本文将介绍：
- Java线程基本操作(创建、等待等)
- Java线程同步原语(同步、互斥)
Java线程基本操作
Java的线程API以java.lang.Thread类提供，线程的基本操作被封装为为Thread类的方法，其中常用的方法是：
| 方法 | 说明 | |
| void | start() | 启动线程 |
| void | join() | 等待线程结束 |
创建(启动)线程
Java中，创建线程的过程分为两步：
- 创建可执行（Runnable）的线程对象；
- 调用它的start()方法；
- 继承(extends)Thread类，重写（override）run()方法；
- 实现(implements)Runnable接口（实现run()方法）；
两种创建线程的对象的代码实例如下：
继承Thread类
继承Thread类创建线程，如下：
class ExtendsThread extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; ++i) {
System.out.print("*");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public class TestExtendsThread {
public static void main(String[] args) {
// 1.创建线程对象
Thread backThread = new ExtendsThread();
// 2.启动线程
backThread.start();
for(int i=0; i < 100; ++i) {
System.out.print("#");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public class TestExtendsThread {
public static void main(String[] args) {
new Thread() {
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; ++i) {
System.out.print("*");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}.start();
for (int i = 0; i < 100; ++i) {
System.out.print("#");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
实现Runnable接口
Java中创建线程对象的另一种方法是：实现Runnable接口，再用具体类的实例作为Thread的参数构造线程，代码如下：
class RunnableImpl implements Runnable {
@Override
public void run() {
for(int i=0; i < 100; ++i) {
System.out.print("*");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public class TestImlementsRunnable {
public static void main(String[] args) {
Runnable callback = new RunnableImpl();
Thread backThread = new Thread(callback);
backThread.start(); // 启动线程
for(int i=0; i < 100; ++i) {
System.out.print("#");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public class TestImlementsRunnable {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int i=0; i < 100; ++i) {
System.out.print("*");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}).start();
for(int i=0; i < 100; ++i) {
System.out.print("#");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
这两种方法都实现了run()方法，而Thread的start()方法会调用传入的Runnable对象的run()方法（或是调用自己的run方法）。 run()在这里的作用就是为新线程提供一个入口，或者说run描述了新线程将来要“干什么”；相当于一些C库的回调函数。
等待线程结束
Thread的join()方法提供了“等待线程结束”的功能，Java的主线程默认会等待其他线程的结束。Thread.join()提供的是：一个线程等待另一个线程的功能；例如，在main方法（主线程）中调用 backThread.join();则主线程将会在调用处等待，直到backThread执行完毕。如下代码是典型的start和join的使用顺序：
// in main()
Runnable r = new Runnable() {
public void run() {
// ...
}
};
Thread back = new Thread(r);
back.start();
back.join();
start()的作用是启动一个线程（程序执行流），使得调用处的执行流程一分为二；而join()的作用则与start相反，使得两个执行流程“合二为一”，如下图所示：
两个线程和几个方法执行时间的先后关系，执行流程先“一分为二”和“合二为一”。
互斥
Java的互斥语义由synchronized关键字提供，具体有两种：
- synchronized代码块
- synchronized方法
下面分别介绍。
为什么需要互斥？
由于本文的定位为多线程编程入门，所以顺便介绍一下为什么会有互斥问题。
猜测下面的程序的输出：
public class NonAtomic {
static int count = 0;
public static void main(String[] args) {
Thread back = new Thread() {
@Override
public void run() {
for(int i=0; i<10000; ++i) {
++count;
}
}
};
back.start();
for(int i=0; i<10000; ++i) {
++count;
}
try {
back.join(); // wait for back thread finish.
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(count);
}
}
- 从内存中读数据到寄存器
- 在寄存器内加一
- 写回内存
在这幅图中，A、B两个线程同时对value执行“自增”，预期的value值应该是11，而实际的value值却是10。
由此可见，要保证多线程环境下“自增”操作的正确性，就必须保证以上三个操作“一次性执行”而不被其他线程干扰，这就是所谓的“原子性”。
synchronized代码块
synchronized代码块的形式如下：
synchronized(obj)
{
// do something.
}
只需将上面的NonAtomic稍作修改：
// static int count = 0; 后加一行：
static Object lock = new Object();
// ++count改为：
synchronized(lock) {
++count;
}
就能保证程序的输出为20000。
synchronized方法
synchronized代码块通常是方法内的一部分，如果整个方法体都需要用synchronized(this)锁定，那么也可以用synchronized关键字修饰这个方法。
就是说，这个方法：
public synchronized void someMethod() {
// do something...
}
public void someMethod() {
synchronized(this) {
// do something...
