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java必学必会之线程（1）

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Java必学必会之线程（1）

一、线程的基本概念

1.1 线程定义

线程是进程中的执行单元，是轻量级的进程，一个进程可以有多个线程。线程拥有自己的执行栈和局部变量，但同时也可以访问共享变量。

1.2 线程状态

线程在其生命周期中可以处于以下几种状态：

  • NEW：新创建的线程，尚未开始执行。
  • RUNNABLE：正在 Java 虚拟机中执行的线程。
  • BLOCKED：等待获取一个排它锁以便进入同步块/方法的线程。
  • WAITING：等待另一个线程通知调度器一个条件的线程。
  • TIMED_WAITING：有限时间等待另一个线程通知调度器一个条件的线程。
  • TERMINATED：已经执行完毕的线程。

1.3 创建线程的三种方式

Java 中创建线程的方法有以下三种：

1.3.1 实现 Runnable 接口

创建一个实现 Runnable 接口的类，重写 run() 方法，并将该类的实例作为 Thread 构造函数的参数传入。

public class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        // 执行代码
    }
}
MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
Thread thread = new Thread(myRunnable);
thread.start();

1.3.2 继承 Thread 类

创建一个继承 Thread 类的子类，重写 run() 方法，并通过该子类的实例启动线程。

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // 执行代码
    }
}
MyThread myThread = new MyThread();
myThread.start();

1.3.3 使用匿名内部类

通过创建匿名内部类，重写 run() 方法并启动线程。

Thread thread = new Thread(new Runnable() {
    public void run() {
        // 执行代码
    }
});
thread.start();

二、线程的基本操作

2.1 线程的启动

通过调用 start() 方法启动线程。不能通过调用 run() 方法启动线程，这样不会创建新的线程，而是在当前线程中直接执行 run() 方法。

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 执行代码
    }
}
MyThread myThread = new MyThread();
myThread.start();

2.2 线程的休眠

通过调用 Thread.sleep(millis) 方法，让当前线程暂停执行指定的时间，单位是毫秒。该方法可能会抛出 InterruptedException 异常。

try {
    Thread.sleep(1000); // 线程休眠1秒
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}

2.3 线程的中断

可以通过调用 Thread.interrupt() 方法向目标线程发送中断信号，但目标线程并不一定会立即响应，可能仍会继续执行。

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        while (!Thread.interrupted()) {
            // 执行代码
        }
    }
}
MyThread myThread = new MyThread();
myThread.start();
myThread.interrupt(); // 发送中断信号

2.4 线程的等待和通知

Java 中通过 Object 类的 wait()、notify() 和 notifyAll() 方法实现线程等待和通知。

2.4.1 wait() 方法

wait() 方法会使当前线程进入等待状态，并且会释放当前线程持有的对象锁，直到其他线程调用该对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法来唤醒该线程。调用 wait() 方法的前提是必须先获得对象锁，否则会抛出 IllegalMonitorStateException 异常。

synchronized (object) {
    while (condition) {
        try {
            object.wait(); // 线程等待
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2.4.2 notify() 方法

notify() 方法会随机唤醒一个正在等待该对象锁的线程，使其继续执行。并且当前线程并不会立即释放锁，而是在退出 synchronized 代码块后才释放。

synchronized (object) {
    condition = true;
    object.notify(); // 唤醒一个正在等待该对象锁的线程
}

2.4.3 notifyAll() 方法

notifyAll() 方法会唤醒正在等待该对象锁的所有线程，使其继续执行。并且当前线程并不会立即释放锁，而是在退出 synchronized 代码块后才释放。

synchronized (object) {
    condition = true;
    object.notifyAll(); // 唤醒所有正在等待该对象锁的线程
}

三、示例

3.1 生产者-消费者模型

生产者-消费者模型是一种常见的并发模型，通过一个或多个线程生产数据，另一个或多个线程消费数据，通过队列或者缓存区来解耦生产者和消费者，从而实现并发处理数据。

下面的示例展示了简单的生产者-消费者模型，一个生产者线程不断生产数据，保存到缓存区，多个消费者线程从缓存区读取数据进行消费。其中，Cache 类是缓存区类，包括 put() 和 take() 两个方法，分别是生产和消费数据的方法。

import java.util.LinkedList;

class Cache<T> {
    private final LinkedList<T> queue = new LinkedList<>();
    private final int limit;

    public Cache(int limit) {
        this.limit = limit;
    }

    public synchronized void put(T t) throws InterruptedException {
        while (queue.size() == limit) {
            wait();
        }
        queue.add(t);
        notifyAll();
    }

    public synchronized T take() throws InterruptedException {
        while (queue.isEmpty()) {
            wait();
        }
        T t = queue.removeFirst();
        notifyAll();
        return t;
    }
}

class Producer extends Thread {
    private final Cache<Integer> cache;
    private final int value;

    public Producer(Cache<Integer> cache, int value) {
        this.cache = cache;
        this.value = value;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                cache.put(value);
                System.out.println("Producer: " + value);
                sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

class Consumer extends Thread {
    private final Cache<Integer> cache;

    public Consumer(Cache<Integer> cache) {
        this.cache = cache;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                int value = cache.take();
                System.out.println("Consumer: " + value);
                sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Cache<Integer> cache = new Cache<>(10);
        Producer producer = new Producer(cache, 1);
        Consumer consumer1 = new Consumer(cache);
        Consumer consumer2 = new Consumer(cache);
        producer.start();
        consumer1.start();
        consumer2.start();
    }
}

3.2 多线程修改同一对象

多个线程修改同一个对象的属性或者成员变量时，可能会出现线程安全问题，如数据不一致、数据污染等问题。下面的示例模拟了一个共享变量 num 被多个线程读写的情况，其中线程 A 不断将 num 加一，线程 B 不断将 num 减一，最终结果应该是 num 的值不变。但是由于线程不安全，最终 num 的值可能不是预期的值。

class MyThread extends Thread {
    private static int num = 0;

    private final char operator;

    public MyThread(char operator) {
        this.operator = operator;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if (operator == '+') {
                num++;
            } else if (operator == '-') {
                num--;
            }
        }
        System.out.println("operator: " + operator + ", num: " + num);
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new MyThread('+');
        Thread thread2 = new MyThread('-');
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println("final num: " + MyThread.num);
    }
}

为了解决这个问题，我们可以使用 synchronized 关键字来保证任意时刻只有一个线程执行修改操作。

class MyThread extends Thread {
    private static int num = 0;

    private final char operator;

    public MyThread(char operator) {
        this.operator = operator;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            synchronized (MyThread.class) {
                if (operator == '+') {
                    num++;
                } else if (operator == '-') {
                    num--;
                }
            }
        }
        System.out.println("operator: " + operator + ", num: " + num);
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new MyThread('+');
        Thread thread2 = new MyThread('-');
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println("final num: " + MyThread.num);
    }
}

以上就是线程的基本概念、操作和两个示例的详细解释。

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