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F1f; 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:

1. fcFS(First Come First Service 先来先服务算法)
2. 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:

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

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

1. 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
2. 产生超卖，0 张 、-1张、-2张。
3. 产生重卖，同一张票卖给多人。
4. 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。
5. 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