大工20秋《java程序设计》辅导资料十二

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Java程序设计辅导资料十二主    题：第七章 多线程的概念、进程和线程（课件）
“不忘初心、牢记使命”主题理论学习：
每周文摘：担使命，就是要牢记我们党肩负的实现中华民族伟大复兴的历史使命，勇于担当负责，积极主动作为，用科学的理念、长远的眼光、务实的作风谋划事业；保持斗争精神，敢于直面风险挑战，知重负重、攻坚克难，以坚忍不拔的意志和无私无畏的勇气战胜前进道路上的一切艰难险阻；在实践历练中增长经验智慧，在经风雨、见世面中壮筋骨、长才干。
摘选自《在“不忘初心、牢记使命”主题教育工作会议上的讲话》
内    容：
我们这周主要学习《Java程序设计》这门课程的第7章关于Java多线程以及进程和线程的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们对Java多线程方面的知识有进一步的了解。
知识要点：
Java线程的概念
Java线程的原理
Java线程的创建与使用
多线程的概念
线程状态的转换
线程同步
锁
重点与难点：
重点：多线程
难点：线程同步、锁的使用Java线程的概念和原理
1、操作系统中线程和进程的概念
现在的操作系统是多任务操作系统。多线程是实现多任务的一种方式。
进程是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有自己独立的一块内存空间，一个进程中可以启动多个线程。比如在Windows系统中，一个运行的exe就是一个进程。
线程是指进程中的一个执行流程，一个进程中可以运行多个线程。比如java.exe进程中可以运行很多线程。线程总是属于某个进程，进程中的多个线程共享进程的内存。
“同时”执行是人的感觉，在线程之间实际上轮换执行。
2、Java中的线程
在Java中，“线程”指两件不同的事情：
java.lang.Thread类的一个实例；
线程的执行。
使用java.lang.Thread类或者java.lang.Runnable接口编写代码来定义、实例化和启动新线程。
一个Thread类实例只是一个对象，像Java中的任何其他对象一样，具有变量和方法，生死于堆上。
Java中，每个线程都有一个调用栈，即使不在程序中创建任何新的线程，线程也在后台运行着。
一个Java应用总是从main()方法开始运行，mian()方法运行在一个线程内，它被称为主线程。
一旦创建一个新的线程，就产生一个新的调用栈。
线程总体分两类：用户线程和守候线程。
当所有用户线程执行完毕的时候，JVM自动关闭。但是守候线程却不独立于JVM，守候线程一般是由操作系统或者用户自己创建的。二、        Java线程的创建与启动
1、定义线程
扩展java.lang.Thread类。
此类中有个run()方法，应该注意其用法：
public 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；否则，该方法不执行任何操作并返回。
Thread 的子类应该重写该方法。
实现java.lang.Runnable接口。
void run()
使用实现接口 Runnable 的对象创建一个线程时，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。
方法 run 的常规协定是，它可能执行任何所需的操作。
2、实例化线程
如果是扩展java.lang.Thread类的线程，则直接new即可。
如果是实现了java.lang.Runnable接口的类，则用Thread的构造方法：
Thread(Runnable target)
Thread(Runnable target, String name)
Thread(ThreadGroup group, Runnable target)
Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name)
Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name, long stackSize)
3、启动线程
在线程的Thread对象上调用start()方法，而不是run()或者别的方法。
在调用start()方法之前：线程处于新状态中，新状态指有一个Thread对象，但还没有一个真正的线程。
在调用start()方法之后：发生了一系列复杂的事情
启动新的执行线程（具有新的调用栈）；
该线程从新状态转移到可运行状态；
当该线程获得机会执行时，其目标run()方法将运行。
注意：对Java来说，run()方法没有任何特别之处。像main()方法一样，它只是新线程知道调用的方法名称(和签名)。因此，在Runnable上或者Thread上调用run方法是合法的。但并不启动新的线程。
例子
实现Runnable接口的多线程例子
/**
* 实现Runnable接口的类
*
*/
public class DoSomething implements Runnable {
    private String name;
    public DoSomething(String name) {
        this.name = name;
    }
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            for (long k = 0; k < 100000000; k++) ;
            System.out.println(name + ": " + i);
        }
    }
}/**
* 测试Runnable类实现的多线程程序
