「不得不看」线程的那些知识

线程 1.进程和线程

（1）进程：即正在运行的程序，是操作系统进行资源分配的基本单位。单核CPU情况下，同一时刻只能运行一个进程；宏观上并行，微观上串行。
（2）线程：又称为轻量级进程，是CPU的基本调度单位。
（3）二者的区别：

进程是操作系统进行资源分配的基本单位，线程是CPU调度的基本单位。
程序是静态的，一般表现为一个或一组文件，进程是动态的，是操作系统内部进行资源申请的最小个体。
进程间无法进行数据共享，但是线程之间可以。

2.线程的组成

CPU时间片：操作系统会为每个线程分配执行时间。
运行数据：
堆空间：存储引用类型数据，多个线程可以共享；
栈空间：存储局部变量，每个线程都有独立的栈空间。

3.线程的创建

继承Thread类

//方式一：继承 Thread，重写run() 方法
public class MyThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i <50 ; i++) {
            System.out.println("子线程正在执行==="+i);
        }
    }
}
--------------------------------------------------------------------
测试：
public class TestThread {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程对象
        MyThread t1=new MyThread();
        //启动线程
        t1.start();
        for (int i = 0; i <50 ; i++) {
            System.out.println("主线程正在执行==="+i);
        }
    }
}

实现Runnable接口

//方式二：实现Runnable接口，重写 run() 方法
public class MyRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i=1;i<=50;i++){
            System.out.println("子线程正在执行==="+i);
        }
    }
}
--------------------------------------------------------------------
测试：
public class TestRunnable {
    public static void main(String[] args) {
        //1.创建MyRunnable对象,表示线程要执行的功能
        MyRunnable myRunnable =new MyRunnable();
        //2.创建线程对象
        Thread t1=new Thread(myRunnable,"我的线程");
        //3.启动线程
        t1.start();
        //main线程
        for (int i = 1; i <=50 ; i++) {
            System.out.println("主线程正在执行==="+i);
        }
    }
}

4.线程的静态方法

线程休眠

public class SleepThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <=10 ; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---"+i);
            try {
                //线程休眠1000ms
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

线程join

public class SleepThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <=5 ; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---"+i);
            try {
                //线程休眠1000ms
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
--------------------------------------------------------------------
测试：
public class TestJoin {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        JoinThread j1 =new JoinThread();
        j1.start();
        //join()方法会阻塞主线程，直至 j1 执行完毕，再执行main线程
        j1.join();
        //主线程
        for (int i = 1; i <=5; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---"+i);
        }
    }
}
---------------------------------------------------------------------
运行结果：
Thread-0---1
Thread-0---2
Thread-0---3
Thread-0---4
Thread-0---5
main---1
main---2
main---3
main---4
main---5

5.守护线程

线程分为两类：用户线程（前台线程）、守护线程（后台线程），如果程序中所有的前台线程都执行完毕了，后台线程会自动结束。（Java中的垃圾回回收器就i属于守护线程）

示例代码-

public class DaemonThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---"+i);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
------------------------------------------------------------------
//测试
public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //创建线程，默认情况下是前台线程
        DaemonThread t1=new DaemonThread();
        //设置为守护线程
        t1.setDaemon(true);
        //启动线程
        t1.start();
        //主线程
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("主线程"+"---"+i);
            Thread.sleep(500);
        }
    }
}

执行结果：

6.系统

（1）并行和并发：

并行：进程“真”同时在执行，微观角度的同一时刻，有多个指令在执行，只会出现在多CPU多核的场景下。
并发：进程“假”同时执行，微观上，表现为一次执行一个进程，但宏观上，多个进程在“同时”执行。

（2）用户态和内核态

CPU正在执行的是OS的指令时，就进入到内核态。反之，执行的是普通进程的指令时，就是用户态。
内核态的指令权限高，所有硬件资源都能访问，用户态的指令权限低，只能访问OS规定的资源。通过系统调用，切换用户态和内核态。
用户态的性能较好，内核态的性能较差。

（3）进程状态的转移

进程各状态之间转移的条件：

初始状态->就绪状态：进程的初始化工作完成，由操作系统的指令完成。
就绪状态->运行状态：进程被OS选中，分配CPU资源后；
运行状态->结束状态：进程的最后一条指令执行结束；
运行状态->就绪状态：
1.CPU资源被优先级更高的进程抢占；
2.时间片耗尽；
3.进程执行操作系统提供的系统调用，主动放弃；
运行状态->阻塞状态：
1.等待一些外部条件，如IO设备的输入等；
2.进程进入休眠状态；
…
阻塞状态->就绪状态：外部条件满足时，IO数据输入；休眠时间到了等

