java高级-多线程

l-926

多线程

程序(program)

是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码，静态对象。

进程(process)

是程序的一次执行过程，或是正在运行的一个程序。是一个动态的过程:有它自身的产生、存在和消亡的过程。——生命周期

​ 如:运行中的QQ，运行中的MP3播放器

​ 程序是静态的，进程是动态的

​ 进程作为资源分配的单位，系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域

线程(thread)：

进程可进一步细化为线程，是一个程序内部的一条执行路径。

若一个进程同一时间并行执行多个线程，就是支持多线程的；

线程作为调度和执行的单位，每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器(PC)，线程切换的开销小；

一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间→它们从同一堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患。

并行与并发：

并行: 多个CPU同时执行多个任务。比如:多个人同时做不同的事。

并发: 一个CPU(采用时间片)同时执行多个任务。比如:秒杀、多个人做同一件事。

一个Java应用程序 java.exe，其实至少有三个线程:

main()主线程，

GC()垃圾回收线程，

异常处理线程。

当然如果发生异常，会影响主线程。

线程的创建和启动

Java语言的JVM允许程序运行多个线程，它通过java.lang.Thread类来体现。

Thread类的特性：

每个线程都是通过某个特定 Thread对象 的 run() 方法来完成操作的，经常把 run() 方法的主体称为线程体

通过该 Thread 对象的 start() 方法来启动这个线程，而非直接调用 run()

方式一:

继承于Thread类

1.创建一个继承于Thread类的子类

2．重写Thread类的run() -->将此线程执行的操作声明在run()中

3．创建Thread类的子类的对象

4．通过此对象调用start(）

如果直接用Thread对象调用run()方法，并不会启动该线程，只是调用某个类的run()方法，不具备线程特征！

start()：启动当前线程 & 调用当前线程的run()

一个线程开始后就会使得线程的一个标识为1，后续如果在该线程未结束终止的状态下，再次start，会根据该标识，抛出异常。如果终止了，该标识会重新变为0，即可以被start。除非你新建一个线程。

//创建Thread类的匿名子类的方式
new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                super.run();
            }
        }.start();

方式二：

实例化Runable接口

可以共享数据：当一个Thread里面放一个变量时，多个子线程都会使用同一个对其进行相关操作，就不会防止多个变量值（比如：多个窗口卖票，如果使用方式二，也会有出现重票，错票的，就是线程的同步问题，需要给线程加锁）

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        //3. 创建实现类的对象
        MyThread myThread = new MyThread();
        //4. 将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中,创建Thread类的对象
        //5. 通过Thread类的对象调用start() :1.启动线程;2.调用当前线程的run()-->调用了Runnable类型的target的run()
        new Thread(myThread).start();
    }
	//1.创建一个实现了RunnabLe接口的类
    public static class MyThread implements Runnable{
		//2．实现类去实现Runnable中的抽象方法: run()
        @Override
        public void run() {

        }
    }
}

//Thread的源码
@Override
public void run() {
	if (target i= nu11)r
		target.run();
	}
}

// what will be run.
private Runnable target;
    
public Thread(Runnablel target) {
init( null,target,"Thread-" + nextThreadNum(),0,acc....);
}

方式一对比方式二：

开发中优先选择: 实现Runnable接口的方式

原因: 1.实现的方式没有类的单继承性的局限性

​ 2.实现的方式更适合来处理多个线程有共享数据的情况。

联系: public class Thread implements Runnable

相同点: 两种方式都需要重写run(),将线程要执行的逻辑声明在run()中

​ 目前两种方式，要想线程启动，都是调用Thread类的start()

方式三：

实现Callable接口

  • 与使用Runnable相比，Callable功能更强大些
  • 相比run()方法，可以有返回值
  • 方法可以抛出异常
  • 支持泛型的返回值
  • 需要借助FutureTask类，比如获取返回结果

Future接口

  • 可以对具体Runnable、Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等。
  • FutrueTask是Futrue接口的唯一的实现类
  • FutureTask同时实现了Runnable,Future接口。它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值
//1.创建一个实现类，实现Callable接口
public class ThreadCallable implements Callable<string>{
    @Override
    public String call() throws Exception {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " i =" + i);
        }
        return Thread.currentThread().getId() + "结束";
    }
}

public class TestCallable {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        //2.实例化两个对象
        ThreadCallable thread1 = new ThreadCallable();
        ThreadCallable thread2 = new ThreadCallable();
        //3.将此Callable接口实现类的对象作为传递到FutureTask构造器中，创建FutureTask的对象
        FutureTask<string> task1 = new FutureTask<>(thread1);
        FutureTask<string> task2 = new FutureTask<>(thread2);
		//4..将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，并start()
        Thread myThread1 = new Thread(task1);
//      Thread myTheard01 = new Thread(new FutureTask<>(new ThreadCallable()));
        Thread myThread2 = new Thread(task2);

        myThread1.start();
        myThread2.start();

