彻底明白Java的多线程及线程的同步过程

一． 实现多线程

　　1. 虚假的多线程

　　例1：

　　public class TestThread { int i=0, j=0; public void go(int flag){ while(true){ try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } if(flag==0) i++; System.out.println("i=" + i); } else{ j++; System.out.println("j=" + j); } } } public static void main(String[] args){ new TestThread().go(0); new TestThread().go(1); }}

　　上面程序的运行结果为：

　　i=1

　　i=2

　　i=3

　　。。。

　　结果将一直打印出I的值。我们的意图是当在while循环中调用sleep()时，另一个线程就将起动，打印出j的值，但结果却并不是这样。关于sleep()为什么不会出现我们预想的结果，在下面将讲到。

　　2. 实现多线程

　　通过继承class　Thread或实现Runnable接口，我们可以实现多线程

　　2.1 通过继承class　Thread实现多线程

　　class　Thread中有两个最重要的函数run()和start()。

　　1) run()函数必须进行覆写，把要在多个线程中并行处理的代码放到这个函数中。

　　2) 虽然run()函数实现了多个线程的并行处理，但我们不能直接调用run()函数，而是通过调用start()函数来调用run()函数。在调用start()的时候，start()函数会首先进行与多线程相关的初始化（这也是为什么不能直接调用run()函数的原因），然后再调用run()函数。

　　例2：

　　public class TestThread extends Thread{ private static int threadCount = 0; private int threadNum = ++threadCount; private int i = 5; public void run(){ while(true){ try{ Thread.sleep(100);　 } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } System.out.println("Thread " + threadNum + " = " + i); if(--i==0) return; } } public static void main(String[] args){ for(int i=0; i<5; i++) new TestThread().start(); }}

　　运行结果为：

　　Thread 1 = 5

　　Thread 2 = 5

　　Thread 3 = 5

　　Thread 4 = 5

　　Thread 5 = 5

　　Thread 1 = 4

　　Thread 2 = 4

　　Thread 3 = 4

　　Thread 4 = 4

　　Thread 1 = 3

　　Thread 2 = 3

　　Thread 5 = 4

　　Thread 3 = 3

　　Thread 4 = 3

　　Thread 1 = 2

　　Thread 2 = 2

　　Thread 5 = 3

　　Thread 3 = 2

　　Thread 4 = 2

　　Thread 1 = 1

　　Thread 2 = 1

　　Thread 5 = 2

　　Thread 3 = 1

　　Thread 4 = 1

　　Thread 5 = 1

　　从结果可见，例2能实现多线程的并行处理。

　　＊＊：在上面的例子中，我们只用new产生Thread对象，并没有用reference来记录所产生的Thread对象。根据垃圾回收机制，当一个对象没有被reference引用时，它将被回收。但是垃圾回收机制对Thread对象“不成立”。因为每一个Thread都会进行注册动作，所以即使我们在产生Thread对象时没有指定一个reference指向这个对象，实际上也会在某个地方有个指向该对象的reference，所以垃圾回收器无法回收它们。

　　3) 通过Thread的子类产生的线程对象是不同对象的线程

　　class TestSynchronized extends Thread{ public TestSynchronized(String name){ super(name); } public synchronized static void prt(){ for(int i=10; i<20; i++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i); try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } } public synchronized void run(){ for(int i=0; i<3; i++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i); try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } }}public class TestThread{ public static void main(String[] args){ TestSynchronized t1 = new TestSynchronized("t1"); TestSynchronized t2 = new TestSynchronized("t2"); t1.start(); t1.start();　//（1） //t2.start();　（2） }}

