式的比较
- 继承Thread类
优点: 编写简单,如果需要访问当前线程,无需使用Thread.currentThread()方法,直接使用this即可获得当前线程
缺点: 自定义的线程类已继承了Thread类,所以后续无法再继承其他的类 - 实现Runnable接口
优点: 自定义的线程类只是实现了Runnable接口或Callable接口,后续还可以继承其他类,在这种方式下,多个线程可以共享同一个target对象,所以非常适合多个相同线程来处理同一份资源的情况,从而可以将CPU、代码、还有数据分开(解耦),形成清晰的模型,较好地体现了面向对象的思想
缺点: 编程稍微复杂,如想访问当前线程,则需使用Thread.currentThread()方法
6 售票案例
需求:设计4个售票窗口，总计售票100张。用多线程的程序设计并写出代码
6.1 方案1：继承Thread
创建包: cn.tedu.tickets
创建类: TestThread.java
package cn.tedu.tickets;
/*需求：设计多线程编程模型，4个窗口共计售票100张
* 本方案使用多线程编程方案1，继承Thread类的方式来完成*/
public class TestThread {
public static void main(String[] args) {
//5.创建多个线程对象
TicketThread t1 = new TicketThread();
TicketThread t2 = new TicketThread();
TicketThread t3 = new TicketThread();
TicketThread t4 = new TicketThread();
//6.以多线程的方式启动
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t4.start();
}
}
//1.自定义多线程售票类，继承Thread
class TicketThread extends Thread{
//3.定义变量，保存要售卖的票数
/*问题：4个线程对象共计售票400张，原因是创建了4次对象，各自操作各自的成员变量
* 解决：让所有对象共享同一个数据，票数需要设置为静态*/
static int tickets = 100;
//2.重写父类的run(),里面是我们的业务
@Override
public void run() {
//4.1循环卖票
while(true){
try {
//7.让每个线程经历休眠，增加线程状态切换的频率与出错的概率
//问题1：产生了重卖的现象：同一张票卖了多个人
//问题2：产生了超卖的现象：超出了规定的票数100，出现了0 -1 -2这样的票
Thread.sleep(10);//让当前线程休眠10ms
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//4.2打印当前正在卖票的线程名称，并且票数-1
System.out.println(getName()+"="+tickets--);
//4.3做判断，如果没有票了，就退出死循环
if(tickets <= 0) break;//注意，死循环一定要设置出口
}
}
}
6.2 方案2：实现Runnable
创建包: cn.tedu.tickets
创建类: TestRunnable.java
package cn.tedu.tickets;
/*需求：设计多线程编程模型，4个窗口共计售票100张
* 本方案使用多线程编程方案2，实现Runnable接口的方式来完成*/
public class TestRunnable {
public static void main(String[] args) {
//5.创建Runnable接口的实现类对象，作为目标业务对象
TicketRunnable target = new TicketRunnable();
//6.创建多个Thread类线程对象，并将target业务对象交给多个线程对象来处理
Thread t1 = new Thread(target);
Thread t2 = new Thread(target);
Thread t3 = new Thread(target);
Thread t4 = new Thread(target);
//7.以多线程的方式启动多个线程对象
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t4.start();
}
}
//1.自定义多线程类实现Runnable接口
class TicketRunnable implements Runnable{
//3.定义一个成员变量，用来保存票数100
/*由于自定义类对象只创建了一次，所以票数被所有线程对象Thread类的对象共享*/
int tickets = 100;
//2.添加接口中未实现的方法，方法里是我们的业务
@Override
public void run() {
//4.1循环卖票
while(true){
//8.让线程休眠10ms,增加线程状态切换的概率和出错的概率
try {
Thread.sleep(10);//让当前线程休眠10ms
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//4.2打印当前正在售票的线程名称 & 票数-1
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"="+tickets--);
//4.3设置死循环的出口，没票了就停止卖票
if(tickets <=0 ) break;
}
}
}
6.3 问题
- 每次创建线程对象，都会生成一个tickets变量值是100，创建4次对象就生成了400张票了。不符合需求，怎么解决呢？能不能把tickets变量在每个对象间共享，就保证多少个对象都是卖这100张票。
解决方案: 用静态修饰 - 产生超卖，0 张 、-1张、-2张。
- 产生重卖，同一张票卖给多人。
- 多线程安全问题是如何出现的？常见情况是由于线程的随机性+访问延迟。
- 以后如何判断程序有没有线程安全问题？
在多线程程序中 + 有共享数据 + 多条语句操作共享数据
解决方案:下一节 同步锁点这里
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