6.线程的安全问题*

（1）同步代码块

**
 * 同步代码块解决线程安全
 * 保证线程的原子性
 */
public class Test {
    private static int index=0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        String[] s =new String[5];

        //创建线程
        Runnable runnableA =new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                //对临界资源上锁，保证原子性
               synchronized (s){
                   s[index]="hello";
                   index++;
               }
            }
        };

        Runnable runnableB=new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
               synchronized (s){
                   s[index]="world";
                   index++;
               }
            }
        };

        Thread t1 =new Thread(runnableA,"A");
        Thread t2 =new Thread(runnableB,"B");
        t1.start();
        t2.start();

        //保证两个线程都执行完毕
        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println(Arrays.toString(s));
    }
}

（2）同步方法

public class TicketThread implements Runnable{
   private int ticket=100;
   //创建一个锁
   private Object object =new Object();
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            if ( !sale()){
                break;
            }
        }
    }
    //非静态方法
    //当前锁 this
    public  synchronized boolean sale(){
        if (ticket<=0){
            return false;
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖了第"+ticket+"张票");
        ticket--;
        return true;
    }
	//静态方法
	//当前锁 类对象 TicketThread.class
 	public static boolean sale(){
       synchronized(TicketThread.class){
       if (ticket<=0){
            return false;
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖了第"+ticket+"张票");
        ticket--;
        return true;
       } 
    }
}

7.多线程的下对[0-40000000]数组排序案例

产生随机数组

import java.util.Random;

public class ArrayHelper {
    
    public static  long[]  generateArray(int n){
        Random random =new Random(20220620);
        long[] array =new long[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            array[i] =random.nextInt();
        }
        return array;
    }
}

单线程下对[0-40000000]排序

public class SingleSort {
    public static void main(String[] args) {

        //计时
        long start =System.currentTimeMillis();
        //生成一个40000000的数组
        long[] array =ArrayHelper.generateArray(4_000_0000);

        //[0,1000_0000]
        Arrays.sort(array,0,1000_0000);

        //[1000_0001,2000_0000]
        Arrays.sort(array,1000_0001,2000_0000);

        //[2000_0001,3000_0000]
        Arrays.sort(array,2000_0001,3000_0000);

        //[3000_0001,4000_0000]
        Arrays.sort(array,3000_0001,4000_0000);

        long end =System.currentTimeMillis();
        long elapsed =end-start;
        System.out.println(elapsed+"ms");
    }
    }

排序耗时：4786ms

多线程下对[0-40000000]排序

import java.util.Arrays;


public class ConcurrentSort {

    //排序的线程
    static class SortWork  extends Thread{
        private  long[] array;
        private  int fromIndex;
        private  int toIndex;
        public SortWork(long[] array,int fromIndex,int toIndex){
            this.array =array;
            this.fromIndex =fromIndex;
            this.toIndex =toIndex;
        }

        //排序
        @Override
        public void run() {
            //左闭右开区间上排序
            Arrays.sort(array,fromIndex,toIndex);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //计时
        long start =System.currentTimeMillis();
        //生成一个40000000的数组
        long[] array =ArrayHelper.generateArray(4_000_0000);

        //四个线程进行同时排序
        //[0,1000_0000]
        Thread t1 =new SortWork(array,0,1000_0000);
        t1.start();
        //[1000_0001,2000_0000]
        Thread t2 =new SortWork(array,1000_0001,2000_0000);
        t2.start();
        //[2000_0001,3000_0000]
        Thread t3 =new SortWork(array,2000_0001,3000_0000);
        t3.start();
        //[3000_0001,4000_0000]
        Thread t4 =new SortWork(array,3000_0001,4000_0000);
        t4.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();
        t4.join();
        long end =System.currentTimeMillis();
        long elapsed =end-start;
        System.out.println(elapsed+"ms");
    }
}

排序耗时：2684ms

总结，虽然多线程下程序的执行效率要比单线程的执行效率要高，但并带代表线程越多越好，其一，创建线程本身也需要消耗资源，线程数越多，它消耗的cpu资源也越多，其二，线程调度也需要耗时，OS从100个线程中挑一个的时间和从10000个线程中挑一个的时间也是不同的。最后，cpu是公共资源，在设计程序时，也应想到OS中的其他程序。

「不得不看」线程的那些知识

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