　　运行结果为：

　　t1 : 0

　　t1 : 1

　　t1 : 2

　　t1 : 0

　　t1 : 1

　　t1 : 2

　　由于是同一个对象启动的不同线程，所以run()函数实现了synchronized。如果去掉（2）的注释，把代码（1）注释掉，结果将变为：

　　t1 : 0

　　t2 : 0

　　t1 : 1

　　t2 : 1

　　t1 : 2

　　t2 : 2

　　由于t1和t2是两个对象，所以它们所启动的线程可同时访问run()函数。

　　2.2 通过实现Runnable接口实现多线程

　　如果有一个类，它已继承了某个类，又想实现多线程，那就可以通过实现Runnable接口来实现。

　　1) Runnable接口只有一个run()函数。

　　2) 把一个实现了Runnable接口的对象作为参数产生一个Thread对象，再调用Thread对象的start()函数就可执行并行操作。如果在产生一个Thread对象时以一个Runnable接口的实现类的对象作为参数，那么在调用start()函数时，start()会调用Runnable接口的实现类中的run()函数。

　　例3.1：

　　public class TestThread implements Runnable{ private static int threadCount = 0; private int threadNum = ++threadCount; private int i = 5; public void run(){ while(true){ try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } System.out.println("Thread " + threadNum + " = " + i); if(--i==0) return; } } public static void main(String[] args){ for(int i=0; i<5; i++) new Thread(new TestThread()).start();　//（1） }}

　　运行结果为：

　　Thread 1 = 5

　　Thread 2 = 5

　　Thread 3 = 5

　　Thread 4 = 5

　　Thread 5 = 5

　　Thread 1 = 4

　　Thread 2 = 4

　　Thread 3 = 4

　　Thread 4 = 4

　　Thread 4 = 3

　　Thread 5 = 4

　　Thread 1 = 3

　　Thread 2 = 3

　　Thread 3 = 3

　　Thread 4 = 2

　　Thread 5 = 3

　　Thread 1 = 2

　　Thread 2 = 2

　　Thread 3 = 2

　　Thread 4 = 1

　　Thread 5 = 2

　　Thread 1 = 1

　　Thread 2 = 1

　　Thread 3 = 1

　　Thread 5 = 1

　　例3是对例2的修改，它通过实现Runnable接口来实现并行处理。代码（1）处可见，要调用TestThread中的并行操作部分，要把一个TestThread对象作为参数来产生Thread对象，再调用Thread对象的start()函数。

　　3) 同一个实现了Runnable接口的对象作为参数产生的所有Thread对象是同一对象下的线程。

　　例3.2：

　　package mypackage1;public class TestThread implements Runnable{ public synchronized void run(){ for(int i=0; i<5; i++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i); try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } } public static void main(String[] args){ TestThread testThread = new TestThread(); for(int i=0; i<5; i++) //new Thread(testThread, "t" + i).start();　（1） new Thread(new TestThread(), "t" + i).start();　（2） }}

　　运行结果为：

　　t0 : 0

　　t1 : 0

　　t2 : 0

　　t3 : 0

　　t4 : 0

　　t0 : 1

　　t1 : 1

　　t2 : 1

　　t3 : 1

　　t4 : 1

　　t0 : 2

　　t1 : 2

　　t2 : 2

　　t3 : 2

　　t4 : 2

　　t0 : 3

　　t1 : 3

　　t2 : 3

　　t3 : 3

　　t4 : 3

　　t0 : 4

　　t1 : 4

　　t2 : 4

　　t3 : 4

　　t4 : 4

　　由于代码（2）每次都是用一个新的TestThread对象来产生Thread对象的，所以产生出来的Thread对象是不同对象的线程，所以所有Thread对象都可同时访问run()函数。如果注释掉代码（2），并去掉代码（1）的注释，结果为：

　　t0 : 0

　　t0 : 1

　　t0 : 2

　　t0 : 3

　　t0 : 4

　　t1 : 0

　　t1 : 1

　　t1 : 2

　　t1 : 3

　　t1 : 4

　　t2 : 0

　　t2 : 1

　　t2 : 2

　　t2 : 3

　　t2 : 4

　　t3 : 0

　　t3 : 1

　　t3 : 2

　　t3 : 3

　　t3 : 4

　　t4 : 0

　　t4 : 1

　　t4 : 2

　　t4 : 3

　　t4 : 4

　　由于代码（1）中每次都是用同一个TestThread对象来产生Thread对象的，所以产生出来的Thread对象是同一个对象的线程，所以实现run()函数的同步。

