多线程原理详解

01_线程简介

任务、进程、线程、多线程

多任务

就是在一个时间内做很多事情，比如边吃饭变玩手机，但是本质上，在那一秒内，其实只是在玩手机，或者在一秒内只是在吃饭。
看起来像是多个任务都在做，其实本质上我们的大脑在同一时间依旧只做了一件事情而已

多线程

比如原本一条道路看成一个线程，多辆车都在一个道路上形式，容易出问题。
但是如果给道路划分路线，相当于弄多条线程，让多辆车在各自的线程行驶，出问题的概率就变小。

平常项目中的普通的方法调用，基本是一条线程走到底，即使调用方法，也是在方法执行完后继续往下走，只用到主线程而已。

多线程就是多条线程各自执行，效率更高。

就像一个大超市，只有一个收银员（单线程）和多个收银员（多线程）的区别。

程序、进程、线程

在操作系统中运行的程序就是进程，比如微信、QQ、腾讯视频、游戏这些就是程序，也就是进程。

一个进程（腾讯视频）可以有多个线程（视频声音、图像、弹幕等）

Process（进程）与 Thread （线程）

程序（静态的）–>程序跑起来变成进程（动态的）–>进程里面包含多个线程，真正执行功能的就是这些线程

总结：

注意：

单核 CPU 上所谓的"多线程"那是假的多线程，同一时间处理器只会处理一段逻辑，只不过线程之间切换得比较快，看着像多个线程"同时"运行罢了。

多核 CPU 上的多线程才是真正的多线程，它能让你的多段逻辑同时工作，多线程，可以真正发挥出多核 CPU 的优势来，达到充分利用 CPU 的目的

02_线程创建三种方式：

三种创建方式主要是：继承 Thread 类、实现 Runnable 接口，还有一个是 实现 Callable 接口

最好的是实现 Runnable 接口，因为实现接口的方式比继承类的方式更灵活，也能减少程序之间的耦合度。

这三种方式都能开启多个线程来执行业务逻辑。

1、继承 Thread 类

步骤：

1、自定义一个类，继承 Thread 类；
2、重写 run() 方法，编写线程执行体；
3、创建线程对象，调用 start() 方法启动线程；

解释：

自定义一个类去继承Thread 类，作为一个线程类对象，然后就可以重写Thread类的 run() 方法；
接着在main主线程里面，可以通过线程对象去调用 start() 方法，该方法的作用是让 java 虚拟机去启动一个新的线程去执行 run() 方法里面的代码。
然后主线程继续执行自己的业务代码。

这样主线程和新的线程就都同时执行，这个就是多线程操作。

1-1：通过继承Thread类实现多线程

当我们调用 start() 方法后，start() 方法会通知 Java 虚拟机启动一个新线程（也就是子线程），并在新线程中调用该线程对象（t1）的 run() 方法。

而主线程调用start() 方法后，也会继续执行下面的代码。

这个时候，主线程和新线程就会并发执行，这样就演示出了多线程并发执行的特性。

演示代码

//创建线程方式一：继承 Thread 类， 重写 run() 方法，调用 start() 方法开启线程
//注意：线程开启不一定立即执行，由 CPU 调度执行
public class TestThread01 extends Thread
{//重写 run() 方法@Overridepublic void run(){//run 方法线程体for (int i = 0; i < 20; i++){System.err.println("run方法线程：bbbbbb--->" + i);}}//main 主线程public static void main(String[] args){//创建一个线程对象TestThread01 t1 = new TestThread01();//直接调用run方法，只是普通的调用，跟多线程没有关系//t1.run();//调用start()方法开启线程，主线程和run()方法的线程就会同时进行t1.start();for (int i = 0; i < 20; i++){System.err.println("main主线程：aaaaaaaaaa--->" + i);}}}

1-2：演示多线程同步下载图片：

先下载一个 Apache 的 Commons IO 的 jar 包，是一个文件下载的工具类库

下载之后解压，把这个 jar 包拷贝到项目里面去

点击右键，点击【Add library】添加进去即可。
有了这个工具类库，才可以使用比如 FileUtils 这样的工具类

代码实现：

代码中，可以看出如果是单线程下载这3张图片的话，下载顺序应该是1、2、3
可从结果看，下载顺序是3、2、1，说明是多线程在同步下载图片，哪条线程快就哪条先下载完。

