程序在沒有流程控制的前提下，代碼都是從上而下逐行依次執(zhí)行的?；谶@樣的機(jī)制，如果我們使用程序來實(shí)現(xiàn)邊打游戲，邊聽音樂的需求時(shí)，就會(huì)很困難；因?yàn)榘凑請(qǐng)?zhí)行順序，只能從上往下依次執(zhí)行；同一時(shí)刻，只能執(zhí)行聽音樂和打游戲的其中之一。為了解決這樣的問題，在程序設(shè)計(jì)中引入了多線程并發(fā)。本文中的知識(shí)對(duì)windows、mac、linux系統(tǒng)都適用，但展示界面和功能名稱上不太一樣；相關(guān)的截圖這里以windows為例。
并行和并發(fā)
并行和并發(fā)是兩個(gè)很容易混淆的概念，他們?cè)谧置嫔侠斫馄饋砜赡軟]有很大的差異，但要放在計(jì)算機(jī)運(yùn)行環(huán)境中來解釋，兩者是有很大區(qū)別的：
- 并行：多個(gè)事件在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)同時(shí)發(fā)生，是真正的同時(shí)發(fā)生；
-
并發(fā)：多個(gè)事件在同一時(shí)間段內(nèi)在宏觀上同時(shí)發(fā)生，而在微觀上是
CPU在多個(gè)事件上來回切換，但切換的時(shí)間很快，并不能被人眼捕獲，因此在一段人類可以觀察到的時(shí)間內(nèi)，多個(gè)事件是同時(shí)發(fā)生的；
操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境中，并發(fā)指的就是一段時(shí)間內(nèi)宏觀上多個(gè)程序在同時(shí)運(yùn)行；在單CPU的環(huán)境中，微觀上每一個(gè)時(shí)刻僅有一個(gè)程序被CPU執(zhí)行（也就是僅有一個(gè)程序獲得了CPU時(shí)間片），CPU是在多個(gè)程序之間來回交替執(zhí)行，也就是給每個(gè)程序的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)程序的并發(fā)運(yùn)行。隨著計(jì)算機(jī)硬件的不斷發(fā)展，現(xiàn)如今的計(jì)算機(jī)一般都是有多個(gè)CPU的，在這樣的多個(gè)CPU的環(huán)境中，原本由單個(gè)處理器運(yùn)行的這些程序就可以被分配給多個(gè)CPU來運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)真程序的并行運(yùn)行，無論從宏觀上，還是微觀上，程序都是同時(shí)運(yùn)行的。這樣，程序的運(yùn)行效率就會(huì)大大提高。
PS：CPU時(shí)間片就是CPU分配給每個(gè)程序的運(yùn)行時(shí)間。
在買電腦的時(shí)候，電腦廠商宣傳的“幾核處理器”，其中“核”表示的是CPU有幾個(gè)物理核心，能夠并行處理幾個(gè)程序的調(diào)用。想要知道自己電腦是幾核的，可以打開“任務(wù)管理器”來查看。
也可以通過計(jì)算機(jī)屬性、設(shè)備管理器來查看。
所以，單核處理器是不能并行運(yùn)行多個(gè)任務(wù)的，只能是多個(gè)任務(wù)在單核處理器中并發(fā)運(yùn)行，我們把每個(gè)任務(wù)用一個(gè)線程來表示，多個(gè)線程在單個(gè)處理器中的并發(fā)運(yùn)行我們稱之為線程調(diào)度。從宏觀上講，多個(gè)線程是并行運(yùn)行的；從微觀上講，多個(gè)線程是串行運(yùn)行的，也就是一個(gè)線程一個(gè)線程的運(yùn)行；如果對(duì)這里的宏觀和微觀不太好理解的話，可以把宏觀看作是站在人的角度看待程序運(yùn)行，把微觀看作是站在CPU的角度看待程序運(yùn)行，這樣就好理解多了。
線程和進(jìn)程
進(jìn)程：進(jìn)程是指一個(gè)在內(nèi)存中運(yùn)行的應(yīng)用程序，每個(gè)進(jìn)程在內(nèi)存中都有一塊獨(dú)立的內(nèi)存空間。每個(gè)軟件都可以啟動(dòng)多個(gè)進(jìn)程。
線程：線程指的是進(jìn)程中的一個(gè)控制單元，也就是進(jìn)程中的每個(gè)單元任務(wù)，一個(gè)進(jìn)程中可以有多個(gè)線程同時(shí)并發(fā)運(yùn)行。
多進(jìn)程指的是操作系統(tǒng)中同時(shí)運(yùn)行的多個(gè)程序，多線程指的是同一個(gè)進(jìn)程中同時(shí)運(yùn)行的多個(gè)任務(wù)。操作系統(tǒng)中運(yùn)行的每個(gè)任務(wù)就是一個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程中的每個(gè)任務(wù)就是一個(gè)線程；操作系統(tǒng)就是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)，它可以有多個(gè)進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程又可以有多個(gè)線程。
