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编程问答

并发与多线程

發(fā)布時(shí)間：2023/12/13 编程问答 55 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了并发与多线程小編覺得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個(gè)參考.

并發(fā)

　　并發(fā)（concurrency）是指CPU在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)交替處理多任務(wù)的能力。每個(gè)CPU不可能只顧著執(zhí)行某個(gè)進(jìn)程，而讓其他進(jìn)程一直等待被執(zhí)行。所以，CPU把可執(zhí)行時(shí)間均分成若干份，每個(gè)進(jìn)程執(zhí)行一份或多份時(shí)間后，記錄當(dāng)前的工作狀態(tài)，釋放相關(guān)資源并進(jìn)入等待狀態(tài)，讓其他進(jìn)程搶占CPU等資源。

　　在并發(fā)環(huán)境下，由于程序的封閉性被打破，出現(xiàn)了以下特點(diǎn)：

　　1.并發(fā)程序之間有相互制約的關(guān)系。直接制約體現(xiàn)在一個(gè)程序需要另一個(gè)程序的計(jì)算結(jié)果；間接制約體現(xiàn)在多個(gè)進(jìn)程競爭共享資源。

　　2.并發(fā)程序的執(zhí)行過程是斷斷續(xù)續(xù)的。程序需要保留現(xiàn)場，記憶現(xiàn)場指令及執(zhí)行點(diǎn)。

　　3.當(dāng)并發(fā)數(shù)設(shè)置合理并且CPU擁有足夠的處理能力時(shí)，并發(fā)會提高程序的運(yùn)行效率。

　　在Java編程中，并發(fā)主要與線程有關(guān)。

線程

　　線程是CPU調(diào)度和分派的基本單位，為了更充分地利用CPU資源，一般都會使用多線程進(jìn)行處理。多線程的作用是提高任務(wù)的平均執(zhí)行速度，但是會導(dǎo)致程序可解性變差，編程難度加大。所以，合適的線程數(shù)才能讓CPU資源被充分利用。

　　每一個(gè)線程都有自己的操作棧、程序計(jì)數(shù)器、局部變量表等資源。同一進(jìn)程內(nèi)的所有線程都可以共享該進(jìn)程的所有資源。

　　Java提供了兩種形式定義線程類：

　　1.實(shí)現(xiàn)Runnable接口并重寫其中的run()方法。

1 class Consumer implements Runnable { 2 3 private Store store; 4 5 public Consumer(Store store) { 6 this.store = store; 7 } 8 9 @Override 10 public void run() { 11 for (int i = 0; i < 1000; i++) { 12 store.getValue(); 13 } 14 } 15 16 } Consumer

　　2.繼承Thread類并重寫其中的run()方法。

1 class Producer extends Thread { 2 3 private Store store; 4 5 public Producer(Store store) { 6 this.store = store; 7 } 8 9 @Override 10 public void run() { 11 for (int i = 0; i < 1000; i++) { 12 store.setValue((int) (Math.random() * 100)); 13 } 14 } 15 16 } Producer

　　里氏代換原則對繼承的一個(gè)約束是子類不重寫父類的非抽象方法，而Thread類的run()方法不是一個(gè)抽象方法，所以繼承Thread類并重寫其中的run()方法就不符合里氏代換原則，該方式不推薦使用。相比之下，實(shí)現(xiàn)Runnable接口可以使編程更加靈活，對外暴露的細(xì)節(jié)也比較少，讓使用者專注于實(shí)現(xiàn)線程的run()方法。

線程狀態(tài)

　　線程的生命周期分為以下5種狀態(tài)：

新建狀態(tài)

　　新建狀態(tài)是線程被創(chuàng)建且未啟動的狀態(tài)。也就是說，初始化一個(gè)線程對象時(shí)，該對象進(jìn)入新建狀態(tài)。