如图，图片成功下载下来了，这图片是我其他 博客文章里面的图片

演示代码

package cn.ljh.threaddemo.demo01;
import org.apache.commons.io.FileUtils;
import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.net.URL;// 实现多线程同步下载图片
public class TestThread02 extends Thread
{private String url; //网络图片地址private String name;//保存的文件名//构造器public TestThread02(String url ,String name){this.url = url;this.name = name;}//重写run方法@Overridepublic void run(){//run方法里面调用了文件下载的downloader方法WebDownloader webDownloader = new WebDownloader();webDownloader.downloader(url,name);System.err.println("下载了文件名为："+ name);}//主线程public static void main(String[] args){//创建三个线程对象TestThread02 t1 = new TestThread02("https://img-blog.csdnimg.cn/direct/0aded64215424e0488d3da76357750b6.png","1.jpg");TestThread02 t2 = new TestThread02("https://img-blog.csdnimg.cn/direct/0aded64215424e0488d3da76357750b6.png","2.jpg");TestThread02 t3 = new TestThread02("https://img-blog.csdnimg.cn/direct/0aded64215424e0488d3da76357750b6.png","3.jpg");//启动3条线程t1.start();t2.start();t3.start();}
}//图片下载器
class WebDownloader{//下载方法public void downloader(String url,String  name){try{//把网络图片地址url变成一个文件，参数1：网络图片地址 ；参数2：下载后保存的文件名FileUtils.copyURLToFile(new URL(url),new File(name));} catch (IOException e){e.printStackTrace();System.err.println("IO异常，downloader 方法出现问题");}}}

2、实现 Runnable 接口 （推荐）

步骤：

1、自定义一个类，实现 Runnable 接口；
2、实现 run() 方法，编写线程执行体；
3、创建线程对象，调用 start() 方法启动线程；

2-1：通过实现Runnable接口来实现多线程

这个和上面继承 Thread 类的操作差别不大。

如图：这个实现了Runnable接口的自定义线程类TestThread03，作为参数传进到 Thread 这个线程对象里面，然后通过 Thread 这个线程对象调用 start() 方法启动新线程。

解释下这个自定义线程类TestThread03，为什么说它是一个代理对象。

详细解释：

代码中：
将 t 视为一个代理对象的原因是它充当了线程对象（thread）和具体任务逻辑之间的中介。

具体来说，t 自定义线程类对象 实现了 Runnable 接口，并在其 run() 方法中定义了线程要执行的任务逻辑。

当我们通过 Thread 类创建一个 thread 对象时，需要将一个实现了 Runnable接口的对象（t）作为参数传入，那么这个对象（t）就是线程对象（thread）的代理，它 （t） 负责管理线程的生命周期和执行任务的逻辑。

在调用 thread.start() 方法后，线程对象（thread）会自动调用代理对象（t）的 run() 方法，从而执行具体的任务逻辑。

t 作为一个代理对象，充当了线程对象（thread）和具体任务逻辑之间的桥梁，使得线程的管理和任务的执行能够分开进行，提高了代码的灵活性和可维护性。

简单来说：

实现了Runnable接口的t对象，它实现了run()方法，作用是在run()方法里面写具体的业务逻辑代码。

而创建一个 Thread 对象，作用是用来调用 start() 方法从而启动新线程。

而启动的新线程要执行的业务逻辑代码在t对象的run()方法里面，所以就把 t 作为代理对象传给 thread 对象。

这样就是通过代理的方式实现了线程的启动（thread.start()）和任务（任务在run()方法里面）的执行。

和上面的继承 Thread 类差不多。

再简洁的说法：

继承 Thread 类的自定义线程类对象，是自身调用 start 方法启动新线程。

实现Runnable 接口的自定义线程类对象，是作为创建Thread线程对象的参数，由Thread线程对象来调用start方法启动新线程

具体代码

package cn.ljh.threaddemo.demo01;//创建线程方式2：实现 Runnable 接口，重写 run 方法，执行线程需要丢入 runnable 接口实现类，调用 start 方法public class TestThread03 implements Runnable
{//实现 run() 方法@Overridepublic void run(){//run 方法线程体for (int i = 0; i < 20; i++){System.err.println("run方法线程：bbbbbb--->" + i);}}//main 主线程public static void main(String[] args){//创建 Runnable 接口的实现类对象TestThread03 t = new TestThread03();//创建线程对象，通过线程对象thread来开启我们的线程---代理对象tThread thread = new Thread(t);thread.start();for (int i = 0; i < 20; i++){System.err.println("main主线程：aaaaaaaaaa--->" + i);}}
}

