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,它代表了程序所占用的内存区域

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.

1.3 并行和并发

并行与并发

HA(High Availability)高可用:指在高并发的情景中,尽可能的保证程序的可用性,减少系统不能提供服务的时间

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
多线程扩展了多进程的概念,使的同一个进程可以同时并发处理多个任务

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)
进程与线程的关系
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

线程的随机性指的是同一时刻,只有一个程序在执行
我们宏观上觉得这些程序像是同时运行,但是实际上微观时间是因为CPU在高效的切换着，这使得各个程序从表面上看是同时进行的,也就是说,宏观层面上,所有的进程/线程看似同时运行,但是微观层面上,同一时刻,一个CPU只能处理一件事.切换的速度甚至是纳秒级别的,非常快
线程切换

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:

FCFS(First Come First Service 先来先服务算法)
SJS(Short Job Service短服务算法)

CPU分片

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

线程状态与代码对照
线程生命周期,主要有五种状态:

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();
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
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
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
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*/
public class TestThread1 { 
    public static void main(String[] args) { 
        //4.创建线程对象
        MyThread t = new MyThread();/*5.new对应的是线程的新建状态*/
        /*6.如果只是通过两个线程对象调用run(),那么会先执行完一个线程的任务 * 再执行另外一个线程的任务，根本不会以多线程的方式启动，所以就没有多线程抢占资源的效果*/
        //t.run();
        //5.模拟多线程，需要至少启动2个线程，如果只启动一个线程，就是单线程程序
        MyThread t2 = new MyThread();
        //t2.run();
        /*7.start()对应的状态是线程的就绪状态，至于什么时候执行，取决于什么时候被OS选中*/
        /*8.当我们调用start()启动线程时，底层虚拟机会自动调用run()执行我们的业务*/
        /*9.如果想让程序有多线程的效果，需要创建多个线程对象，并且调用start() * 将线程加入到就绪队列中才可以，调用run()只能当做普通的方法调用，没有多线程的效果*/
        /*10.线程执行的效果具有随机性，也就是说t1 t2 t3的执行结果是不可控制的 * 具体怎么执行，取决于CPU的调度，时间片的分配，我们控制不了*/
        t.start();
        t2.start();
        //7.创建一个自定义名称的线程对象并启动
        MyThread t3 = new MyThread("大连");
        t3.start();
    }
}
//1.自定义多线程类，然后让这个类继承Thread类
/*1.方式一：通过继承的方式：extends Thread*/
class MyThread extends Thread{ 
    /*11.为了修改线程的名称，不再使用系统自动分配的默认名称，可以提供一个含参构造 * 注意，给线程起名的功能实际是父类完成的，子类的构造函数只是调用了一下super(name);*/
    //6.添加自定义线程类的无参构造与含参构造
    public MyThread(){ //注意手动添加无参构造，否则无法不传参数创建线程对象
        super();
    }
    public MyThread(String name) { 
        super(name);
    }
    //2.重写run(),run()里写我们自己的业务
    @Override
    public void run() { 
        /*2.自定义线程类的业务需要写在重写的run()里 * 3.super.run()表示调用的是父类的业务，我们不用，所以注释掉*/
        //super.run();
        //3.写自己的业务：输出10次当前正在执行的线程的名称
        for (int i = 0; i < 10; i++) { 
            /*4.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;
/**本类用于测试多线程编程方式2 implements Runnable*/
public class Thread2 { 
    public static void main(String[] args) { 
        //4.创建线程对象
        MyRunnable target = new MyRunnable();
        //5.2 问题:怎么把接口的实现类和Thread类绑定
        Thread thread1 = new Thread(target);
        //5.1如何启动线程?
        thread1.start();
        //6.--以多线程编程的方式启动,需要创建多个线程对象并启动
        //8.修改线程的名称--使用Thread类的含参构造
        Thread thread2 = new Thread(target,"杰克");
        Thread thread3 = new Thread(target,"露丝");
        thread2.start();
        thread3.start();
        //7.自己测试start()和run()的区别
        //run()只是一个普通方法执行的效果,也就是单线程顺序执行的效果,没有多线程的线现象
    }
}
//1.自定义多线程类,方式2 implements Runnable
class MyRunnable implements Runnable{ 
    //2.把业务放入run(),重写了Runnable接口里的
    @Override
    public void run() { 
        //3.写业务,打印10次线程名称
        for(int i = 0; i< 10; i++){ 
            //问题:Runnable接口中,没有提供多余的方法维度只有一个run()
            //Thread.currentThread()获取当前正在执行业务的线程对象 getName()获取此线程对象的名称
            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*/
/*本类通过继承Thread类的方式实现多线程售票案例*/
public class TestThread { 
    public static void main(String[] args) { 
        //5.创建多个线程对象 Ctrl+D 复制当前行
        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.自定义线程售票业务类
class TicketThread extends Thread{ 
    //3.定义变量,用来保存票数
    //int tickets = 100;//不可以,会卖400张票
    //7.解决4个线程卖了400张票的BUG
    static int tickets = 100;//静态资源属于类资源,被全局所有对象共享,只有一份
    //2.把业务写在重写run()里
    @Override
    public void run() { 
        //4.通过循环结构来一直卖票
        while (true){ 
            try { 
                //8.如果数据能够经受住sleep的考验,才能说明数据没有了安全隐患--人为制造问题
                //问题1:产生了重卖:同一张票卖给了多个人
                //问题2:产生了超卖:超出了规定票数,甚至卖出了0和-1这样的票数
                Thread.sleep(10);//让程序休眠10ms
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(getName()+"="+tickets--);
            //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*/
/*本类通过实现Runnable接口的方式实现多线程售票案例*/
public class TestRunnable { 
    public static void main(String[] args) { 
        //5.创建目标业务对象
        TicketRunnable target = new TicketRunnable();
        //6.使用Thread类中的含参构造,将目标对象与线程对象做绑定
        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线程
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
    }
}
//1.创建自定义多线程类
class TicketRunnable implements Runnable{ 
    //3.创建成员变量,用来保存票数,注意必须是静态的
    static int tickets = 100;
    //2.添加接口中未实现的方法,把业务放在run()里
    @Override
    public void run() { 
        while (true){ 
            try { 
                //让程序休眠后出现的两个问题:
                //问题1.重卖:一张票卖给了多个人
                //问题2.超卖:出现了票数为0甚至是负数的情况
                Thread.sleep(10);//让程序休眠10ms
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
            //3.获取当前正在卖票的线程名称,以及卖票
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"="+tickets--);
            //4.设置死循环的出口
            if (tickets <= 0) break;
        }
    }
}

6.3 问题

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
产生超卖，0 张、-1张、-2张。
产生重卖，同一张票卖给多人。
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。
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