Java多线程的基础概念

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多线程

线程简介

多任务

比如一边吃饭,一边玩手机;或者一边开车一边打电话等,看起来是多个任务都在做,其实本质上我们的大脑在同一时间依旧只做了一件事情。

程序、进程、线程

在操作系统中运行的程序就是进程,比如QQ,播放器,游戏等等。。

一个进程可以有多个线程,如视频中同时听声音,看图像,看弹幕,等等。。

Process(进程)和Thread(线程):

提到进程,就得联系到程序,而程序是指令和数据的有序集合,其本身没有任何运行的含义,是一个静态的概念;

而进程则是执行程序的一次执行过程,它是一个动态的概念。是系统资源分配的单位;

通常 一个进程中可以包含若干个线程,当然一个进程中至少有一个线程,不然没有存在的意义。线程是CPU地调度和执行的单位。

注意:很多多线程是模拟出来的,真正的多线程是指有多个CPU,即多核,如服务器。如果是模拟出来的多线程,即在一个CPU的情况下,在同一个时间点,CPU只能执行一个代码,因为切换的很快,所以就有同时执行的错觉。

核心概念

  • 线程就是独立的执行路径;
  • 在程序运行时,即使没有自己创建线程,后台也会有多个线程,如主线程(main),gc线程(垃圾回收器);
  • main()称之为主线程,为系统的入口,用于执行整个程序;
  • 在一个进程中,如果开辟了多个线程,线程的运行由调度器安排调度,调度器是与操作系统紧密相关的,先后顺序是不能人为的干预的;
  • 对同一份资源操作时,会存在资源抢夺的问题,需要加入并发控制;
  • 线程会带来额外的开销,如CPU调度时间,并发控制开销。
  • 每个线程在自己的工作内存交互,内从控制不当会造成数据不一致。

线程创建

三种创建方式

  • Thread class(继承Thread类(重点))
  • Runnable接口(实现Runnable接口(重点))
  • Callable接口(实现Callable接口(了解))

创建线程方式一:继承Thread类(不建议使用:避免OOP单继承局限性)

  • 自定义线程类继承Thread类
  • 重写run()方法,编写线程执行体
  • 创建线程对象,调用start()方法启动线程(不能调用run()方法,run()方法只是类的一个普通方法,如果直接调用,程序中依然只有主线程这一个线程,程序还是按照顺序执行,需执行完run()方法之后再往下执行,这样就不算是多线程)
package David.Study.Thread;

//创建线程方式一:继承Thread类,重写run()方法,调用start开启线程

//总结:注意,线程开启不一定立即执行,由CPU调度执行

public class TestThread1 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        //run方法线程体
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            System.out.println("我在执行多线程"+i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //main线程,主线程

        //创建一个线程对象
        TestThread1 testThread1 = new TestThread1();
        //调用start()方法开启线程
        testThread1.start();

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            System.out.println("我在执行主线程"+i);
        }
    }
}

输出结果为(仅截取中间部分的输出结果):

...
我在执行主线程98
我在执行主线程99
我在执行多线程69
我在执行主线程100
我在执行多线程70
我在执行主线程101
我在执行多线程71
我在执行主线程102
我在执行多线程72
我在执行主线程103
我在执行多线程73
我在执行主线程104
我在执行多线程74
我在执行主线程105
...

创建线程方式二:实现Runnable接口(推荐使用:避免单继承局限性,灵活方便,方便同一个对象被多个线程使用)

  • 定义MyRunnable类实现Runnable接口
  • 实现run()方法,编写线程执行体
  • 创建线程对象,调用start()方法启动线程
package David.Study.Thread;

//创建线程方式2:实现runnable接口,重写run方法,执行线程需要丢入runnable接口实现类,调用start方法。

public class TestThread2 implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        //run方法线程体
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            System.out.println("我在执行多线程"+i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //main线程,主线程

        //创建一个runnable接口的实现类对象
        TestThread2 testThread2 = new TestThread2();
        //创建线程对象,通过线程对象来开启我们的线程,代理
        Thread thread = new Thread(testThread2);
        thread.start();
        //new Thread(testThread2).start();

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            System.out.println("我在执行主线程"+i);
        }
    }
}

输出的结果为:

...
我在执行主线程501
我在执行主线程502
我在执行主线程503
我在执行多线程0
我在执行多线程1
我在执行多线程2
我在执行多线程3
我在执行多线程4
我在执行多线程5
我在执行多线程6
我在执行主线程504
我在执行多线程7
我在执行多线程8
我在执行多线程9
我在执行多线程10
...