2-2：通过实现Runnable接口来实现多线程同步下载图片

小小区别：

具体代码

// 实现多线程同步下载图片
public class TestThread04 implements Runnable
{private String url; //网络图片地址private String name;//保存的文件名//构造器public TestThread04(String url ,String name){this.url = url;this.name = name;}//重写run方法@Overridepublic void run(){//run方法里面调用了文件下载的downloader方法WebDownloader04 webDownloader = new WebDownloader04();webDownloader.downloader(url,name);System.err.println("下载了文件名为："+ name);}//主线程public static void main(String[] args){//创建三个线程对象TestThread04 t1 = new TestThread04("https://img-blog.csdnimg.cn/direct/0aded64215424e0488d3da76357750b6.png","1.jpg");TestThread04 t2 = new TestThread04("https://img-blog.csdnimg.cn/direct/0aded64215424e0488d3da76357750b6.png","2.jpg");TestThread04 t3 = new TestThread04("https://img-blog.csdnimg.cn/direct/0aded64215424e0488d3da76357750b6.png","3.jpg");//通过线程对象启动3条线程Thread thread = new Thread(t1);thread.start();new Thread(t2).start();new Thread(t3).start();}
}//图片下载器
class WebDownloader04{//下载方法public void downloader(String url,String  name){try{//把网络图片地址url变成一个文件，参数1：网络图片地址 ；参数2：下载后保存的文件名FileUtils.copyURLToFile(new URL(url),new File(name));} catch (IOException e){e.printStackTrace();System.err.println("IO异常，downloader 方法出现问题");}}
}

2-3：演示多个线程同时操作同一个对象出现的并发问题

演示买火车票的例子

演示多个线程同时操作同一个对象—以买火车票为例子

多个线程操作同一个资源的情况下，线程不安全，数据紊乱，
这个就是多线程情况下会出现的并发问题。

具体代码

//演示多个线程同时操作同一个对象---以买火车票为例子
//出现问题：多个线程操作同一个资源的情况下，线程不安全，数据紊乱
public class TestThread05 implements Runnable
{//票数private int ticketNums = 10;@Overridepublic void run(){while (true){if (ticketNums<=0){//终止当前所在循环break;}//模拟延迟try{Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}System.err.println(Thread.currentThread().getName()+"--->买到了第【 "+ticketNums-- + " 】张票");}}public static void main(String[] args){TestThread05 t = new TestThread05();//启动新线程  参数1：t 就是代理对象   参数2：name 就是当前线程名字new Thread(t,"小黄").start();new Thread(t,"小白").start();new Thread(t,"小绿").start();}
}

通过 synchronized 关键字同步代码块解决并发问题

简单解决下上面买车票的并发问题：

使用 synchronized 保证同一时间只有一个线程能来操作这个代码块。

具体代码

package cn.ljh.threaddemo.demo01;//演示多个线程同时操作同一个对象---以买火车票为例子
//出现问题：多个线程操作同一个资源的情况下，线程不安全，数据紊乱
public class TestThread05 implements Runnable
{//票数private int ticketNums = 10;@Overridepublic void run(){while (true){synchronized (this){if (ticketNums <= 0){//终止当前所在循环break;}System.err.println(Thread.currentThread().getName()+ "--->买到了第【 " + ticketNums-- + " 】张票");}//模拟延迟try{Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}}public static void main(String[] args){TestThread05 t = new TestThread05();//启动新线程  参数1：t 就是代理对象   参数2：name 就是当前线程名字Thread t1 = new Thread(t, "小黄");Thread t2 = new Thread(t, "小白");Thread t3 = new Thread(t, "小绿");t1.start();t2.start();t3.start();}
}

2-4：演示龟兔赛跑案例

自定义一个线程类，实现 Runnable 接口，然后启动两个线程（一个兔子线程和一个乌龟线程），用for循环，看哪个线程先执行到100米。

用多线程的方式模拟龟兔赛跑代码分析

具体代码

// 模拟龟兔赛跑案例
public class Race implements Runnable
{//胜利者private static String winner;//实现 run() 方法@Overridepublic void run(){for (int i = 0; i <= 100; i++){//模拟兔子休息--当前线程是"兔子" 并且 每跑10步，就休息一会if (Thread.currentThread().getName().equals("兔子") && i%10==0){try{Thread.sleep(5);} catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}//判断比赛是否结束boolean flag = gameOver(i);//如果flag为true，表示比赛结束，直接终止当前所在循环if (flag){break;}System.err.println(Thread.currentThread().getName()+ " ---> 跑了【 " + i + " 】步");}}//主线程public static void main(String[] args){Race race = new Race();//启动名为兔子的新线程new Thread(race, "兔子").start();//启动名为乌龟的新线程new Thread(race, "乌龟").start();}//判断是否完成比赛的方法public boolean gameOver(int steps){//判断是否有胜利者if (winner != null){//已经存在胜利者了，返回truereturn true;} else if (steps >= 100){winner = Thread.currentThread().getName();System.err.println("胜利者是：【 " + winner + " 】");return true;}return false;}
}