　　線程對象的初始化分為2種：

　　1.如果是繼承Thread類的線程類，則該類線程對象可以直接通過new運(yùn)算進(jìn)行初始化。

　　2.如果是實(shí)現(xiàn)Runnable接口的線程類，則該類線程對象通過new運(yùn)算進(jìn)行初始化后需要包裝為一個(gè)Thread對象。

就緒狀態(tài)

　　就緒狀態(tài)是線程啟動后運(yùn)行之前的狀態(tài)。即啟動了的線程在準(zhǔn)備執(zhí)行run()方法時(shí)的狀態(tài)。

　　線程的啟動是指線程對象調(diào)用Thread的start()方法。

運(yùn)行狀態(tài)

　　運(yùn)行狀態(tài)是線程運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，即啟動了的線程在執(zhí)行run()方法時(shí)的狀態(tài)。

阻塞狀態(tài)

　　阻塞狀態(tài)分以下3種情況：

　　同步阻塞：缺少資源無法繼續(xù)運(yùn)行。搶占到資源后會退出該狀態(tài)。

　　主動阻塞：主動讓出CPU執(zhí)行權(quán)，即線程執(zhí)行Thread的sleep()方法之后的狀態(tài)。調(diào)用sleep()方法時(shí)會傳入一個(gè)long類型的參數(shù)，表示睡眠的時(shí)間，單位為毫秒，時(shí)間結(jié)束時(shí)會退出該狀態(tài)。

　　等待阻塞：進(jìn)入睡眠，即線程執(zhí)行Object的wait()方法之后的狀態(tài)。其他線程執(zhí)行Object的notify()方法或notifyAll()方法之后會退出該狀態(tài)。

終止?fàn)顟B(tài)

　　終止?fàn)顟B(tài)是線程執(zhí)行結(jié)束或因異常退出后的狀態(tài)。

線程同步

　　線程同步機(jī)制的主要任務(wù)是，對多個(gè)相關(guān)線程在執(zhí)行次序上進(jìn)行協(xié)調(diào)，使并發(fā)執(zhí)行的每個(gè)線程之間能按照一定的時(shí)序共享資源，并能很好地相互合作，從而使程序的執(zhí)行具有可再現(xiàn)性。

　　資源的共享分為兩種方式：

　　互斥共享方式：某些資源例如打印機(jī)、磁帶機(jī)等，一次只能給一個(gè)線程使用，當(dāng)一個(gè)線程申請?jiān)撡Y源時(shí)，如果該資源有其他線程在使用，則該線程需要等待，直到資源被釋放之后才能申請。

　　同時(shí)訪問方式：某些資源例如磁盤設(shè)備等，一次可以給多個(gè)線程“同時(shí)”訪問，這種“同時(shí)”是宏觀上的，實(shí)際上還是多個(gè)線程交替訪問。

　　臨界資源指的是一段時(shí)間內(nèi)只能由一個(gè)線程訪問的資源，而臨界區(qū)指的是每個(gè)線程中訪問臨界資源的那部分代碼。顯然，若能保證每個(gè)線程互斥地進(jìn)入自己的臨界區(qū)，便可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)線程對臨界資源的互斥訪問。為此，需要在每個(gè)線程進(jìn)入臨界區(qū)前需要對訪問的臨界資源進(jìn)行檢查，如果它是空閑的，則進(jìn)入臨界區(qū)；否則等待，直到臨界資源空閑。具體流程如下：

　　進(jìn)入?yún)^(qū)：檢查臨界資源的狀態(tài)，如果空閑，則將其狀態(tài)改為被訪問，并進(jìn)入臨界區(qū)；如果被訪問，則循環(huán)等待，直到其狀態(tài)變?yōu)榭臻e。