        System.out.println("end main");
		
        //FutureTask对象.get()为call()的返回值
        String res1 = task1.get();
        String res2 = task2.get();

        System.out.println(res1);
        System.out.println(res2);
  
    }
}

方式四：

使用线程池

实际开发中，大都是使用线程池，提高开发效率

背景: 经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。

思路: 提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。

好处:

  • 提高响应速度（减少了创建新线程的时间)
  • 降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建)
  • 便于线程管理
  1. corePoolSize:核心池的大小
  2. maximumPoolSize:最大线程数
  3. keepAliveTime:线程没有任务时最多保持多长时间后会终止

线程池相关API

​ JDK 5.0起提供了线程池相关APl:ExecutorService和 Executors

  • ExecutorService: 真正的线程池接口。常见子类 ThreadPoolExecutor
    void execute(Runnable command): 执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable
  • Future submit(Callable task): 执行任务，有返回值，一般又来执行
    Callable
  • void shutdown():关闭连接池

Executors:工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池

  • Executors.newCachedThreadPool(): 创建一个可根据需要创建新线程的线程池
  • Executors.newFixedThreadPool(n): 创建一个可重用固定线程数的线程池
  • Executors.newSingleThreadExecutor(): 创建一个只有一个线程的线程池
  • Executors.newScheduledThreadPool(n): 创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。
public class Threadpools {
    public static void main(String[] args) {
        //1.提供指定的线程数量的线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //2.执行指定的线程的操作。需要提供实现Runnable接口或callable接口实现类的对象
        executorService.execute(new Threadpool());//适合适用于RunnabLe
        executorService.submit(new Callable() {
            @Override
            public Object call() throws Exception {
                return null;
            }
        });//适合使用于caLLabLe

        //设置线程池的属性
        ThreadPoolExecutor service = (ThreadPoolExecutor) executorService;
        service.setCorePoolSize(15);
        //service.setKeepAliveTime(6000,);
        //3.关闭连接池
        executorService.shutdown();
    }
}

class Threadpool implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(i);
            }
        }
    }
}

Thread类的有关方法：

void start():启动线程，并执行对象的run()方法

run():线程在被调度时执行的操作

String getName():返回线程的名称

void setName(String name):设置该线程名称

static Thread currentThread():返回当前线程。在Thread子类中就是this，通常用于主线程和Runnable实现类

static void yield():线程让步：

​ 暂停片刻（释放CPU当前的执行权）当前正在执行的线程，把执行机会让给优先级相同或更高的线程

​ 若队列中没有同优先级的线程,忽略此方法

join():在线程a中调用线程b的join(),此时线程a就进入阻塞状态，直到线程b完全执行完以后，线程a才结束阻塞状态。

可以通过另一个线程得到程序想要得到的数据或者状态，从而继续之后的执行过程

​ 低优先级的线程也可以获得执行

static void sleep(long millis):(指定时间:毫秒)

​ 令当前活动线程在指定时间段内放弃对CPU控制,使其他线程有机会被执行,时间到后CPU会分配资源，分配后才能继续开始该线程。

​ 抛出Interrupted Exception异常（不能throw，因为线程里面的run()方法所继承的父类里面的run()没有throw方式（重写））

stop():强制线程生命期结束，不推荐使用

boolean isAlive():返回boolean，判断线程是否还活着

关于线程使用时用到的Object类的方法：

涉及到的三个方法:

wait(): 一旦执行此方法，当前线程就进入阻塞状态，并释放同步监视器（锁）。

notify(): 一旦执行此方法，就会唤醒被wait的一个线程。如果有多个线程被wait，就唤醒优先级高

notifyALL(): 一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程。

说明:

  1. wait( )，notify()，notifyALL()三个方法必须使用在同步代码块或同步方法中

  2. wait( ) ，notify()，notifyALL()三个方法的调用者必须是同步代码块或同步方法中的同步监视器否则，会出现IllegalMonitorstateException异常

  3. wait( )， notify()，notifyAll()三个方法是定义在java.Lang.0bject类中。

线程的调度：

image-20210729204234377

Java的调度方法：

​ 同优先级线程组成先进先出队列（先到先服务），使用时间片策略

​ 对高优先级，使用优先调度的抢占式策略

线程的优先级

线程的优先级等级

MAX_PRIORITY: 10

MIN_PRIORITY: 1

NORM_PRIORITY: 5（默认优先级）

涉及的方法

getPriority() : 返回线程优先值

setPriority(int newPriority): 改变线程的优先级

//设置分线程的优先级
h1.setpriority(Thread.MAx_PRIORITY);

