java学习笔记15--多线程编程基础2

2021-06-30 21:24:58

线程的生命周期

1、线程的生命周期

线程从产生到消亡的过程

一个线程在任何时刻都处于某种线程状态（thread state）

线程生命周期状态图

诞生状态

线程刚刚被创建

就绪状态

线程的 start 方法已被执行

线程已准备好运行

运行状态

处理机分配给了线程，线程正在运行

阻塞状态（Blocked）

在线程发出输入/输出请求且必须等待其返回

遇到用synchronized标记的方法而未获得其监视器暂时不能进入执行时

休眠状态（Sleeping）

执行sleep方法而进入休眠

死亡状态

线程已完成或退出

2、死锁问题

死锁

线程在运行过程中，其中某个步骤往往需要满足一些条件才能继续进行下去，如果这个条件不能满足，线程将在这个步骤上出现阻塞

线程A可能会陷于对线程B的等待，而线程B同样陷于对线程C的等待，依次类推，整个等待链最后又可能回到线程A。如此一来便陷入一个彼此等待的轮回中，任何线程都动弹不得，此即所谓死锁（deadlock）

对于死锁问题，关键不在于出现问题后调试，而是在于预防

设想一个游戏，规则为3个人站在三角形的三个顶点的位置上，三个边上放着三个球，如图所示。每个人都必须先拿到自己左手边的球，才能再拿到右手边的球，两手都有球之后，才能够把两个球都放下

创建3个线程模拟3个游戏者的行为。

class Balls {
    boolean flag0 = false;    //0号球的标志变量，true表示已被人拿，false表示未被任何人拿
    boolean flag1 = false;    //1号球的标志变量
    boolean flag2 = false;    //2号球的标志变量
}
class Player0 extends Thread {    //0号游戏者的类
    private Balls ball;
    public Player0(Balls b) {
        this.ball = b;
    }
    public void run() {
        while(true) {
            while(ball.flag1 == true){}    //如果1号球已被拿走，则等待
            ball.flag1 = true;    //拿起1号球
            while(ball.flag0 == true){}    //如果0号球已被拿走，则等待
            if(ball.flag1 == true && ball.flag0 == false) {
                ball.flag0 = true;    //拿起0号球
                System.out.println("Player0 has got two balls!");
                ball.flag1 = false;    //放下1号球
                ball.flag0 = false;    //放下0号球
                try {
                    sleep(1);        //放下后休息1ms
                } catch (Exception e) {
                    
                }
            }
        }
    }
}
class Player1 extends Thread {    //1号游戏者的类
    private Balls ball;
    public Player1(Balls b) {
        this.ball = b;
    }
    public void run() {
        while(true) {
            while(ball.flag0 == true){}
            ball.flag0 = true;
            while(ball.flag1 == true){}
            if(ball.flag0 == true && ball.flag1 == false) {
                ball.flag1 = true;
                System.out.println("Player0 has got two balls!");
                ball.flag0 = false;
                ball.flag1 = false;
                try {
                    sleep(1);
                } catch (Exception e) {
                    
                }
            }
        }
    }
}
class Player2 extends Thread {    //2号游戏者的类
    private Balls ball;
    public Player2(Balls b) {
        this.ball = b;
    }
    public void run() {
        while(true) {
            while(ball.flag2 == true){}
            ball.flag2 = true;
            while(ball.flag1 == true){}
            if(ball.flag2 == true && ball.flag1 == false) {
                ball.flag1 = true;
                System.out.println("Player0 has got two balls!");
                ball.flag2 = false;
                ball.flag1 = false;
                try {
                    sleep(1);
                } catch (Exception e) {
                    
                }
            }
        }
    }
}
public class playball {
    public static void main(String[] args) {
        Balls ball = new Balls();    //创建一个球类对象
        Player0 p0 = new Player0(ball);    //创建0号游戏者
        Player1 p1 = new Player1(ball);    //创建1号游戏者
        Player2 p2 = new Player2(ball);    //创建2号游戏者
        p0.start();    //启动0号游戏者
        p1.start();    //启动1号游戏者
        p2.start();    //启动2号游戏者
    }
}

运行结果:

若干次后将陷入死锁，不再有输出信息，即任何人都不能再同时拥有两侧的球

程序说明:

