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[Java教程]java 多线程剖析


问题的缘由源自于一道简单的面试题:题目要求如下:

建立三个线程,A线程打印10次A,B线程打印10次B,C线程打印10次C,要求线程同时运行,交替打印10次ABC。

解决问题前我们前补充一些基本知识:

Runnable和Thread

线程的启动

线程的起动并不是简单的调用了你的RUN方法,而是由一个线程调度器来分别调用你的所有线程的RUN方法,
我们普通的RUN方法如果没有执行完是不会返回的,也就是会一直执行下去,这样RUN方法下面的方法就不可能会执行了,可是线程里的RUN方法却不一样,它只有一定的CPU时间,执行过后就给别的线程了,这样反复的把CPU的时间切来切去,因为切换的速度很快,所以我们就感觉是很多线程在同时运行一样.

你简单的调用run方法是没有这样效果的,所以你必须调用Thread类的start方法来启动你的线程.所以你启动线程有两种方法
一是写一个类继承自Thread类,然后重写里面的run方法,用start方法启动线程
二是写一个类实现Runnable接口,实现里面的run方法,用new Thread(Runnable target).start()方法来启动

这两种方法都必须实现RUN方法,这样线程起动的时候,线程管理器好去调用你的RUN方法.

start()和run()的关系

通过调用Thread类的start()方法来启动一个线程, 
这时此线程是处于就绪状态,
并没有运行。
然后通过此Thread类调用方法run()来完成其运行操作的,
这里方法run()称为线程体,
它包含了要执行的这个线程的内容,
Run方法运行结束,
此线程终止,
而CPU再运行其它线程,

而如果直接用Run方法,
这只是调用一个方法而已,
程序中依然只有主线程--这一个线程,
其程序执行路径还是只有一条,
这样就没有达到写线程的目的。

区别

Thread类是在java.lang包中定义的。一个类只要继承了Thread类同时覆写了本类中的run()方法就可以实现多线程操作了,但是一个类只能继承一个父类,这是此方法的局限。

实现Runnable接口相对于继承Thread类来说,有如下显著的好处: 

(1)适合多个相同程序代码的线程去处理同一资源的情况,把虚拟CPU(线程)同程序的代码,数据有效的分离,较好地体现了面向对象的设计思想。 

(2)可以避免由于Java的单继承特性带来的局限。我们经常碰到这样一种情况,即当我们要将已经继承了某一个类的子类放入多线程中,由于一个类不能同时有两个父类,所以不能用继承Thread类的方式,那么,这个类就只能采用实现Runnable接口的方式了。 

(3)有利于程序的健壮性,代码能够被多个线程共享,代码与数据是独立的。当多个线程的执行代码来自同一个类的实例时,即称它们共享相同的代码。多个线程操作相同的数据,与它们的代码无关。当共享访问相同的对象是,即它们共享相同的数据。当线程被构造时,需要的代码和数据通过一个对象作为构造函数实参传递进去,这个对象就是一个实现了Runnable接口的类的实例。 

我在测试中发现,继承Thread的时候线程是顺序的,实现Runnable的时候确实不确定顺序的

wait和notify以及sleep

Obj.wait(),与Obj.notify()必须要与synchronized(Obj)一起使用,也就是wait,与notify是针对已经获取了Obj锁进行操作,从语法角度来说就是Obj.wait(),Obj.notify必须在synchronized(Obj){...}语句块内。从功能上来说wait就是说线程在获取对象锁后,主动释放对象锁,同时本线程休眠。直到有其它线程调用对象的notify()唤醒该线程,才能继续获取对象锁,并继续执行。相应的notify()就是对对象锁的唤醒操作。但有一点需要注意的是notify()调用后,并不是马上就释放对象锁的,而是在相应的synchronized(){}语句块执行结束,自动释放锁后,JVM会在wait()对象锁的线程中随机选取一线程,赋予其对象锁,唤醒线程,继续执行。这样就提供了在线程间同步、唤醒的操作。Thread.sleep()与Object.wait()二者都可以暂停当前线程,释放CPU控制权,主要的区别在于Object.wait()在释放CPU同时,释放了对象锁的控制。

对于sleep()方法,我们首先要知道该方法是属于Thread类中的。而wait()方法,则是属于Object类中的。

sleep()方法导致了程序暂停执行指定的时间,让出cpu该其他线程,但是他的监控状态依然保持者,当指定的时间到了又会自动恢复运行状态。

在调用sleep()方法的过程中,线程不会释放对象锁。

而当调用wait()方法的时候,线程会放弃对象锁,进入等待此对象的等待锁定池,只有针对此对象调用notify()方法后本线程才进入对象锁定池准备

有了这下知识之后,下面我们来解决问题吧

题目剖析

从题目我们可以得到几个要点:

1:线程同时运行:但是对线程的启动没有做要求

2:每个线程打印十次对应的字母

3:交替打印:意味着三个线程的的打印操作有严格的顺序性

思路分析

1:每个线程打印不同的字母,操作类似,可以用统一的类来实现,并且用不用的自己初始化

2:线程之间之间有先后性,打印A的线程打印了,打印B的线程才能打印,然后到C,循环

如何保证线程之间的执行顺序的有序性是本题目的难点,

难点突破

打印的线程应该在打印一次A之后就应该进入等待状态,直到打印C的线程打印一次C之后在重新执行

打印B、C的线程也类似

简单思路

定义三个Object遍历a,b,c,每个线程同时获得这三个对象锁才打印对应的字母一次,打印一次后释放另外两个对象的锁

问题

每个线程都要同时获得三个对象锁才能打印,那个第一个线程打印完,如果只是释放另外两个对象的锁,那个就没有线程可以继续打印了;

如果三个都释放,那意味着当前线程可以继续打印了。

所以,用三个对象锁的思路似乎是行不通了

正确的思路之一(可能还有其他思路)

每个线程只有同时获得自己和自己的前缀对象的锁(例如A的前缀是C,B的是A),才能打印一次自己的字母,然后释放自己前缀对象的锁,进入自己前端对象的等待线程池里面,等待自己前缀对象被唤醒之后才能继续打印

那么自己前缀对象什么时候被唤醒呢?

很简单的思路,打印A的线程在打印一次A之后进入等待C对象的线程池里面,那么只要打印C的线程在打印自己的时候唤醒一下自己就好了,这样打印A的线程就可以在打印C的线程打印一次C之后马上可以打印一次A;

打印完一次自己后,马上唤醒自己,然后释放自己前缀对象的锁,进入自己前端对象的等待线程池里面,让自己的后缀线程可以马上打印,依次循环,问题好像已经解决了。

潜在问题

由于每个线程只拥有两个锁,并且只等待一个锁,那么对线程的启动顺序还是有要求的。假如启动的顺序是ACB,我们来分析一下:

线程A:一开始获得AC两个锁,打印A,唤醒A,进入等待C被唤醒的线程池,释放AC

线程B:一开始获得AB两个锁,打印B,唤醒B,进入等待A被唤醒的线程池,释放AB

线程C:一开始获得BC两个锁,打印C,唤醒C,进入等待B被唤醒的线程池,释放BC

这完全是没有问题的,所以我们必须保证打印ABC对应的线程顺序启动

做法很简单:启动A后短暂sleep一下就好,如果只是这样

    new Thread(aThread).start();//    Thread.sleep(10);    new Thread(bThread).start();//    Thread.sleep(10);    new Thread(cThread).start();//    Thread.sleep(10);

如果你的类是implements Runnable的话,那个着三个线程启动的顺序是没有保证的,

当然,你可以改成extends Thread,这样的话这三个线程就是顺序启动的。

下面是完整的实现代码:

/** * * @author 戚伟杰 * @version 2015年11月20日 上午10:15:07  */public class MyThreadPrint implements Runnable{  private String name;  private Object prev;  private Object self;  public MyThreadPrint(String name,Object prev,Object self) {    // TODO Auto-generated constructor stub    this.name = name;    this.prev = prev;    this.self = self;  }  @Override  public void run() {    // TODO Auto-generated method stub    int count = 10;    while(count>0){      synchronized (prev) {        synchronized (self) {          System.out.print(name);          count--;//          self.notify();        }        try {          prev.wait();        } catch (InterruptedException e) {          // TODO Auto-generated catch block          e.printStackTrace();        }      }    }  }  public static void main(String[] args) throws InterruptedException{    Object a = new Object();     Object b = new Object();    Object c = new Object();    MyThreadPrint aThread = new MyThreadPrint("a",c,a);    MyThreadPrint bThread = new MyThreadPrint("b",a,b);    MyThreadPrint cThread = new MyThreadPrint("c",b,c);    new Thread(aThread).start();//    Thread.sleep(10);    new Thread(bThread).start();//    Thread.sleep(10);    new Thread(cThread).start();//    Thread.sleep(10);//    aThread.run();//    bThread.run();//    cThread.run();  }}

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