龟兔赛跑案例:

package David.Study.Thread;

//模拟龟兔赛跑
public class Race implements Runnable{

    //胜利者
    private static String winner;
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i <= 100; i++) {

            //模拟兔子睡觉
            if (Thread.currentThread().getName().equals("兔子")){
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            //判断比赛是否结束
            boolean flag = gameOver(i);
            //如果比赛结束了,就停止程序
            if (flag){
                break;
            }

            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->跑了"+i+"步" );
        }
    }

    //判断是否完成比赛
    private boolean gameOver(int steps){
        //判断是否有胜利者
        if(winner!=null) {//已经存在胜利者了
            return true;
        }{
            if(steps>=100){
                winner = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println("胜利者为"+ winner);
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Race race = new Race();
        new Thread(race,"兔子").start();
        new Thread(race,"乌龟").start();
    }

输出结果为:

乌龟-->跑了0步
乌龟-->跑了1步
乌龟-->跑了2步
乌龟-->跑了3步
乌龟-->跑了4步
乌龟-->跑了5步
乌龟-->跑了6步
乌龟-->跑了7步
乌龟-->跑了8步
乌龟-->跑了9步
乌龟-->跑了10步
乌龟-->跑了11步
乌龟-->跑了12步
乌龟-->跑了13步
乌龟-->跑了14步
乌龟-->跑了15步
乌龟-->跑了16步
乌龟-->跑了17步
乌龟-->跑了18步
乌龟-->跑了19步
兔子-->跑了0步
乌龟-->跑了20步
乌龟-->跑了21步
乌龟-->跑了22步
乌龟-->跑了23步
乌龟-->跑了24步
乌龟-->跑了25步
乌龟-->跑了26步
乌龟-->跑了27步
乌龟-->跑了28步
乌龟-->跑了29步
乌龟-->跑了30步
乌龟-->跑了31步
乌龟-->跑了32步
乌龟-->跑了33步
乌龟-->跑了34步
乌龟-->跑了35步
乌龟-->跑了36步
乌龟-->跑了37步
乌龟-->跑了38步
乌龟-->跑了39步
乌龟-->跑了40步
乌龟-->跑了41步
乌龟-->跑了42步
乌龟-->跑了43步
兔子-->跑了1步
乌龟-->跑了44步
乌龟-->跑了45步
乌龟-->跑了46步
乌龟-->跑了47步
乌龟-->跑了48步
乌龟-->跑了49步
乌龟-->跑了50步
乌龟-->跑了51步
乌龟-->跑了52步
乌龟-->跑了53步
乌龟-->跑了54步
乌龟-->跑了55步
乌龟-->跑了56步
乌龟-->跑了57步
乌龟-->跑了58步
乌龟-->跑了59步
乌龟-->跑了60步
乌龟-->跑了61步
乌龟-->跑了62步
乌龟-->跑了63步
乌龟-->跑了64步
乌龟-->跑了65步
乌龟-->跑了66步
乌龟-->跑了67步
乌龟-->跑了68步
乌龟-->跑了69步
乌龟-->跑了70步
乌龟-->跑了71步
乌龟-->跑了72步
乌龟-->跑了73步
乌龟-->跑了74步
乌龟-->跑了75步
乌龟-->跑了76步
乌龟-->跑了77步
乌龟-->跑了78步
乌龟-->跑了79步
乌龟-->跑了80步
乌龟-->跑了81步
乌龟-->跑了82步
乌龟-->跑了83步
兔子-->跑了2步
乌龟-->跑了84步
乌龟-->跑了85步
乌龟-->跑了86步
乌龟-->跑了87步
乌龟-->跑了88步
乌龟-->跑了89步
乌龟-->跑了90步
乌龟-->跑了91步
乌龟-->跑了92步
乌龟-->跑了93步
乌龟-->跑了94步
兔子-->跑了3步
乌龟-->跑了95步
乌龟-->跑了96步
乌龟-->跑了97步
乌龟-->跑了98步
乌龟-->跑了99步
胜利者为乌龟

进程已结束,退出代码 0

创建线程方式三:实现Callable接口(了解即可)