線程和進(jìn)程的區(qū)別：
- 每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的內(nèi)存空間，也就是進(jìn)程中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間（堆、?？臻g）是獨(dú)立的，且每個(gè)進(jìn)程都至少有一個(gè)線程；
- 對(duì)于線程來說：堆內(nèi)存空間是共享的，棧內(nèi)存空間是獨(dú)立的；線程消耗的資源比進(jìn)程要小得多，且線程之間是可以相互通信的；
- 線程是進(jìn)程的基本組成單元，故也把線程稱作進(jìn)程元，或者輕型進(jìn)程；
- 線程的執(zhí)行是通過
CPU調(diào)度器來決定的，程序員無法控制；
線程調(diào)度：
計(jì)算機(jī)單個(gè)CPU在任意時(shí)刻只能執(zhí)行一條計(jì)算機(jī)指令，每個(gè)進(jìn)程只有獲得CPU使用權(quán)才能執(zhí)行相關(guān)指令；多線程并發(fā)，其實(shí)就是運(yùn)行中各個(gè)進(jìn)程輪流獲取CPU的使用權(quán)來分別執(zhí)行各自的任務(wù)；在多進(jìn)程的環(huán)境中，會(huì)有多個(gè)線程處于等待獲取CPU使用權(quán)的狀態(tài)中，為這些等待中的線程分配CPU使用權(quán)的操作就成為線程調(diào)度。線程調(diào)度分為搶占式調(diào)度和分時(shí)調(diào)度。
-
搶占式調(diào)度：多個(gè)線程在瞬間搶占
CPU資源，誰搶到誰就運(yùn)行，有更多的隨機(jī)性； -
分時(shí)調(diào)度：為等待中的多個(gè)線程平均的分配
CPU時(shí)間片；
Java的多線程中線程調(diào)度就是使用搶占式調(diào)度的。
多線程
多線程和單線程，就好比多行道和單行道，多行道可以有多輛車同時(shí)行駛通過，而單行道只能是多輛車按順序依次行駛通過；多線程同時(shí)有多個(gè)線程并發(fā)運(yùn)行，單線程只有單個(gè)線程對(duì)多個(gè)任務(wù)按順序依次執(zhí)行。
如果以下載文件為例：單線程就是只有一個(gè)文件下載的通道，多線程則是同時(shí)有多個(gè)下載通道在下載文件。當(dāng)服務(wù)器提供下載服務(wù)時(shí)，下載程序是共享服務(wù)器帶寬的，在優(yōu)先級(jí)相同的情況下，服務(wù)器會(huì)對(duì)下載中的所有線程平均分配帶寬：
寬帶帶寬是以位（bit）來計(jì)算的，而下載速度是以字節(jié)（byte）計(jì)算的，1 byte = 8 bit，故1024KB/s代表的是上網(wǎng)寬帶為1M（1024千位），而下載速度需要用1024KB/s除去8，得出128KB/s。
多線程是為了同步完成多項(xiàng)任務(wù)，是為了提高系統(tǒng)整體的效率，而不能提高程序代碼自身的運(yùn)行效率。
多線程的優(yōu)勢：多線程作為一種多任務(wù)、高并發(fā)的運(yùn)行機(jī)制，有其獨(dú)到的優(yōu)勢所在：
- 進(jìn)程之間不能共享內(nèi)存空間，但是線程之間是可以的（通過堆內(nèi)存）；
- 創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，操作系統(tǒng)需要為其重新分配系統(tǒng)資源；而創(chuàng)建線程耗費(fèi)的資源會(huì)小很多，在實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)時(shí)，相比較于多進(jìn)程，多線程的效率會(huì)高很多；
-
Java語言內(nèi)置了對(duì)多線程的支持，而不僅僅是簡單的調(diào)用底層操作系統(tǒng)的調(diào)度；Java對(duì)多線程的支持也很友好，能大大簡化開發(fā)成本；
創(chuàng)建進(jìn)程
在Java 中創(chuàng)建進(jìn)程可通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)：
1.通過java.lang.Runtime來實(shí)現(xiàn)，示例代碼如下：
public static void main(String []args) throws IOException {
// 方式一：通過通過java.lang.Runtime來實(shí)現(xiàn)打開 cmd
Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
runtime.exec("cmd");
}
- 通過java.lang.ProcessBuilder 來實(shí)現(xiàn)，示例代碼如下：