*
*/
public class TestRunnable {
    public static void main(String[] args) {
        DoSomething ds1 = new DoSomething("阿三");
        DoSomething ds2 = new DoSomething("李四");
        Thread t1 = new Thread(ds1);
        Thread t2 = new Thread(ds2);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
执行结果：
李四: 0
阿三: 0
李四: 1
阿三: 1
李四: 2
李四: 3
阿三: 2
李四: 4
阿三: 3
阿三: 4
Process finished with exit code 0三、        线程状态的转换
1、线程状态
线程的状态转换是线程控制的基础。线程状态总的可分为五大状态：分别是
1）、新状态：线程对象已经创建，还没有在其上调用start()方法。
2）、可运行状态：当线程有资格运行，但调度程序还没有把它选定为运行线程时线程所处的状态。当start()方法调用时，线程首先进入可运行状态。在线程运行之后或者从阻塞、等待或睡眠状态回来后，也返回到可运行状态。
3）、运行状态：线程调度程序从可运行池中选择一个线程作为当前线程时线程所处的状态。这也是线程进入运行状态的唯一一种方式。
4）、等待/阻塞/睡眠状态：这是线程有资格运行时它所处的状态。实际上这个三状态组合为一种，其共同点是：线程仍旧是活的，但是当前没有条件运行。换句话说，它是可运行的，但是如果某件事件出现，他可能返回到可运行状态。
5）、死亡态：当线程的run()方法完成时就认为它死去。这个线程对象也许是活的，但是，它已经不是一个单独执行的线程。线程一旦死亡，就不能复生。 如果在一个死去的线程上调用start()方法，会抛出java.lang.IllegalThreadStateException异常。
2、阻止线程执行
睡眠
Thread.sleep(long millis)和Thread.sleep(long millis, int nanos)静态方法强制当前正在执行的线程休眠（暂停执行），以“减慢线程”。当线程睡眠时，它入睡在某个地方，在苏醒之前不会返回到可运行状态。当睡眠时间到期，则返回到可运行状态。
线程睡眠的原因：线程执行太快，或者需要强制进入下一轮，因为Java规范不保证合理的轮换。
睡眠的实现：调用静态方法。
try {
    Thread.sleep(123);
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();  
}
睡眠的位置：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。
线程的优先级和线程让步yield()
线程的让步是通过Thread.yield()来实现的。yield()方法的作用是：暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。
要理解yield()，必须了解线程的优先级的概念。线程总是存在优先级，优先级范围在1~10之间。JVM线程调度程序是基于优先级的抢先调度机制。在大多数情况下，当前运行的线程优先级将大于或等于线程池中任何线程的优先级。但这仅仅是大多数情况。
注意：当设计多线程应用程序的时候，一定不要依赖于线程的优先级。因为线程调度优先级操作是没有保障的，只能把线程优先级作用作为一种提高程序效率的方法，但是要保证程序不依赖这种操作。
当线程池中线程都具有相同的优先级，调度程序的JVM实现自由选择它喜欢的线程。这时候调度程序的操作有两种可能：一是选择一个线程运行，直到它阻塞或者运行完成为止。二是时间分片，为池内的每个线程提供均等的运行机会。
设置线程的优先级：线程默认的优先级是创建它的执行线程的优先级。可以通过setPriority(int newPriority)更改线程的优先级。例如：
Thread t = new MyThread();
t.setPriority(8);
t.start();
线程优先级为1~10之间的正整数，JVM从不会改变一个线程的优先级。然而，1~10之间的值是没有保证的。一些JVM可能不能识别10个不同的值，而将这些优先级进行每两个或多个合并，变成少于10个的优先级，则两个或多个优先级的线程可能被映射为一个优先级。
线程默认优先级是5，Thread类中有三个常量，定义线程优先级范围：
static int MAX_PRIORITY 线程可以具有的最高优先级。
static int MIN_PRIORITY 线程可以具有的最低优先级。
static int NORM_PRIORITY分配给线程的默认优先级。
Thread.yield()方法
Thread.yield()方法作用是：暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程。
yield()应该做的是让当前运行线程回到可运行状态，以允许具有相同优先级的其他线程获得运行机会。因此，使用yield()的目的是让相同优先级的线程之间能适当的轮转执行。但是，实际中无法保证yield()达到让步目的，因为让步的线程还有可能被线程调度程序再次选中。
结论：yield()从未导致线程转到等待/睡眠/阻塞状态。在大多数情况下，yield()将导致线程从运行状态转到可运行状态，但有可能没有效果。
join()方法
Thread的非静态方法join()让一个线程B“加入”到另外一个线程A的尾部。在A执行完毕之前，B不能工作。例如：
Thread t = new MyThread();