  • 实现Callable接口,需要返回值类型
  • 重写call方法,需要抛出异常
  • 创建目标对象
  • 创建执行服务:ExecutorService ser = Executors.newFixedThreadPool(1)
  • 提交执行:Futureresult1 = ser.submit(t1);
  • 获取结果:boolean r1 = result1.get();
  • 关闭服务:ser.shutdownNow();

静态代理

静态代理模式:

  • 真实对象和代理对象要实现同一接口
  • 代理对象要代理真实角色

好处:

  • 代理对象可以做很多真实对象做不了的事
  • 真实对象专注做自己的事
public class StaticProsy {
    public static void main(String[] args) {

        new Thread( ()-> System.out.println("David")).start();

        new WeddingCompany(new You()).HappyMarry();

    }
}

interface Marry{
    void HappyMarry();
}

//真是角色,你去结婚
class You implements Marry{
    @Override
    public void HappyMarry() {
        System.out.println("我要结婚了");
    }
}

//代理角色,帮助你结婚
class WeddingCompany implements Marry{

    //代理谁-->真实目标角色
    private Marry target;

    public WeddingCompany(Marry target) {
        this.target = target;
    }

    @Override
    public void HappyMarry() {
        before();
        this.target.HappyMarry(); //这就是真实对象
        after();
    }

    private void after() {
        System.out.println("结婚之后,收尾款");
    }

    private void before() {
        System.out.println("结婚之前,布置现场");
    }
}

输出结果:

David
结婚之前,布置现场
我要结婚了
结婚之后,收尾款
    
进程已结束,退出代码 0

Lambda表达式

λ希腊字母表达中排序第十一位的字母,英语名称为Lambda

避免名内部类定义过多

其实质属于函数式编程的概念

为什么要使用lambda

  • 避免匿名内部类定义过多
  • 可以让你的代码看起来很简洁
  • 去掉了一堆没有意义的代码,只留下核心的逻辑

理解Functional Interface(函数式接口)是学习Java8 lambda表达式的关键所在

函数式接口的定义:

​ 任何接口,如果只包含唯一一个抽象方法,那么它就是一个函数式接口:

public interface Runnable{
    public abstract void run();
}

对于函数式接口,我们可以通过lambda表达式来创建该接口的对象

public class TestLambda {

    //3.静态内部类
    static class Like2 implements ILike{
        @Override
        public void lambda() {
            System.out.println("i like Lambda2");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ILike like = new Like();
        like.lambda();

        like = new Like2();
        like.lambda();

        //4.局部内部类
        class Like3 implements ILike{
            @Override
            public void lambda() {
                System.out.println("i like Lambda3");
            }
        }
        like = new Like3();
        like.lambda();

        //5.匿名内部类,没有类的名称,必须借助接口或者父类
        like = new ILike() {
            @Override
            public void lambda() {
                System.out.println("i like Lambda4");
            }
        };
        like.lambda();

        //6.用lambda简化
        like =  ()->
            System.out.println("i like Lambda5");

        like.lambda();
    }
}

//1.定义一个函数式接口
interface ILike{
    void lambda();
}

//2.实现类
class Like implements ILike{
    @Override
    public void lambda() {
        System.out.println("i like Lambda");
    }
}

输出结果:

i like Lambda
i like Lambda2
i like Lambda3
i like Lambda4
i like Lambda5

进程已结束,退出代码 0

线程状态

  • 创建状态:Thread t = new Thread();线程对象一旦创建就进入到了新生状态;
  • 就绪状态:当调用start()方法,线程立即进入就绪状态,但不意味着立即调度执行;
  • 运行状态:CPU开始调度时,才进入运行状态,线程才真正执行线程体的代码块;
  • 阻塞状态:当调用sleep,wait或同步锁定时,线程进入阻塞状态,就是代码不往下执行,阻塞事件解除后 ,重新进入就绪状态,等待CPU调度执行;
  • 死亡状态:线程中断或者结束,一旦进入死亡状态,就不能再次启动。

线程方法

  • setPriority(int newPriority):更改线程的优先级
  • static void sleep(long millis):在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠
  • void join():等待该线程终止
  • static void yield():暂停当前正在执行的线程对象,并执行其他线程
  • void interrupt():中断线程(别用这个方式)
  • boolean isAlive():测试线程是否处于活动状态

停止线程

  • 不推荐使用JDK提供的stop()、destroy()方法【已废弃】
  • 推荐线程自己停止下来
  • 建议使用一个标志位进行终止变量,当flag=false,则终止线程运行
public class TestStop implements Runnable{