　　臨界區(qū)：訪問臨界資源。

　　退出區(qū)：將臨界資源的狀態(tài)改為空閑，并釋放臨界資源。

　　Java提供synchronized關(guān)鍵字標(biāo)識方法或代碼塊，被標(biāo)識的方法稱為同步方法，被標(biāo)識的代碼塊稱為同步代碼塊。每個(gè)對象都有一個(gè)監(jiān)視器與之關(guān)聯(lián)。當(dāng)線程通過該對象執(zhí)行同步方法或同步代碼塊時(shí)，它首先試圖獲取監(jiān)視器，如果獲取到監(jiān)視器，則鎖定該對象，防止其他線程通過該對象執(zhí)行同步方法或同步代碼塊，執(zhí)行結(jié)束后，解鎖該對象并釋放監(jiān)視器；如果獲取不到監(jiān)視器，表示有其他線程通過該對象執(zhí)行同步方法或同步代碼塊，則會進(jìn)入等待。所以，監(jiān)視器的作用就相當(dāng)于進(jìn)入?yún)^(qū)和退出區(qū)的作用。

　　例如：定義兩種線程——生產(chǎn)者（Producer）和消費(fèi)者（Consumer），生產(chǎn)者每次會產(chǎn)生一個(gè)數(shù)，消費(fèi)者每次會取出一個(gè)數(shù)。Producer和Consumer線程對象通過同一個(gè)Store對象來調(diào)用Store的同步方法。

1 class Store { 2 3 private int value; 4 5 public synchronized int getValue() { 6 System.out.println("-取出" + value); 7 return value; 8 } 9 10 public synchronized void setValue(int value) { 11 this.value = value; 12 System.out.println("放入" + value); 13 } 14 15 } Store 1 @Test 2 void test() { 3 Store store = new Store(); 4 Thread producer = new Producer(store); // 繼承Thread類的線程類對象的初始化 5 Thread consumer = new Thread(new Consumer(store)); // 實(shí)現(xiàn)Runnable接口的線程類對象的初始化 6 producer.start(); 7 consumer.start(); 8 } test

　　部分輸出結(jié)果：

　　當(dāng)Consumer線程對象調(diào)用getValue()方法時(shí)，會獲取監(jiān)視器，鎖定Store對象，直到方法返回后解鎖Store對象，釋放監(jiān)視器；當(dāng)Producer線程對象調(diào)用setValue()方法時(shí)也是如此。所以在創(chuàng)建Producer和Consumer線程對象時(shí)需要傳入同一個(gè)Store對象。如果傳入不同的Store對象，每一個(gè)Store對象都有一個(gè)監(jiān)視器，則起不到鎖定的效果。

　　根據(jù)輸出結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：取出多次數(shù)后才放入一次數(shù)，放入多次數(shù)后才取出一次數(shù)。要實(shí)現(xiàn)放入一個(gè)數(shù)后取出一個(gè)數(shù)的效果，則需要添加一個(gè)標(biāo)識量。

　　改進(jìn)：在Store類中添加一個(gè)mutex標(biāo)識量，當(dāng)mutex為true時(shí)，表示Store內(nèi)存了一個(gè)數(shù)，等待Consumer來取；為false時(shí)，表示Store內(nèi)沒有數(shù)，等待Producer生產(chǎn)數(shù)。

1 class Store { 2 3 private int value; 4 private boolean mutex; // mutex初始值為false，表示沒有數(shù) 5 6 public synchronized int getValue() { 7 while (! mutex) { // mutex為false時(shí)進(jìn)入等待 8 try { 9 wait(); 10 } catch (InterruptedException e) { 11 e.printStackTrace(); 12 } 13 } 14 System.out.println("-取出" + value); 15 mutex = false; // 取出數(shù)后將mutex置為false 16 notify(); 17 return value; 18 } 19 20 public synchronized void setValue(int value) { 21 while (mutex) { // mutex為true時(shí)進(jìn)入等待 22 try { 23 wait(); 24 } catch (InterruptedException e) { 25 e.printStackTrace(); 26 } 27 } 28 this.value = value; 29 System.out.println("放入" + value); 30 mutex = true; // 放入數(shù)后將mutex置為true 31 notify(); 32 } 33 34 } Store