public static void main(String []args) throws IOException {
// 方式二：通過通過java.lang.ProcessBuilder來實(shí)現(xiàn)打開 cmd
ProcessBuilder pb = new ProcessBuilder("cmd");
pb.start();
}
創(chuàng)建線程
一、通過繼承Thread類創(chuàng)建線程；需要注意的是：只有Thread的子類才是線程類；
- 新創(chuàng)建一個(gè)類繼承于java.lang.Thread；
- 在新建的
Thread子類中重寫Thread類中的run方法，在run方法中編寫線程邏輯； - 創(chuàng)建線程對(duì)象，執(zhí)行線程邏輯；
public class ExtendsThreadDemo {
public static void main(String []args) {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
System.out.println("主線程" + i);
if (i == 13) {
NewThread newThread = new NewThread();
newThread.start();
}
}
}
}
// 新線程類
class NewThread extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
System.out.println("新線程" + i);
}
}
}
二、通過實(shí)現(xiàn)Runnable接口創(chuàng)建線程；需要注意，這里的Runnable實(shí)現(xiàn)類并不是線程類，所以啟動(dòng)方式和Thread子類會(huì)有所不同；
- 新創(chuàng)建一個(gè)類實(shí)現(xiàn)java.lang.Runnable；
- 在新建的實(shí)現(xiàn)類中重寫Runnable類中的
run方法，在run方法中編寫線程邏輯； - 創(chuàng)建
Thread對(duì)象，傳入Runnable實(shí)現(xiàn)類對(duì)象，執(zhí)行線程邏輯；
示例代碼如下：
public class ImplementsRunnableDemo {
public static void main(String []args) {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
System.out.println("主線程" + i);
if (i == 13) {
Runnable runnable = new NewRunnableImpl();
Thread thread = new Thread(runnable);
thread.start();
}
}
}
}
// 新線程類
class NewRunnableImpl implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
System.out.println("新線程" + i);
}
}
}
三、使用匿名內(nèi)部類創(chuàng)建線程
使用接口的匿名內(nèi)部類來創(chuàng)建線程，示例代碼如下：
// 使用接口的匿名內(nèi)部類
public class AnonymousInnerClassDemo {
public static void main(String []args) {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
System.out.println("主線程" + i);
if (i == 13) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 50; j++) {
System.out.println("新線程" + j);
}
}
}).start();
}
}
}
}
當(dāng)然了，也可以使用Thread類的匿名內(nèi)部類創(chuàng)建線程，不過這樣的方式很少使用；示例代碼如下：
// 使用Thread類的匿名內(nèi)部類
public class AnonymousInnerClassDemo {
public static void main(String []args) {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
System.out.println("主線程" + i);
if (i == 13) {
new Thread() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 50; j++) {
System.out.println("新線程" + j);
}
}
}.start();
}
}
}
}
多線程案例