3、实现 Callable 接口

步骤：

演示多线程同时下载图片

演示的依然是这个多线程同时下载图片的功能，不过这里是实现 Callable 接口。

这里的多线程操作，是通过创建一个线程池，然后把实现了 Callable 接口的自定义线程类对象（t1、t2、t3）作为任务参数提交给线程池去执行，并且可以获取线程执行后的结果，最后关闭线程池。

t1、t2、t3各自代表一个任务，它们实现了Callable接口，并且在call()方法中定义了具体的任务逻辑。
提交t1、t2、t3任务给线程池后，线程池会负责安排线程来执行t1、t2、t3中定义的任务逻辑。

通过源码可以看出 ，Callable 接口里面只有一个 call() 方法需要重写

具体代码

import org.apache.commons.io.FileUtils;import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.net.URL;
import java.util.concurrent.*;//线程创建方式三：实现 Callable 接口
/*** Callable 的好处* 1、可以定义返回值* 2、可以抛出异常*/// 实现多线程同步下载图片
public class TestCallable implements Callable<Boolean>
{private String url; //网络图片地址private String name;//保存的文件名//构造器public TestCallable(String url, String name){this.url = url;this.name = name;}//实现 Call 方法@Overridepublic Boolean call() throws Exception{//run方法里面调用了文件下载的downloader方法WebDownloader webDownloader = new WebDownloader();webDownloader.downloader(url, name);System.err.println("下载了文件名为：" + name);//返回true表示任务执行成功return true;}//主线程public static void main(String[] args) throws Exception{//创建三个线程对象TestCallable t1 = new TestCallable("https://img-blog.csdnimg.cn/direct/beb94daf07094fd5979693243c8ac60b.png","1.jpg");TestCallable t2 = new TestCallable("https://img-blog.csdnimg.cn/direct/beb94daf07094fd5979693243c8ac60b.png","2.jpg");TestCallable t3 = new TestCallable("https://img-blog.csdnimg.cn/direct/beb94daf07094fd5979693243c8ac60b.png","3.jpg");//ExecutorService是Java中用于管理线程池的接口，通过ExecutorService，可以创建一个线程池，并使用该线程池执行任务// 1、创建执行服务：创建了一个固定大小为3的线程池，这意味着该线程池最多同时运行3个线程    fixed：固定的ExecutorService ser = Executors.newFixedThreadPool(3);// 2、提交执行：使用ExecutorService的submit()方法提交了三个任务（t1、t2、t3）给线程池执行，并且通过Future对象（r1、r2、r3）接收返回结果Future<Boolean> r1 = ser.submit(t1);Future<Boolean> r2 = ser.submit(t2);Future<Boolean> r3 = ser.submit(t3);// 3、获取返回值结果Boolean result1 = r1.get();Boolean result2 = r2.get();Boolean result3 = r3.get();System.err.println(result1);System.err.println(result2);System.err.println(result3);// 4、关闭服务，也就是关闭线程池ser.shutdown();}//图片下载器class WebDownloader{//下载方法public void downloader(String url, String name){try{//把网络图片地址url变成一个文件，参数1：网络图片地址 ；参数2：下载后保存的文件名FileUtils.copyURLToFile(new URL(url), new File(name));} catch (IOException e){e.printStackTrace();System.err.println("IO异常，downloader 方法出现问题");}}}
}

4、总结：三种创建方式的区别：

Thread、Runnable、Callable，都能用来开启多个线程来执行业务逻辑。

继承Thread 类 和 实现 Runnable接口的对比：

OOP 指的是面向对象编程（Object-Oriented Programming）

继承 Thread 类：（重写run()方法）
自定义线程子类A，继承 Thread 类，然后重写 run() 方法，把具体的业务逻辑写在run方法里面。
通过子类自身去调用 start() 方法，让 JVM 去开启一条新的线程去执行 run() 方法。

这样就可以启动多条线程。

实现 Runnable 接口：（实现 run() 方法）
自定义线程类B，实现 Runnable 接口，它启动多个线程，是通过 创建多个Thread 线程对象，然后把线程类B作为参数传给 Thread 线程对象，由Thread线程对象来调用 start 方法的。

实现 Callable 接口：（实现 call() 方法）

自定义线程类C，实现 Callable 接口，它启动多个线程，是通过创建一个线程池，然后把线程类对象C作为任务参数提交到线程池，由线程池负责提供新线程来执行线程类对象C中定义的任务逻辑。
线程类对象C中定义的任务逻辑，就是指重写 call() 方法里面的业务逻辑。