    //1.设置一个标志位
    private boolean flag = true;

    @Override
    public void run() {
        int i = 0;
        while (flag){
            System.out.println("run...Thread" + i++);
        }
    }

    //2.设置一个公开的方法停止线程,转换标志位
    public void stop(){
        this.flag=false;
    }

    public static void main(String[] args) {
        TestStop testStop = new TestStop();

        new Thread(testStop).start();

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            System.out.println("main"+i);
            if (i==900){
                testStop.stop();
                System.out.println("线程该停止了");
            }
        }
    }
}

线程休眠

  • sleep(时间)指定当前线程阻塞的毫秒数
  • sleep存在异常InterruptException
  • sleep时间达到后线程进入就绪状态
  • sleep可以模拟网络延时,倒计时等
  • 每一个对象都有一个锁,sleep不会释放锁

打印当前时间:

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

//模拟倒计时
public class TestSleep2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //打印当前系统时间
        Date startTime = new Date(System.currentTimeMillis());

        while(true){
            try{
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(startTime));
                startTime = new Date(System.currentTimeMillis());//更新时间
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    //模拟倒计时
    public static void temDown() throws InterruptedException {
        int num = 10;
        while(true){
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(num--);
            if(num<=0){
                break;
            }
        }
    }
}

线程礼让

  • 礼让线程,让当前正在执行的线程暂停,但不阻塞
  • 将线程从运行状态转为就绪状态
  • 让CPU重新调度,礼让不一定成功!看CPU的心情
//测试礼让线程
//礼让不一定成功,看CPU心情
public class TestYield {
    public static void main(String[] args) {
        MyYield myYield = new MyYield();

        new Thread(myYield,"a").start();
        new Thread(myYield,"b").start();
    }
}

class MyYield implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程开始执行");
        Thread.yield();//礼让
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程停止执行");
    }
}

Join

join合并线程,待此线程执行完成后,再执行其他线程,其他线程阻塞(可以想象为插队)

//测试Join方法(想象为插队)
public class TestJoin implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            System.out.println("线程vip来了" + i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TestJoin testJoin = new TestJoin();
        Thread thread = new Thread(testJoin);
        thread.start();

        //主线程
        for (int i = 0;i<500;i++){
            if(i==200){
                thread.join();
            }
            System.out.println("main"+i);
        }
    }
}

线程状态观测

Thread.State

线程状态:线程可以处于以下状态之一:

  • new:尚未启动的线程处于此状态
  • Runnable:在Java虚拟机中执行的线程处于此状态
  • blocked:被阻塞等待监视器锁定的线程处于此状态
  • waiting:正在等待另一个线程执行特定动作的线程处于此状态
  • time_waiting:正在等待另一个线程执行动作达到指定等待时间的线程处于此状态
  • terminated:已退出的线程处于此状态

一个线程可以在给定时间点处于一个状态,这些状态是不反映任何操作系统线程状态的虚拟机状态

//观察测试线程的状态
public class TestState {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("/");
        });

        //观察状态
        Thread.State state = thread.getState();
        System.out.println(state);  //NEW

        //观察启动后
        thread.start();
        state = thread.getState();//更新线程状态
        System.out.println(state); //RUN

        //只要线程不终止,就一直输出状态
        while (state!=Thread.State.TERMINATED){
            Thread.sleep(100);
            state=thread.getState();
            System.out.println(state);
        }
    }
}

线程优先级

Java提供一个线程调度器来监控程序中启动后进入就绪状态的所有线程,线程调度器按照优先级决定应该调度哪个线程来执行

线程的优先级用数字表示,范围从1~10

  • Thread.MIN_PRIORITY= 1;
  • Thread.MAX_PRIORITY= 10;
  • Thread.NORM_PRIORITY= 5;

使用以下方式改变或获取优先级:

  • getPriority().setPriority(int *)

优先级低只是意味着获得调度的概率低,并不是优先级低就不会被调用了,这都是看CPU的调度。

守护(daemon)线程

线程分为用户线程和守护线程

虚拟机必须确保用户线程执行完毕

虚拟机不用等待守护线程执行完毕

线程同步

处理多线程问题时,多个线程访问同一个对象,并且某些线程还想修改这个对象,这时候我们需要线程同步,线程同步其实就是一种等待机制,多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列,等待前面线程使用完毕,下一个线程再使用。