说明

线程创建时继承父线程的优先级

低优先级只是获得调度的概率低，并非一定是在高优先级线程之后才被调用

补充：线程的分类：

Java中的线程分为两类: 一种是守护线程（GC回收线程...），一种是用户线程（main方法...）。

它们在几乎每个方面都是相同的，唯一的区别是判断JVM何时离开。

守护线程是用来服务用户线程的，通过在start()方法前调用thread.setDaemon(true)可以把一个用户线程变成一个守护线程。

Java垃圾回收就是一个典型的守护线程。

若JVM中都是守护线程，当前JVM将退出。

线程的生命周期：

JDK中用Thread. State类定义了线程的几种状态

要想实现多线程，必须在主线程中创建新的线程对象。Java语言使用Thread类及其子类的对象来表示线程，在它的一个完整的生命周期中通常要经历如下的五种状态:

1.新建: 当一个Thread类或其子类的对象被声明并创建时，新生的线程对象处于新建状态

2.就绪: 处于新建状态的线程被start()后，将进入线程队列等待CPU时间片，此时它已具备了运行的条件，只是没分配到CPU资源

3.运行: 当就绪的线程被调度并获得CPU资源时,便进入运行状态，run()方法定义了线程的操作和功能

4.阻塞: 在某种特殊情况下，被人为挂起或执行输入输出操作时，让出CPU并临时中止自己的执行，进入阻塞状态

5.死亡: 线程完成了它的全部工作或线程被提前强制性地中止或出现异常导致结束

image-20210730123123227

单例模式中的懒汉式

//使用同步机制将单例模式中的懒汉式改写为线程安全的
public class BankTest {
}
class Bank {
    private static Bank instance;

    public Bank() {
    }
    public static Bank getInstance() {
        //方式一：效率稍差
//        synchronized (Bank.class) {
//            if (instance == null) {
//                instance = new Bank();
//            }
//            return instance;
//        }

        //方式二：效率更高
        if (instance == null) {
            synchronized (Bank.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Bank();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

线程的同步：

问题的提出

多个线程执行的不确定性引起执行结果的不稳定

多个线程对账本的共享，会造成操作的不完整性，会破坏数据。

例子:

创建三个窗口卖票，总票数为100张.使用实现Runnable接口的方式

1.问题:卖票过程中，出现了重票、错票-->出现了线程的安全问题

2.问题出现的原因:当某个线程操作车票的过程中，尚未操作完成时，其他线程参与进来，也操作车票。

3.如何解决:当一个线程a在操作ticket的时候，其他线程不能参与进来。直到线程a操作完ticket时，其他线程才可以开始操作ticket。这种情况即使线程α出现了阻塞，也不能被改变。

解决线程同步安全问题

方式一：同步代码块：

synchronized(同步监视器){
    //说明:在继承Thread类创建多线程的方式中，慎用this充当同步监视器，考虑使用当前类充当同步监视器
    //在实现Runnable接口创建多线程的方式中，我们可以考虑使用this充当同步监视器。
	//保证唯一就可以
	//需要被同步的代码
}

说明:

1.操作共享数据的代码，即为需要被同步的代码

2.共享数据:多个线程共同操作的变量。比如: 总票数就是共享数据。

3.同步监视器，俗称:锁。任何一个类的对象，都可以充当锁。

要求:多个线程必须要共用同一把锁。

方式二：同步方法：

如果操作共享数据的代码完整的声明在一个方法中，我们不妨将此方法声明同步的。

//实现Runable
class window implements Runnable {
	private int ticket = 100;
	@Override
	public void run() {
		while (true) {
			show();
		}
	}
private synchronized void show(){//同步监视器: this
//synchronized (this)
	//...方法体
}

//继承Thread
class window extends Thread {
private static int ticket = 100;
@Override
	public void run() {
		while (true) {
			show();
        }
    }
private static synchronized void show(){//同步监视器: window1.class,类本身
	//private synchronized void show(){//同步监视器: t1,t2,t3(new了三个线程)。此种解决方式是错误的
    //...
}

关于同步方法的总结：

  1. 同步方法仍然涉及到同步监视器，只是不需要我们显式的声明。

  2. 非静态的同步方法，同步监视器是: this
    静态的同步方法，同步监视器是: 当前类本身

方式三：Lock锁：

解决线程安全问题的方式三: Lock锁 JDK5.0日新增

  • 从JDK 5.0芥始，Java提供了更强大的线程同步机制——通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当。
  • java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对Lock对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象。
  • ReentrantLock类实现了Lock ，它拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock，可以显式加锁、释放锁。

主要使用方法以及步骤：

  1. 实例化ReentrantLock（实例化Runable接口）

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

  2. 调用枷锁方法: lock()

    lock . lock()

  3. 调用解锁方法:unlock()

    lock.unlock()

如果是继承于Thread类，则需要保证private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(),使用静态使得多个线程的lock锁是同一个！