}
}
同步
通俗地说，“同步”就是保证两个线程事件的时序（先后）关系，这在多线程环境下非常有用。例如，两个线程A, B正在执行一系列工作Ai, Bi，现在想要使得A3发生在B2之后，就需要使用“同步原语”：
支持“同步”操作的调用叫做“同步原语”，在多数《操作系统》教材中，这种原语通常被定义为条件变量（condition variable）。
Java的同步原语为java.lang.Object类的几个方法：
- wait() 等待通知，该调用会阻塞当前线程。
- notify() 发出通知，如果有多个线程阻塞在该obj上，该调用会唤醒一个（阻塞）等待该obj的线程。
- notifyAll()发出通知，如果有多个线程阻塞在该obj上，该调用会唤醒所有（阻塞）等待该obj的线程。
notifyAll()通常用于通知“状态改变”，例如，一个多线程测试程序中，多个后台线程被创建后，全都等待主线程发出“开始测试”的命令，此时主线程可用notifyAll()通知各个测试线程。
例如如下代码，模拟运动员起跑过程：首先，发令员等待个运动员就绪；然后发令员一声枪响，所有运动员起跑；
public class TestStartRunning {
static final int NUM_ATHLETES = 10;
static int readyCount = 0;
static Object ready = new Object();
static Object start = new Object();
public static void main(String[] args) {
Thread[] athletes = new Thread[NUM_ATHLETES];
// 创建运动员
for (int i = 0; i < athletes.length; ++i) {
final int num = i;
athletes[i] = new Thread() {
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ready!");
synchronized (ready) {
++readyCount;
ready.notify(); // 通知发令员，“I'm ready!”
}
// 等待发令枪响
try {
synchronized (start) {
start.wait();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " go!");
}
};
}
// 运动员上场
for (int i = 0; i < athletes.length; ++i)
athletes[i].start();
// 主线程充当裁判员角色
try {
synchronized (ready) {
// 等待所有运动员就位
while (readyCount < athletes.length) {
ready.wait();
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " START!");
synchronized (start) {
start.notifyAll(); // 打响发令枪
}
}
}信号丢失
wait/notify/notifyAll提供了一种线程间事件通知的方式，但这种通知并不能被有效的“记住”；所以，就存在通知丢失（notify missing）的可能——发出通知的线程先notify，接收通知的线程后wait，此时这个事先发出的通知就会丢失。在POSIX规范上，叫做信号丢失；由于现在的多数操作系统（LINUX，Mac，Unix）都遵循POSIX；所以“信号丢失”这个词使用的更广泛。
如下是一个演示通知丢失的代码：
public class TestNotifyMissing {
static Object cond = new Object();
public static void main(String[] args) {
new Thread() {
public void run() {
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println("[back] wait for notify...");
synchronized (cond) {
cond.wait();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("[back] wakeup");
}
}.start();
System.out.println("[main] notify");
synchronized (cond) {
cond.notify();
}
}
}通俗地说，wait/notify只是一种口头交流，如果你没有听到，就会错过（而不像邮件、公告板，你收到通知的时间可以比别人发出的时间晚）。
如何避免通知丢失呢？由于notify本身不具备“记忆”，所以可以使用额外的变量作为“公告板”；在notify之前修改这个“公告板”；这样，即便其他线程调用wait的时间晚于notify的时间，也能看到写在“公共板”上的通知。
这同时也解释了另外一个语言设计上的问题：为什么Java的wait和notify端都必须要用synchronized锁定？首先，这不是语法级别的规定，不这么写也能编译通过，只是运行时会抛异常；这是JVM的一种运行时安全检查机制，这种机制是在提醒我们——应该使用额外的变量来防止产生通知丢失。例如刚才的NotifyMissing只需稍作修改就能够正常结束
public class TestNotifyMissingSolution {
static boolean notified = false; // +++++
static Object cond = new Object();
public static void main(String[] args) {
new Thread() {
public void run() {
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println("[back] wait for notify...");
synchronized (cond) {
while(!notified) // +++++
cond.wait();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("[back] wakeup");
}
}.start();
System.out.println("[main] notify");
synchronized (cond) {
notified = true; // +++++
cond.notify();
}
System.out.println("[main] notified");
}
}虚假唤醒
在例子TestNotifyMissingSolution中，cond.wait()前添加if(!notified)，也能够正常运行；但这种做法与文档中给出的while(...)不同，文档中同时指出了虚假唤醒（Spurious Wakeup）的概念。虚假唤醒在《Programming with POSIX Threads》中的解释是：:当一个线程wait在某个条件变量上，这个条件变量上没发生broadcast（相当于notifyAll）或signal（相当于notify）调用，wait也又可能返回。虚假唤醒听起来很奇怪，但是在多核系统上，使条件唤醒完全可预测可能导致多数条件变量操作变慢。"
为了防止虚假唤醒，需要在wait返回后继续检查某个条件是否达成，所有通常wait端的条件写为while而不是if，在Java中通常是：
// 等待线程：
synchronized(cond) {
while(!done) {
cond.wait();
}
}
// 唤醒线程：
doSth();
synchronized(cond) {
done = true;
cond.notify();
}总结
在<操作系统>的概念中，提供“互斥语义”的叫互斥器（Mutex），提供同步语义的叫条件变量（Condition Variable）。而在Java中，synchronized关键字和java.lang.Object提供了互斥量（mutex）语义，java.lang.Object的wait/notify/notifyAll则提供了条件变量语义。
另外，多线程环境下对象的回收是十分困难的，Java运行环境的垃圾回收（Garbage Collection，GC）功能减轻了程序员的负担。
参考
Java 1.6 apidocs Thread，http://tool.oschina.net/uploads/apidocs/jdk-zh/java/lang/Thread.html
《Java Concurrency in Practice》（中译本名为《Java并发实践》）
Spurious Wakeup -- Wikipedia，http://en.wikipedia.org/wiki/Spurious_wakeup
多线程编程中条件变量和虚假唤醒(spurious wakeup)的讨论，http://siwind.iteye.com/blog/1469216