　　二． 共享资源的同步

　　1. 同步的必要性

　　例4：

　　class Seq{ private static int number = 0; private static Seq seq = new Seq(); private Seq() {} public static Seq getInstance(){ return seq; } public int get(){ number++; 　//（a） return number;　//（b） }}public class TestThread{ public static void main(String[] args){ Seq.getInstance().get();　//（1） Seq.getInstance().get();　//（2） }}

　　上面是一个取得序列号的单例模式的例子，但调用get()时，可能会产生两个相同的序列号：

　　当代码（1）和（2）都试图调用get()取得一个唯一的序列。当代码（1）执行完代码（a），正要执行代码（b）时，它被中断了并开始执行代码（2）。一旦当代码（2）执行完（a）而代码（1）还未执行代码（b），那么代码（1）和代码（2）就将得到相同的值。

　　2. 通过synchronized实现资源同步

　　2.1 锁标志

　　2.1.1 每个对象都有一个标志锁。当对象的一个线程访问了对象的某个synchronized数据（包括函数）时，这个对象就将被“上锁”，所以被声明为synchronized的数据（包括函数）都不能被调用（因为当前线程取走了对象的“锁标志”）。只有当前线程访问完它要访问的synchronized数据，释放“锁标志”后，同一个对象的其它线程才能访问synchronized数据。

　　2.1.2 每个class也有一个“锁标志”。对于synchronized static数据（包括函数）可以在整个class下进行锁定，避免static数据的同时访问。

　　例5：

　　class Seq{ private static int number = 0; private static Seq seq = new Seq(); private Seq() {} public static Seq getInstance(){ return seq; } public synchronized int get(){ //（1） number++; return number; }}

　　例5在例4的基础上，把get()函数声明为synchronized，那么在同一个对象中，就只能有一个线程调用get()函数，所以每个线程取得的number值就是唯一的了。

　　例6：

　　class Seq{ private static int number = 0; private static Seq seq = null; private Seq() {}synchronized public static Seq getInstance(){ //（1） if(seq==null) seq = new Seq();return seq; } public synchronized int get(){ number++; return number; }}

　　例6把getInstance()函数声明为synchronized，那样就保证通过getInstance()得到的是同一个seq对象。

　　2.2 non-static的synchronized数据只能在同一个对象的纯种实现同步访问，不同对象的线程仍可同时访问。

　　例7：

　　class TestSynchronized implements Runnable{ public synchronized void run(){　//（1） for(int i=0; i<10; i++){System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);/*（2）*/ try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } }}public class TestThread{ public static void main(String[] args){ TestSynchronized r1 = new TestSynchronized(); TestSynchronized r2 = new TestSynchronized(); Thread t1 = new Thread(r1, "t1"); Thread t2 = new Thread(r2, "t2");　//(3) //Thread t2 = new Thread(r1, "t2");　（4） t1.start(); t2.start(); }}

　　运行结果为：

　　t1 : 0

　　t2 : 0

　　t1 : 1

　　t2 : 1

　　t1 : 2

　　t2 : 2

　　t1 : 3

　　t2 : 3

　　t1 : 4

　　t2 : 4

　　t1 : 5

　　t2 : 5

　　t1 : 6

　　t2 : 6

　　t1 : 7

　　t2 : 7

　　t1 : 8

　　t2 : 8

　　t1 : 9

　　t2 : 9

　　虽然我们在代码（1）中把run()函数声明为synchronized，但由于t1、t2是两个对象（r1、r2）的线程，而run()函数是non-static的synchronized数据，所以仍可被同时访问（代码（2）中的sleep()函数由于在暂停时不会释放“标志锁”，因为线程中的循环很难被中断去执行另一个线程，所以代码（2）只是为了显示结果）。