使用的优先顺序: Lock --->同步代码块（已经进入了方法体，分配了相应资源）---同步方法（在方法体之外）

利弊：

同步的方式，解决了线程的安全问题。---好处
操作同步代码时，只能一个线程参与，其他线程等待。相当于是一个单线程的过程，效率低。 -- 坏处

死锁的问题：

死锁：

​ 不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃，都在等待对方放弃自己需要的同步资源，就形成了线程的死锁

​ 出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所有的线程都处于阻塞状态，无法继续

解决方法：

  • 专门的算法、原则
  • 尽量减少同步资源的定义
  • 尽量避免嵌套同步

例子：

public class MyThread1 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        synchronized (Test.LOCK_A){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "我拿到了A锁");
            synchronized (Test.LOCK_B) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "我拿到了A,B锁");
            }
        }
    }
}

public class MyThread2 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        synchronized (Test.LOCK_B){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "我拿到了B锁");
            synchronized (Test.LOCK_A) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "我拿到了B,A锁");
            }
        }
    }
}

public class Test {
    public static final Integer LOCK_A = 1;
    public static final Integer LOCK_B = 2;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyThread1 myThread1 = new MyThread1();
        MyThread2 myThread2 = new MyThread2();
        myThread1.start();
        Thread.sleep(1000);
        myThread2.start();
    }
}

例子一：

银行有一个账户。有两个储户分别向同一个账户存3000元，每次存1000，存3次。每次存完打印账户余额。

思路：

明确哪些代码是多线程运行代码，须写入run()方法

明确什么是共享数据。

明确多线程运行代码中哪些语句是操作共享数据的。

class Acount{
    private double balance;
    public Acount(double balance) {
        this.balance = balance;
    }

    public synchronized void depost(double atm) {
        balance += atm;
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "存钱成功，当前余额为：" + balance);
    }
}
class Customer extends Thread{
    private Acount acount;

    public Customer(Acount acount) {
        this.acount = acount;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            acount.depost(1000);
        }
    }
}
public class AcountTest {
    public static void main(String[] args) {
        Acount acount = new Acount(0);
        Customer c1 = new Customer(acount);
        Customer c2 = new Customer(acount);
        c1.setName("用户一");
        c2.setName("用户二");
        c1.start();
        c2.start();
    }
}

例子二：

两个线程交替打印1~100

class Number implements Runnable{
    private int number = 1;
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (this) {
                notify();
                if (number <= 100) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + number);
                    number++;
                }else {
                    break;
                }
                try {
                    wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

public class OneHandren {
    public static void main(String[] args) {
        Number number = new Number();
        Thread numberUser1 = new Thread(number);
        Thread numberUser2 = new Thread(number);
        numberUser1.setName("用户一");
        numberUser2.setName("用户二");
        numberUser1.start();
        numberUser2.start();
    }
}

例子三：

经典例题:生产者/消费者问题

生产者(Productor)将产品交给店员(Clerk)，而消费者(Customer)从店员处取走产品，店员一次只能持有固定数量的产品(比如:20），如果生产者试图生产更多的产品，店员会叫生产者停一下，如果店中有空位放产品了再通知生产者继续生产;如果店中没有产品了，店员会告诉消费者等一下，如果店中有产品了再通知消费者来取走产品。

这里可能出现两个问题:

  • 生产者比消费者快时，消费者会漏掉一些数据没有取到。
  • 消费者比生产者快时，消费者会取相同的数据。

思路：

1.是否是多线程问题?是，生产者线程，消费者线程

2．是否有共享数据?是，店员(或产品）

3.如何解决线程的安全问题?同步机制,有三种方法

4．是否涉及线程的通信?是

https://www.bilibili.com/video/BV1Kb411W75N?p=443&spm_id_from=pageDriver
p443集

synchronized 与Lock的异同：

相同:二者都可以解决线程安全问题

不同: synchronized机制在执行完相应的同步代码以后，自动的释放同步监视器Lock需要手动的启动同步(Lock())，同时结束同步也需要手动的实现(unlock())

  1. Lock是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁），synchronized是
    隐式锁，出了作用域自动释放
  2. Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁
  3. 使用Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有
    更好的扩展性（提供更多的子类
    优先使用顺序:
    Lock →业业代码块（已经进入了方法体，分配了相应资源)→同步方法(在方法体之外)

sleep()和wait()的异同：

1.相同点: 一旦执行方法，都可以使得当前的线程进入阻塞状态。

2.不同点:

  • 两个方法声明的位置不同: Thread类中声明sleep() , object类中声明wait()
  • 调用的要求不同: sleep()可以在任何需要的场景下调用。wait()必须使用在同步代码块或同步方法中
  • 关于是否释放同步监视器:如果两个方法都使用在同步代码块或同步方法中，sleep()不会释放锁，wait()会释放锁。

分类：

技术点：

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