「JAVA」通过抢气球案例，来梳理线程基础知识

程序在没有流程控制的前提下，代码都是从上而下逐行依次执行的。基于这样的机制，如果我们使用程序来实现边打游戏，边听音乐的需求时，就会很困难；因为按照执行顺序，只能从上往下依次执行；同一时刻，只能执行听音乐和打游戏的其中之一。

为了解决这样的问题，在程序设计中引入了多线程并发。本文中的知识对windows、mac、linux系统都适用，但展示界面和功能名称上不太一样；相关的截图这里以windows为例。

并行和并发

并行和并发是两个很容易混淆的概念，他们在字面上理解起来可能没有很大的差异，但要放在计算机运行环境中来解释，两者是有很大区别的：

并行：多个事件在同一个时间点同时发生，是真正的同时发生；
并发：多个事件在同一时间段内在宏观上同时发生，而在微观上是CPU在多个事件上来回切换，但切换的时间很快，并不能被人眼捕获，因此在一段人类可以观察到的时间内，多个事件是同时发生的；

操作系统的运行环境中，并发指的就是一段时间内宏观上多个程序在同时运行；在单CPU的环境中，微观上每一个时刻仅有一个程序被CPU执行（也就是仅有一个程序获得了CPU时间片），CPU是在多个程序之间来回交替执行，也就是给每个程序的运行时间进行调度，从而实现多个程序的并发运行。

随着计算机硬件的不断发展，现如今的计算机一般都是有多个CPU的，在这样的多个CPU的环境中，原本由单个处理器运行的这些程序就可以被分配给多个CPU来运行，从而实现真程序的并行运行，无论从宏观上，还是微观上，程序都是同时运行的。这样，程序的运行效率就会大大提高。
PS：CPU时间片就是CPU分配给每个程序的运行时间。

在买电脑的时候，电脑厂商宣传的“几核处理器”，其中“核”表示的是CPU有几个物理核心，能够并行处理几个程序的调用。想要知道自己电脑是几核的，可以打开“任务管理器”来查看。

也可以通过计算机属性、设备管理器来查看。所以，单核处理器是不能并行运行多个任务的，只能是多个任务在单核处理器中并发运行，我们把每个任务用一个线程来表示，多个线程在单个处理器中的并发运行我们称之为线程调度。

从宏观上讲，多个线程是并行运行的；从微观上讲，多个线程是串行运行的，也就是一个线程一个线程的运行；如果对这里的宏观和微观不太好理解的话，可以把宏观看作是站在人的角度看待程序运行，把微观看作是站在CPU的角度看待程序运行，这样就好理解多了。

线程和进程

进程：进程是指一个在内存中运行的应用程序，每个进程在内存中都有一块独立的内存空间。每个软件都可以启动多个进程。

线程：线程指的是进程中的一个控制单元，也就是进程中的每个单元任务，一个进程中可以有多个线程同时并发运行。

多进程指的是操作系统中同时运行的多个程序，多线程指的是同一个进程中同时运行的多个任务。操作系统中运行的每个任务就是一个进程，进程中的每个任务就是一个线程；操作系统就是一个多任务系统，它可以有多个进程，每个进程又可以有多个线程。

线程和进程的区别：

每个进程都有独立的内存空间，也就是进程中的数据存储空间（堆、栈空间）是独立的，且每个进程都至少有一个线程；
对于线程来说：堆内存空间是共享的，栈内存空间是独立的；线程消耗的资源比进程要小得多，且线程之间是可以相互通信的；
线程是进程的基本组成单元，故也把线程称作进程元，或者轻型进程；
线程的执行是通过CPU调度器来决定的，程序员无法控制；

线程调度：计算机单个CPU在任意时刻只能执行一条计算机指令，每个进程只有获得CPU使用权才能执行相关指令；

多线程并发，其实就是运行中各个进程轮流获取CPU的使用权来分别执行各自的任务；在多进程的环境中，会有多个线程处于等待获取CPU使用权的状态中，为这些等待中的线程分配CPU使用权的操作就成为线程调度。

线程调度分为抢占式调度和分时调度。

抢占式调度：多个线程在瞬间抢占CPU资源，谁抢到谁就运行，有更多的随机性；
分时调度：为等待中的多个线程平均的分配CPU时间片；

Java的多线程中线程调度就是使用抢占式调度的。

多线程

多线程和单线程，就好比多行道和单行道，多行道可以有多辆车同时行驶通过，而单行道只能是多辆车按顺序依次行驶通过；多线程同时有多个线程并发运行，单线程只有单个线程对多个任务按顺序依次执行。

如果以下载文件为例：单线程就是只有一个文件下载的通道，多线程则是同时有多个下载通道在下载文件。当服务器提供下载服务时，下载程序是共享服务器带宽的，在优先级相同的情况下，服务器会对下载中的所有线程平均分配带宽：

宽带带宽是以位（bit）来计算的，而下载速度是以字节（byte）计算的，1 byte = 8 bit，故1024KB/s代表的是上网宽带为1M（1024千位），而下载速度需要用1024KB/s除去8，得出128KB/s。

多线程是为了同步完成多项任务，是为了提高系统整体的效率，而不能提高程序代码自身的运行效率。

多线程的优势： 多线程作为一种多任务、高并发的运行机制，有其独到的优势所在：

进程之间不能共享内存空间，但是线程之间是可以的（通过堆内存）；
创建进程时，操作系统需要为其重新分配系统资源；而创建线程耗费的资源会小很多，在实现多任务并发时，相比较于多进程，多线程的效率会高很多；
Java 语言内置了对多线程的支持，而不仅仅是简单的调用底层操作系统的调度；Java 对多线程的支持也很友好，能大大简化开发成本；