如果刚好3个人都拿到了左手边的球，都等待那右手边的球，则因为谁都不能放手，则这3个线程都将陷入无止尽的等待当中，这就构成了死锁

为了便于观察死锁发生的条件，我们在每个游戏者放下两边的球后增加了sleep语句

为了避免死锁，需要修改游戏规则，使每个人都只能先抢到两侧中号比较小的球，才能拿另一只球，这样就不会再出现死锁现象

3、控制线程的生命

结束线程的生命

用stop方法可以结束线程的生命

但如果一个线程正在操作共享数据段，操作过程没有完成就用stop结束的话，将会导致数据的不完整，因此并不提倡使用此方法

通常，可通过控制run方法中循环条件的方式来结束一个线程

线程不断显示递增整数，按下回车键则停止执行：

class TestThread1 extends Thread {
    private boolean flag = true;
    public void stopme() {    //在此方法中控制循环条件
        flag = false;
    }
    public void run() {
        int i = 0;
        while(flag) {
            System.out.println(i++);  //如果flag为真则一直显示递增整数
        }
    }
}
public class ext8_12 {
    public static void main(String[] args)  throws IOException{
        TestThread1 t = new TestThread1();
        t.start();
        new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)).readLine();    //等待键盘输入
        t.stopme();        //调用stopme方法结束t线程
    }
}

运行效果为按下回车键后则停止显示

线程的优先级

线程调度

在单CPU的系统中，多个线程需要共享CPU，在任何时间点上实际只能有一个线程在运行

控制多个线程在同一个CPU上以某种顺序运行称为线程调度

Java虚拟机支持一种非常简单的、确定的调度算法，叫做固定优先级算法。这个算法基于线程的优先级对其进行调度

线程的优先级

每个Java线程都有一个优先级，其范围都在1和10之间。默认情况下，每个线程的优先级都设置为5

在线程A运行过程中创建的新的线程对象B，初始状态具有和线程A相同的优先级

如果A是个后台线程，则B也是个后台线程

可在线程创建之后的任何时候，通过setPriority(int priority)方法改变其原来的优先级

基于线程优先级的线程调度

具有较高优先级的线程比优先级较低的线程优先执行

对具有相同优先级的线程，Java的处理是随机的

底层操作系统支持的优先级可能要少于10个，这样会造成一些混乱。因此，只能将优先级作为一种很粗略的工具使用。最后的控制可以通过明智地使用yield()函数来完成

我们只能基于效率的考虑来使用线程优先级，而不能依靠线程优先级来保证算法的正确性

假设某线程正在运行，则只有出现以下情况之一，才会使其暂停运行

一个具有更高优先级的线程变为就绪状态（Ready）；

由于输入/输出（或其他一些原因）、调用sleep、wait、yield方法使其发生阻塞；

对于支持时间分片的系统，时间片的时间期满

例子：创建两个具有不同优先级的线程，都从1递增到400000，每增加50000显示一次

class TestThread2 extends Thread {
    private int tick = 1;
    private int num;
    public TestThread2(int i) {
        this.num = i;
    }
    public void run() {
        while(tick < 400000) {
            tick++;
            if((tick % 50000) == 0) {    //每隔50000进行显示
                System.out.println("Thread#" + num +",tick=" + tick);
                yield();    //放弃执行权
            }
        }
    }
}
public class ext8_13 {
    public static void main(String[] args) {
        TestThread2[] runners = new TestThread2[2];
        for(int i = 0; i < 2; i++)    runners[i] = new TestThread2(i);
        runners[0].setPriority(2);
        runners[1].setPriority(3);
        for(int i = 0; i < 2; i++)
            runners[i].start();
    }
}

运行结果如下：

Thread #1, tick = 50000

Thread #1, tick = 100000

Thread #1, tick = 150000

Thread #1, tick = 200000

Thread #1, tick = 250000

Thread #1, tick = 300000

Thread #1, tick = 350000

Thread #1, tick = 400000

Thread #0, tick = 50000

Thread #0, tick = 100000

Thread #0, tick = 150000

Thread #0, tick = 200000

Thread #0, tick = 250000

Thread #0, tick = 300000

Thread #0, tick = 350000

Thread #0, tick = 400000

结果说明：

具有较高优先级的线程1一直运行到结束，具有较低优先级的线程0才开始运行

虽然具有较高优先级的线程1调用了yield方法放弃CPU资源，允许线程0进行争夺，但马上又被线程1抢夺了回去，所以有没有yield方法都没什么区别

如果在yield方法后增加一行sleep语句，让线程1暂时放弃一下在CPU上的运行，哪怕是1毫秒，则线程0也可以有机会被调度。修改后的run方法如下：

    public void run() {
        while(tick < 400000) {
            tick++;
            if((tick % 50000) == 0) {    //每隔50000进行显示
                System.out.println("Thread#" + num +",tick=" + tick);
                yield();    //放弃执行权
                try {
                    sleep(1);
                } catch(Exception e) {
                    
                }
            }
        }
    }