5.1 线程

news2024/12/25 9:46:08

文章目录

  • 1.概述
  • 2.多线程的特性
    • 2.1 随机性
    • 2.2 CPU分时调度
    • 2.3 线程的状态
    • 2.4 线程状态与代码对照
  • 3.多线程代码实现方式1:继承Thread
    • 3.1 概述
    • 3.2 常用方法
    • 3.3 测试多线程的创建方式1
  • 4.多线程代码实现方式2:实现Runnable接口
    • 4.1 概述
    • 4.2 常用方法
    • 4.3 练习2：测试多线程的创建方式2
  • 5.俩种方式的比较

1.概述

在学习线程之前我们先要了解进程与线程区别与概念；

进程可以简单理解为运行中的程序，是动态的；而线程是系统中可以运行调度的最小单位；

一个进程可以包含多个线程，被称为多线程程序，也可以只包含一个线程，称为单线程程序；
在这里插入图片描述
在电脑运行中，主要就是靠其核心CPU来处理各种任务以及调度的，目前市场中的CPU均为多核心CPU，在宏观上，大家可能觉得CPU是在同时处理很多事情，但其实从微观上来讲，同一时刻，CPU只能处理一件事情，只是其处理时间短，切换时间快，在很短的时间内在多个任务之间进行处理切换，所以给人的错觉，是他在同时处理很多任务。

进程会占用对应的内存区域，由CPU进行执行和运算，其有三大特点：

  1. 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
  2. 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
  3. 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

而线程便是被包含在进程之中，是操作系统可以运行调度的最小单位，多线程程序中会有一个主程序来调用本进程中的其他线程，进行任务协同；

日常我们进行的进程切换，其实只是切换的不同进程的主线程，这样更加节省资源。

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
在这里插入图片描述

2.多线程的特性

2.1 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】。

在这里插入图片描述
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
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2.2 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:

  1. FCFS(First Come First Service 先来先服务算法)
  2. SJS(Short Job Service短服务算法)
    在这里插入图片描述

2.3 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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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

2.4 线程状态与代码对照

在这里插入图片描述

线程生命周期,主要有五种状态:

  1. 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();
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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

3.多线程代码实现方式1:继承Thread

3.1 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.

3.2 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)
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()

3.3 测试多线程的创建方式1

package partFour;
/* 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对应的是线程新建状态
         * 5.要想模拟多线程，至少需要启动2个线程对象，如果只启动一个，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方法，如果直接这样调用，是没有多线程抢占执行的效果的，只是把这俩句话看做普通方法的调用
         * 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()分配的业务
         * 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{
    /*多线程编程实现的方案1：
      Thread是底层方法
    * 通过继承Thread类，并重写run()方法来完成*/
    //2.重写run(),run()里是我们自己的业务
    @Override
    public void run(){
        /* super.run()表示调用父类的业务，我们现在调用自己的业务，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名称
        for(int i=0; i<10; i++){
            /*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());
        }
    }
}

多线程编程实现方案1：

  1. 自定义多线程类Thread
  2. 重写run()，里面是我们的业务
  3. 创建多个线程对象
  4. 线程对象调用start()，以多线程的方式启动

4.多线程代码实现方式2:实现Runnable接口

4.1 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

4.2 常用方法

通过创建实现Runnable接口的类的对象来创建线程，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；

4.3 练习2：测试多线程的创建方式2

package partFour;
/*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
        MyRunnable target = new MyRunnable();
        //6.启动线程
        /*MyRunnable和Runnable中没有start方法
         * 需要与Thread建立关系，使用Thread的方法 */
        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++){
            /*自定义类与父类接口Runnable没有获取名字的方法，
            需要从Thread方法中调用，但是Thread里的getName()方法不是静态方法，不能直接类名调用
            * Thread方法中提供了currentThread方法：静态方法，获取当前正在执行的线程对象
            * 有了对象之后，就可以getName():获取当前线程的名称 */
            System.out.println(i+"="+Thread.currentThread());
        }
    }
}

多线程实现方案2：

  1. 自定义多线程类实现Runnable接口
  2. 添加接口中未实现的抽象方法，其中是我们的业务
  3. 创建一个自定义类对象，作为目标业务类对象
  4. 创建多个线程对象Thread，并把刚刚的业务交给多个Thread来处理
  5. 以多线程的方式启动刚刚创建好的多个线程对象start()

5.俩种方式的比较

  • 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

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