案例需求：六一兒童節(jié)，設(shè)置了搶氣球比賽節(jié)目，共有50個(gè)氣球，三個(gè)小朋友小紅、小強(qiáng)、小明來搶；請(qǐng)使用多線程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)上述比賽過程。
一、使用繼承Thread類的方式來實(shí)現(xiàn)上述案例；示例代碼如下：
public class ExtendsDemo {
public static void main(String []args) {
new Student("小紅").start();
new Student("小強(qiáng)").start();
new Student("小明").start();
}
}
class Student extends Thread {
private int num = 50;
private String name;
public Student(String name) {
super(name);
this.name = name;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
if (num > 0) {
System.out.println(this.name + "搶到了" + num + "號(hào)氣球");
num--;
}
}
}
}
通過查看輸出結(jié)果，發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題：每個(gè)小朋友都搶到了50個(gè)氣球，這和原本只有50個(gè)氣球相矛盾了；不過別急，我們可以使用第二種方式：使用實(shí)現(xiàn)接口的方式來實(shí)現(xiàn)上述案例 來解決。
二、使用實(shí)現(xiàn)接口的方式來實(shí)現(xiàn)上述案例；示例代碼如下：
public class ImplementsDemo {
public static void main(String []args) {
Balloon balloon = new Balloon();
new Thread(balloon, "小紅").start();
new Thread(balloon, "小強(qiáng)").start();
new Thread(balloon, "小明").start();
}
}
// 氣球
class Balloon implements Runnable {
private int num = 50;
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
if (num > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "搶到了"
+ num + "號(hào)氣球");
num--;
}
}
}
}
在該案例中我們是用了Thread.currentThread()方法，該方法的作用是返回當(dāng)前正在執(zhí)行的線程對(duì)象的引用，所以當(dāng)前正在執(zhí)行的線程對(duì)象的名稱就可以這樣來獲?。?code>String name = Thread.currentThread().getName();。
通過查看該案例的打印結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)：三個(gè)小朋友一共搶到了50個(gè)氣球，符合了需求中規(guī)氣球總共有50個(gè)的要求。我們?cè)賮矸治鲋骱瘮?shù)中的代碼，發(fā)現(xiàn)是因?yàn)?code>3個(gè)線程共享了一個(gè)Balloon對(duì)象，該對(duì)象中的氣球數(shù)量就在50個(gè)。
按照這樣的思路，上述使用繼承Thread類的方式中出現(xiàn)的問題就可以解決了。接下來就對(duì)上述兩種實(shí)現(xiàn)多線程的方式進(jìn)行分析和總結(jié)：
使用繼承Thread類的方式：
- 使用繼承方式來實(shí)現(xiàn)多線程在操作上會(huì)更加簡便；比如：可以通過
super.getName()來直接獲取當(dāng)前線程對(duì)象的名稱； - 由于
Java是單繼承的，所以如果繼承了Thread，該類就不能再有其他的父類了； - 對(duì)于搶氣球案例需求來說，并不能很好的解決問題；
使用實(shí)現(xiàn)接口的方式：
- 相較于繼承方式，實(shí)現(xiàn)方式和線程操作會(huì)稍加復(fù)雜；比如：獲取當(dāng)前線程名稱需要通過
Thread.currentThread().getName();來獲取； - 由于是使用實(shí)現(xiàn)的方式，
Java是支持多實(shí)現(xiàn)的，所以除了Runnable接口之外，還可以實(shí)現(xiàn)其他的接口，繼承另外的類； - 能夠很好的實(shí)現(xiàn)案例需求：多個(gè)線程共享一個(gè)資源；
在下一篇文章中，我會(huì)繼續(xù)使用上述的案例來分析線程不安全以及相關(guān)的解決方法，敬請(qǐng)期待。
完結(jié)。老夫雖不正經(jīng)，但老夫一身的才華
