Java 并发性和多线程2

四、如何创建并运行 java 线程

Java 线程类也是一个 object 类，它的实例都继承自 java.lang.Thread 或其子类。 可以用如下方式用 java 中创建一个线程：

Tread thread = new Thread();

执行该线程可以调用该线程的 start()方法:

thread.start();

在上面的例子中，我们并没有为线程编写运行代码，因此调用该方法后线程就终止了。

编写线程运行时执行的代码有两种方式：一种是创建 Thread 子类的一个实例并重写 run 方法，第二种是创建类的时候实现 Runnable 接口。接下来我们会具体讲解这两种方法：

## 创建 Thread 的子类

创建 Thread 子类的一个实例并重写 run 方法，run 方法会在调用 start()方法之后被执行。例子如下：

public class MyThread extends Thread {public void run(){System.out.println("MyThread running");}
}

可以用如下方式创建并运行上述 Thread 子类：

MyThread myThread = new MyThread();
myTread.start();

一旦线程启动后 start 方法就会立即返回，而不会等待到 run 方法执行完毕才返回。就好像 run 方法是在另外一个 cpu 上执行一样。当 run 方法执行后，将会打印出字符串 MyThread running。

你也可以如下创建一个 Thread 的匿名子类：

Thread thread = new Thread(){public void run(){System.out.println("Thread Running");}
};
thread.start();

当新的线程的 run 方法执行以后，计算机将会打印出字符串”Thread Running”。

## 实现 Runnable 接口

第二种编写线程执行代码的方式是新建一个实现了 java.lang.Runnable 接口的类的实例，实例中的方法可以被线程调用。下面给出例子：

public class MyRunnable implements Runnable {public void run(){System.out.println("MyRunnable running");}
}

为了使线程能够执行 run()方法，需要在 Thread 类的构造函数中传入 MyRunnable 的实例对象。示例如下：

Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
thread.start();

当线程运行时，它将会调用实现了 Runnable 接口的 run 方法。上例中将会打印出”MyRunnable running”。

同样，也可以创建一个实现了 Runnable 接口的匿名类，如下所示：

Runnable myRunnable = new Runnable(){public void run(){System.out.println("Runnable running");}
}
Thread thread = new Thread(myRunnable);
thread.start();

## 创建子类还是实现 Runnable 接口？

对于这两种方式哪种好并没有一个确定的答案，它们都能满足要求。就我个人意见，我更倾向于实现 Runnable 接口这种方法。因为线程池可以有效的管理实现了 Runnable 接口的线程，如果线程池满了，新的线程就会排队等候执行，直到线程池空闲出来为止。而如果线程是通过实现 Thread 子类实现的，这将会复杂一些。

有时我们要同时融合实现 Runnable 接口和 Thread 子类两种方式。例如，实现了 Thread 子类的实例可以执行多个实现了 Runnable 接口的线程。一个典型的应用就是线程池。

## 常见错误：调用 run()方法而非 start()方法

创建并运行一个线程所犯的常见错误是调用线程的 run()方法而非 start()方法，如下所示：

Thread newThread = new Thread(MyRunnable());
newThread.run();  //should be start();

起初你并不会感觉到有什么不妥，因为 run()方法的确如你所愿的被调用了。但是，事实上,run()方法并非是由刚创建的新线程所执行的，而是被创建新线程的当前线程所执行了。也就是被执行上面两行代码的线程所执行的。想要让创建的新线程执行 run()方法，必须调用新线程的 start 方法。

## 线程名

当创建一个线程的时候，可以给线程起一个名字。它有助于我们区分不同的线程。例如：如果有多个线程写入 System.out，我们就能够通过线程名容易的找出是哪个线程正在输出。例子如下：

MyRunnable runnable = new MyRunnable();
Thread thread = new Thread(runnable, "New Thread");
thread.start();
System.out.println(thread.getName());

需要注意的是，因为 MyRunnable 并非 Thread 的子类，所以 MyRunnable 类并没有 getName()方法。可以通过以下方式得到当前线程的引用：

Thread.currentThread();

因此，通过如下代码可以得到当前线程的名字：

String threadName = Thread.currentThread().getName();

## 线程代码举例

这里是一个小小的例子。首先输出执行main()方法线程名字。这个线程 JVM 分配的。然后开启 10 个线程，命名为 1~10。每个线程输出自己的名字后就退出。

public class ThreadExample {public static void main(String[] args){System.out.println(Thread.currentThread().getName());for(int i=0; i<10; i++){new Thread("" + i){public void run(){System.out.println("Thread: " + getName() + "running");}}.start();}}
}

需要注意的是，尽管启动线程的顺序是有序的，但是执行的顺序并非是有序的。也就是说，1 号线程并不一定是第一个将自己名字输出到控制台的线程。这是因为线程是并行执行而非顺序的。Jvm 和操作系统一起决定了线程的执行顺序，他和线程的启动顺序并非一定是一致的。

五、竞态条件与临界区

在同一程序中运行多个线程本身不会导致问题，问题在于多个线程访问了相同的资源。如，同一内存区（变量，数组，或对象）、系统（数据库，web services 等）或文件。实际上，这些问题只有在一或多个线程向这些资源做了写操作时才有可能发生，只要资源没有发生变化,多个线程读取相同的资源就是安全的。

多线程同时执行下面的代码可能会出错：

public class Counter {protected long count = 0;public void add(long value){this.count = this.count + value;   }
}

想象下线程 A 和 B 同时执行同一个 Counter 对象的 add()方法，我们无法知道操作系统何时会在两个线程之间切换。JVM 并不是将这段代码视为单条指令来执行的，而是按照下面的顺序：