t.start();
t.join();
另外，join()方法还有带超时限制的重载版本。 例如t.join(5000);则让线程等待5000毫秒，如果超过这个时间，则停止等待，变为可运行状态。四、        线程的同步与锁
1、同步和锁
锁的原理
Java中每个对象都有一个内置锁
当程序运行到非静态的synchronized同步方法上时，自动获得与正在执行代码类的当前实例（this实例）有关的锁。获得一个对象的锁也称为获取锁、锁定对象、在对象上锁定或在对象上同步。
当程序运行到synchronized同步方法或代码块时才该对象锁才起作用。
一个对象只有一个锁。所以，如果一个线程获得该锁，就没有其他线程可以获得锁，直到第一个线程释放（或返回）锁。这也意味着任何其他线程都不能进入该对象上的synchronized方法或代码块，直到该锁被释放。
释放锁是指持锁线程退出了synchronized同步方法或代码块。
关于锁和同步，有一下几个要点：
1）、只能同步方法，而不能同步变量和类；
2）、每个对象只有一个锁；当提到同步时，应该清楚在什么上同步？也就是说，在哪个对象上同步？
3）、不必同步类中所有的方法，类可以同时拥有同步和非同步方法。
4）、如果两个线程要执行一个类中的synchronized方法，并且两个线程使用相同的实例来调用方法，那么一次只能有一个线程能够执行方法，另一个需要等待，直到锁被释放。也就是说：如果一个线程在对象上获得一个锁，就没有任何其他线程可以进入（该对象的）类中的任何一个同步方法。
5）、如果线程拥有同步和非同步方法，则非同步方法可以被多个线程自由访问而不受锁的限制。
6）、线程睡眠时，它所持的任何锁都不会释放。
7）、线程可以获得多个锁。比如，在一个对象的同步方法里面调用另外一个对象的同步方法，则获取了两个对象的同步锁。
8）、同步损害并发性，应该尽可能缩小同步范围。同步不但可以同步整个方法，还可以同步方法中一部分代码块。
9）、在使用同步代码块时候，应该指定在哪个对象上同步，也就是说要获取哪个对象的锁。例如：
public int fix(int y) {
    synchronized (this) {
        x = x - y;
    }
    return x;
}
当然，同步方法也可以改写为非同步方法，但功能完全一样的，例如：
public synchronized int getX() {
    return x++;
}
与
public int getX() {
    synchronized (this) {
        return x;
    }
}
效果是完全一样的。
2、静态方法同步
要同步静态方法，需要一个用于整个类对象的锁，这个对象是就是这个类（XXX.class)。
例如：
public static synchronized int setName(String name){
      Xxx.name = name;
}
等价于
public static int setName(String name){
      synchronized(Xxx.class){
            Xxx.name = name;
      }
}
3、何时需要同步
在多个线程同时访问互斥（可交换）数据时，应该同步以保护数据，确保两个线程不会同时修改更改它。
对于非静态字段中可更改的数据，通常使用非静态方法访问。
对于静态字段中可更改的数据，通常使用静态方法访问。
4、线程同步小结
·线程同步的目的是为了保护多个线程反问一个资源时对资源的破坏。
·线程同步方法是通过锁来实现，每个对象都有切仅有一个锁，这个锁与一个特定的对象关联，线程一旦获取了对象锁，其他访问该对象的线程就无法再访问该对象的其他同步方法。
·对于静态同步方法，锁是针对这个类的，锁对象是该类的Class对象。静态和非静态方法的锁互不干预。一个线程获得锁，当在一个同步方法中访问另外对象上的同步方法时，会获取这两个对象锁。
·对于同步，要时刻清醒在哪个对象上同步，这是关键。
·编写线程安全的类，需要时刻注意对多个线程竞争访问资源的逻辑和安全做出正确的判断，对“原子”操作做出分析，并保证原子操作期间别的线程无法访问竞争资源。
·当多个线程等待一个对象锁时，没有获取到锁的线程将发生阻塞。
·死锁是线程间相互等待锁锁造成的，在实际中发生的概率非常的小。。但是，一旦程序发生死锁，程序将死掉。 例题
一、判断题
1、进程和线程都具有独立性。（）
二、填空题
1、（）是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。
2、（）是处理器调度和分配的基本单位。
3、Java实现多线程编程的两种方式是（）和（）。
4、线程同步方法是通过（）来实现。
5、顺序程序设计的特征有（）、（）、（）和（）。
三、简答题
1、在实际程序中，如何选择Java多线程编程的方法。例题答案
一、判断题
1、错误
二、填空题
1、进程
2、线程
3、实现Runnable接口、继承线程Thread类
4、锁
5、顺序性、封闭性、确定性、可再现性
三、简答题
1、继承线程Thread类：声明一个线程类继承Thread类，并且覆盖Thread类的run()方法，说明线程对象所执行的操作。这种方式的优点是，Thread类的子类对象就是线程对象，具有Thread类声明的方法，且具有线程体。缺点是，不适用于多重继承；实现Runnable接口：当一个类已继承一个父类，还要以线程方式运行时，就需要实现Runable接口和Thread类。一个实现Runnable接口的对象本身不是线程对象，它作为一个线程对象的目标对象使用，因此，同时需要一个Thread线程对象。
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