　　如果把例7中的代码（3）注释掉，并去年代码（4）的注释，运行结果将为：

　　t1 : 0

　　t1 : 1

　　t1 : 2

　　t1 : 3

　　t1 : 4

　　t1 : 5

　　t1 : 6

　　t1 : 7

　　t1 : 8

　　t1 : 9

　　t2 : 0

　　t2 : 1

　　t2 : 2

　　t2 : 3

　　t2 : 4

　　t2 : 5

　　t2 : 6

　　t2 : 7

　　t2 : 8

　　t2 : 9

　　修改后的t1、t2是同一个对象（r1）的线程，所以只有当一个线程（t1或t2中的一个）执行run()函数，另一个线程才能执行。

　　2.3 对象的“锁标志”和class的“锁标志”是相互独立的。

　　例8：

　　class TestSynchronized extends Thread{ public TestSynchronized(String name){ super(name); } public synchronized static void prt(){ for(int i=10; i<20; i++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i); try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } } public synchronized void run(){ for(int i=0; i<10; i++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i); try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } }}public class TestThread{ public static void main(String[] args){ TestSynchronized t1 = new TestSynchronized("t1"); TestSynchronized t2 = new TestSynchronized("t2"); t1.start(); t1.prt();　//（1） t2.prt();　//（2） }}

　　运行结果为：

　　main : 10

　　t1 : 0

　　main : 11

　　t1 : 1

　　main : 12

　　t1 : 2

　　main : 13

　　t1 : 3

　　main : 14

　　t1 : 4

　　main : 15

　　t1 : 5

　　main : 16

　　t1 : 6

　　main : 17

　　t1 : 7

　　main : 18

　　t1 : 8

　　main : 19

　　t1 : 9

　　main : 10

　　main : 11

　　main : 12

　　main : 13

　　main : 14

　　main : 15

　　main : 16

　　main : 17

　　main : 18

　　main : 19

　　在代码（1）中，虽然是通过对象t1来调用prt()函数的，但由于prt()是静态的，所以调用它时不用经过任何对象，它所属的线程为main线程。

　　由于调用run()函数取走的是对象锁，而调用prt()函数取走的是class锁，所以同一个线程t1（由上面可知实际上是不同线程）调用run()函数且还没完成run()函数时，它就能调用prt()函数。但prt()函数只能被一个线程调用，如代码（1）和代码（2），即使是两个不同的对象也不能同时调用prt()。

　　3. 同步的优化

　　1) synchronized　block

　　语法为：synchronized(reference){ do this }

　　reference用来指定“以某个对象的锁标志”对“大括号内的代码”实施同步控制。

　　例9：

　　class TestSynchronized implements Runnable{ static int j = 0; public synchronized void run(){for(int i=0; i<5; i++){ //（1） System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + j++); try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } } } public class TestThread{ public static void main(String[] args){ TestSynchronized r1 = new TestSynchronized(); TestSynchronized r2 = new TestSynchronized(); Thread t1 = new Thread(r1, "t1"); Thread t2 = new Thread(r1, "t2"); t1.start(); t2.start(); }}

　　运行结果为：

　　t1 : 0

　　t1 : 1

　　t1 : 2

　　t1 : 3

　　t1 : 4

　　t2 : 5

　　t2 : 6

　　t2 : 7

　　t2 : 8

　　t2 : 9

　　上面的代码的run()函数实现了同步，使每次打印出来的j总是不相同的。但实际上在整个run()函数中，我们只关心j的同步，而其余代码同步与否我们是不关心的，所以可以对它进行以下修改：

　　class TestSynchronized implements Runnable{ static int j = 0; public void run(){ for(int i=0; i<5; i++){ //（1） synchronized(this){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + j++); } try{ Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e){ System.out.println("Interrupted"); } } }}public class TestThread{ public static void main(String[] args){ TestSynchronized r1 = new TestSynchronized(); TestSynchronized r2 = new TestSynchronized(); Thread t1 = new Thread(r1, "t1"); Thread t2 = new Thread(r1, "t2"); t1.start(); t2.start(); }}

　　运行结果为：

　　t1 : 0

　　t2 : 1

　　t1 : 2

　　t2 : 3

　　t1 : 4

　　t2 : 5

　　t1 : 6

　　t2 : 7

　　t1 : 8

　　t2 : 9

　　由于进行同步的范围缩小了，所以程序的效率将提高。同时，代码（1）指出，当对大括号内的println()语句进行同步控制时，会取走当前对象的“锁标志”，即对当前对象“上锁”，不让当前对象下的其它线程执行当前对象的其它synchronized数据。