　　从内存获取 this.count 的值放到寄存器
　　将寄存器中的值增加 value
　　将寄存器中的值写回内存

观察线程 A 和 B 交错执行会发生什么：

　　this.count = 0;
　　A: 读取 this.count 到一个寄存器 (0)
　　B: 读取 this.count 到一个寄存器 (0)
　　B: 将寄存器的值加 2
　　B: 回写寄存器值(2)到内存. this.count 现在等于 2
　　A: 将寄存器的值加 3
　　A: 回写寄存器值(3)到内存. this.count 现在等于 3

两个线程分别加了 2 和 3 到 count 变量上，两个线程执行结束后 count 变量的值应该等于 5。然而由于两个线程是交叉执行的，两个线程从内存中读出的初始值都是 0。然后各自加了 2 和 3，并分别写回内存。最终的值并不是期望的 5，而是最后写回内存的那个线程的值，上面例子中最后写回内存的是线程 A，但实际中也可能是线程 B。如果没有采用合适的同步机制，线程间的交叉执行情况就无法预料。

当两个线程竞争同一资源时，如果对资源的访问顺序敏感，就称存在竞态条件。导致竞态条件发生的代码区称作临界区。上例中 add()方法就是一个临界区,它会产生竞态条件。在临界区中使用适当的同步就可以避免竞态条件。

六、线程安全与共享资源

允许被多个线程同时执行的代码称作线程安全的代码。线程安全的代码不包含竞态条件。当多个线程同时更新共享资源时会引发竞态条件。因此，了解 Java 线程执行时共享了什么资源很重要。

## 局部变量 

局部变量存储在线程自己的栈中。也就是说，局部变量永远也不会被多个线程共享。所以，基础类型的局部变量是线程安全的。下面是基础类型的局部变量的一个例子：

public void someMethod(){long threadSafeInt = 0;threadSafeInt++;
}

## 局部的对象引用 

对象的局部引用和基础类型的局部变量不太一样。尽管引用本身没有被共享，但引用所指的对象并没有存储在线程的栈内。所有的对象都存在共享堆中。如果在某个方法中创建的对象不会逃逸出（译者注：即该对象不会被其它方法获得，也不会被非局部变量引用到）该方法，那么它就是线程安全的。实际上，哪怕将这个对象作为参数传给其它方法，只要别的线程获取不到这个对象，那它仍是线程安全的。下面是一个线程安全的局部引用样例：

public void someMethod(){LocalObject localObject = new LocalObject();localObject.callMethod();method2(localObject);
}public void method2(LocalObject localObject){localObject.setValue("value");
}

样例中 LocalObject 对象没有被方法返回，也没有被传递给 someMethod()方法外的对象。每个执行 someMethod()的线程都会创建自己的 LocalObject 对象，并赋值给 localObject 引用。因此，这里的 LocalObject 是线程安全的。事实上，整个 someMethod()都是线程安全的。即使将 LocalObject 作为参数传给同一个类的其它方法或其它类的方法时，它仍然是线程安全的。当然，如果 LocalObject 通过某些方法被传给了别的线程，那它就不再是线程安全的了。

## 对象成员 

对象成员存储在堆上。如果两个线程同时更新同一个对象的同一个成员，那这个代码就不是线程安全的。下面是一个样例：

public class NotThreadSafe{StringBuilder builder = new StringBuilder();public add(String text){this.builder.append(text);}    
}

如果两个线程同时调用同一个 NotThreadSafe 实例上的 add()方法，就会有竞态条件问题。例如：

NotThreadSafe sharedInstance = new NotThreadSafe();new Thread(new MyRunnable(sharedInstance)).start();
new Thread(new MyRunnable(sharedInstance)).start();public class MyRunnable implements Runnable{NotThreadSafe instance = null;public MyRunnable(NotThreadSafe instance){this.instance = instance;}public void run(){this.instance.add("some text");}
}

注意两个 MyRunnable 共享了同一个 NotThreadSafe 对象。因此，当它们调用 add()方法时会造成竞态条件。

当然，如果这两个线程在不同的 NotThreadSafe 实例上调用 call()方法，就不会导致竞态条件。下面是稍微修改后的例子：

new Thread(new MyRunnable(new NotThreadSafe())).start();
new Thread(new MyRunnable(new NotThreadSafe())).start();

现在两个线程都有自己单独的 NotThreadSafe 对象，调用 add()方法时就会互不干扰，再也不会有竞态条件问题了。所以非线程安全的对象仍可以通过某种方式来消除竞态条件。

## 线程控制逃逸规则

线程控制逃逸规则可以帮助你判断代码中对某些资源的访问是否是线程安全的。

如果一个资源的创建，使用，销毁都在同一个线程内完成，
且永远不会脱离该线程的控制，则该资源的使用就是线程安全的。

资源可以是对象，数组，文件，数据库连接，套接字等等。Java 中你无需主动销毁对象，所以“销毁”指不再有引用指向对象。

即使对象本身线程安全，但如果该对象中包含其他资源（文件，数据库连接），整个应用也许就不再是线程安全的了。比如 2 个线程都创建了各自的数据库连接，每个连接自身是线程安全的，但它们所连接到的同一个数据库也许不是线程安全的。比如，2 个线程执行如下代码：

检查记录 X 是否存在，如果不存在，插入 X

如果两个线程同时执行，而且碰巧检查的是同一个记录，那么两个线程最终可能都插入了记录：

线程 1 检查记录 X 是否存在。检查结果：不存在
线程 2 检查记录 X 是否存在。检查结果：不存在
线程 1 插入记录 X
线程 2 插入记录 X

同样的问题也会发生在文件或其他共享资源上。因此，区分某个线程控制的对象是资源本身，还是仅仅到某个资源的引用很重要。