创建进程

在Java中创建进程可通过两种方式来实现：

1. 通过java.lang.Runtime来实现，示例代码如下：

  public  static  void  main(String  []args)  throws  IOException  {  // 方式一：通过通过java.lang.Runtime来实现打开 cmd  Runtime runtime =  Runtime.getRuntime(); runtime.exec("cmd");
}

2. 通过java.lang.ProcessBuilder 来实现，示例代码如下：

public  static  void  main(String  []args)  throws  IOException  {  // 方式二：通过通过java.lang.ProcessBuilder来实现打开 cmdProcessBuilder pb =  new  ProcessBuilder("cmd"); pb.start();
}

创建线程

一、通过继承Thread类创建线程； 需要注意的是：只有Thread的子类才是线程类；

新创建一个类继承于java.lang.Thread；
在新建的Thread子类中重写Thread类中的run方法，在run方法中编写线程逻辑；
创建线程对象，执行线程逻辑；

  public  class  ExtendsThreadDemo  {  public  static  void  main(String  []args)  {  for  (int i =  0; i <  50; i++)  {  System.out.println("主线程"  + i);  if  (i ==  13)  {  NewThread newThread =  new  NewThread(); newThread.start();  }  }  }
}  // 新线程类
class  NewThread  extends  Thread  {  @Override  public  void  run()  {  for  (int i =  0; i <  50; i++)  {  System.out.println("新线程"  + i);  }  }
}

二、通过实现Runnable接口创建线程； 需要注意，这里的Runnable实现类并不是线程类，所以启动方式和Thread子类会有所不同；

新创建一个类实现java.lang.Runnable；
在新建的实现类中重写Runnable类中的run方法，在run方法中编写线程逻辑；
创建Thread对象，传入Runnable实现类对象，执行线程逻辑；

示例代码如下：

public class ImplementsRunnableDemo {public static void main(String []args) {for (int i = 0; i < 50; i++) {System.out.println("主线程" + i);if (i == 13) {Runnable runnable = new NewRunnableImpl();Thread thread = new Thread(runnable);thread.start();}}}
}// 新线程类
class NewRunnableImpl implements Runnable {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 50; i++) {System.out.println("新线程" + i);}}
}

三、使用匿名内部类创建线程，使用接口的匿名内部类来创建线程，示例代码如下：

// 使用接口的匿名内部类
public class AnonymousInnerClassDemo {public static void main(String []args) {for (int i = 0; i < 50; i++) {System.out.println("主线程" + i);if (i == 13) {new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int j = 0; j < 50; j++) {System.out.println("新线程" + j);}}}).start();}}}
}

当然了，也可以使用Thread类的匿名内部类创建线程，不过这样的方式很少使用；示例代码如下：

// 使用Thread类的匿名内部类
public class AnonymousInnerClassDemo {public static void main(String []args) {for (int i = 0; i < 50; i++) {System.out.println("主线程" + i);if (i == 13) {new Thread() {@Overridepublic void run() {for (int j = 0; j < 50; j++) {System.out.println("新线程" + j);}}}.start();}}}
}

多线程案例

案例需求：六一儿童节，设置了抢气球比赛节目，共有50个气球，三个小朋友小红、小强、小明来抢；请使用多线程技术来实现上述比赛过程。

一、使用继承Thread类的方式来实现上述案例； 示例代码如下：

public class ExtendsDemo {public static void main(String []args) {new Student("小红").start();new Student("小强").start();new Student("小明").start();}
}class Student extends Thread {private int num = 50;private String name;public Student(String name) {super(name);this.name = name;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 50; i++) {if (num > 0) {System.out.println(this.name + "抢到了" + num + "号气球");num--;}}}
}

通过查看输出结果，发现一个问题：每个小朋友都抢到了50个气球，这和原本只有50个气球相矛盾了；不过别急，我们可以使用第二种方式：使用实现接口的方式来实现上述案例 来解决。

二、使用实现接口的方式来实现上述案例； 示例代码如下：

public class ImplementsDemo {public static void main(String []args) {Balloon balloon = new Balloon();new Thread(balloon, "小红").start();new Thread(balloon, "小强").start();new Thread(balloon, "小明").start();}
}// 气球
class Balloon implements Runnable {private int num = 50;@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 50; i++) {if (num > 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到了" + num + "号气球");num--;}}}}

在该案例中我们是用了Thread.currentThread()方法，该方法的作用是返回当前正在执行的线程对象的引用，所以当前正在执行的线程对象的名称就可以这样来获取：String name = Thread.currentThread().getName();。

通过查看该案例的打印结果，不难发现：三个小朋友一共抢到了50个气球，符合了需求中规气球总共有50个的要求。我们再来分析主函数中的代码，发现是因为3个线程共享了一个Balloon对象，该对象中的气球数量就在50个。

按照这样的思路，上述使用继承Thread类的方式中出现的问题就可以解决了。接下来就对上述两种实现多线程的方式进行分析和总结：

使用继承Thread类的方式：

使用继承方式来实现多线程在操作上会更加简便；比如：可以通过super.getName()来直接获取当前线程对象的名称；
由于Java 是单继承的，所以如果继承了Thread，该类就不能再有其他的父类了；
对于抢气球案例需求来说，并不能很好的解决问题；

使用实现接口的方式：

相较于继承方式，实现方式和线程操作会稍加复杂；比如：获取当前线程名称需要通过Thread.currentThread().getName();来获取；
由于是使用实现的方式，Java 是支持多实现的，所以除了Runnable接口之外，还可以实现其他的接口，继承另外的类；
能够很好的实现案例需求：多个线程共享一个资源；

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