队列和锁

由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间,在带来方便的同时,也带来了访问冲突问题,为了保证数据在方法中被访问时的正确性,在访问时加入锁机制synchronized,当一个线程获得对象的排它锁,独占资源,其他线程必须等待,使用后释放锁即可,存在一下问题:

  • 一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起;
  • 在多线程竞争下,加锁,释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时,引起性能问题;
  • 如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁,会导致优先级倒置,引起性能问题。

同步方法

由于我们可以通过private关键字来保证数据对象只能被方法访问,所以我们只需要针对方法提出一套机制,这套机制就是synchronized关键字,它包括两种用法:synchronized方法和synchronized块

同步方法:public synchronized void method(int args){}

synchronized方法控制对“对象”的访问,每个对象对应一把锁,每个synchronized方法都必须获得调用该方法的对象的锁才能执行,否则线程会阻塞,方法一旦执行,就独占该锁,直到该方法返回才释放锁,后面被阻塞的线程才能获得这个锁,继续执行。

缺陷:若将一个大的方法申明为synchronized将会影响效率

方法里面需要修改的内容才需要锁,锁的太多,便浪费资源

同步块:synchronized(obj){}

obj称之为同步监视器

  • Obj可以是任意对象,但是推荐使用共享资源作为同步监视器
  • 同步方法中无需指定同步监视器,因为同步方法的同步监视器就是this,这个对象本身,或者是class

同步监视器执行过程:

  • 第一个线程访问,锁定同步监视器,执行其中代码
  • 第二个线程访问,发现同步监视器被锁定,无法访问
  • 第一个线程访问完毕,解锁同步监视器
  • 第二个线程访问,发现同步监视器没有锁,然后锁定并访问

买票举例:

public class UnsafeBuyTicket {

    public static void main(String[] args) {
        BuyTicket station = new BuyTicket();
        new Thread(station,"我").start();
        new Thread(station,"你").start();
        new Thread(station,"他").start();
    }
}

class BuyTicket implements Runnable{

    //票
    private int ticketNums = 10;
    boolean flag = true;//外部停止方式

    @Override
    public void run() {
        //买票
        while (flag){
            try {
                buy();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    //synchronized 同步方法 ,锁的是this
    private synchronized void buy() throws InterruptedException {
        //判断是否有票
        if(ticketNums<=0){
            flag=false;
            return;
        }

        //模拟延时
        Thread.sleep(100);

        //买票
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到" + ticketNums--);
    }
}

银行取钱举例:

//不安全的取钱
//两个人去银行取钱,同一账户
public class UnsafeBank {
    //账户
    public static void main(String[] args) {

        Account accout = new Account(100, "结婚基金");

        Drawing you = new Drawing(accout, 50, "你");
        Drawing girlFriend = new Drawing(accout, 100, "girlFriend");

        you.start();
        girlFriend.start();
    }
}

//账户
class Account{
    int money;//余额
    String name;//卡名

    public Account(int money, String name) {
        this.money = money;
        this.name = name;
    }
}

//银行:模拟取款
class Drawing extends Thread{
    Account account;//账户
    //取了多少钱
    int drawingMoney;
    //现在手里有多少钱
    int nowMoney;

    public Drawing(Account account,int drawingMoney,String name){
        super(name);
        this.account=account;
        this.drawingMoney=drawingMoney;
    }

    //取钱
    //synchronized 默认锁的是this
    @Override
    public  void run() {

        //锁的对象就是变化的量,需要增删改的对象
        synchronized(account){

        //判断有没有钱
        if(account.money-drawingMoney<0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"钱不够,取不了");
            return;
        }

        //sleep可以放大问题的发生性
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //卡内余额=余额-你取的钱
        account.money = account.money-drawingMoney;
        //你手里的钱
        nowMoney = nowMoney +drawingMoney;

        System.out.println(account.name + "余额为" +account.money);
        //Thread.currentThread().getName()=this.getName();
        System.out.println(this.getName()+"手里的钱"+nowMoney);
    }
    }
}

死锁

多个线程各自占有一些共享资源,并且互相等待其他线程占有的资源才能运行,而导致两个或多个线程都在等待对方释放资源,都停止执行的情况,某一个同步块同时拥有“两个以上对象的锁”时,就可能会发生死锁的问题。

产生死锁的四个必要条件:

  • 互斥条件:一个资源每次只能被一个进程使用
  • 请求与保持条件:一个进程因请求资源而阻塞时,对已获得的资源保持不放。
  • 不剥夺条件:进程已获得的资源,在未使用完之前,不能强行剥夺
  • 循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系

Lock(锁)

Java提供了更强大的线程同步机制——通过显示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接口是控制多线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源资源的独占访问,每次只能由一个线程对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(可重入锁)类实现了Lock,他拥有与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。

synchronized与Lock的对比

  • Lock是显式锁(手动开启和关闭)synchronized是隐式锁,出了作用域自动释放
  • Lock只有代码块锁,synchronized有代码块锁和方法锁
  • 使用Lock锁,JVM将花费较少的时间来调度线程,性能更好,而且具有更好的扩展性(提供更多的子类)
  • 优先使用顺序: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)

线程协作

生产者消费者问题:

  • 假设仓库中只能存放一件产品,生产者将生产出来的产品放入仓库,消费者将仓库中的产品取走消费
  • 如果仓库中没有产品,则生产者将产品放入仓库,否则停止生产并等待,直到仓库中的产品被消费者取走为止
  • 如果仓库中放有产品,则消费者可以将产品取走消费,否则停止消费并等待,直到仓库总再次放入产品为止

这是一个线程同步问题,生产者和消费者共享同一资源,并且生产者和消费者之间相互依赖,互为条件。

  • 对于生产者,没有生产产品之前,要通知消费者等待,而生产了产品之后,有需要马上通知消费者消费
  • 对于消费者,在消费之后,要通知生产者已经结束消费,需要生产新的产品供以消费
  • 在生产者消费者问题中,仅用synchronized是不够的
    • synchronized可阻止并发更新同一个共享资源,实现了同步
    • synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递(通信)

Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题

  • wait():表示线程一直等待,知道其他线程通知,与sleep不同,会释放锁
  • wait(long timeout):指定等待的毫秒数
  • notify():唤醒一个处于等待状态的线程
  • notifyAll():唤醒同一个对象上所有调用wait()方法的线程,优先级别高的线程优先调度

注意:均是Object类的方法,都只能在同步方法或者同步代码块中使用,否则会抛出异常lllegalMonitorStateException

解决方法(一):并发协作模型“生产者/消费者模式”—>管程法

  • 生产者:负责生产数据的模块(可能是方法,对象,线程,进程)
  • 消费者:负责处理数据的模块(可能是方法,对象,线程,进程)
  • 缓冲区:消费者不能直接使用生产者的数据:他们之间有个“缓冲区”

生产者将生产好的数据放入缓冲区,消费者从缓冲区拿出数据。

//测试:生产者消费者模型-->利用缓冲区解决:管程法

//生产者,消费者,产品,缓冲区
public class TestPC {
    public static void main(String[] args) {
        SynContainer container= new SynContainer();
        new Productor(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}

//生产者
class Productor extends Thread{
    SynContainer container;
    public Productor(SynContainer container){
        this.container= container;
    }

    //生产
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            container.push(new Chicken(i));
            System.out.println("生产了"+i+"只鸡");
        }
    }
}

//消费者
class Consumer extends Thread{
    SynContainer container;
    public Consumer(SynContainer container){
        this.container= container;
    }

    //消费

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            System.out.println("消费了-->"+container.pop().id+"只鸡");
        }
    }
}

//产品
class Chicken{
    int id;//产品编号

    public Chicken(int id) {
        this.id = id;
    }
}

//缓冲区
class SynContainer{

    //需要一个容器大小
    Chicken[] chickens = new Chicken[10];
    //容器计数器
    int count = 0;

    //生产者放入产品
    public synchronized void push(Chicken chicken){
        //如果容器满了,就需要等待消费者消费
        while(count==chickens.length){
            //通知消费者消费,生产者等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //如果没有满,我们需要丢入产品

        chickens[count]=chicken;
        count++;
        //可以通知消费者消费了
        this.notifyAll();
    }

    //消费者消费产品
    public synchronized Chicken pop(){
        //判断能否消费
        while(count==0){
            //等待生产者生产,消费者等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //如果可以消费
        count--;
        Chicken chicken=chickens[count];

        //通知生产者生产
        this.notifyAll();
        return chicken;
    }
}

解决方法(二):并发协作模型“生产者/消费者模式”—>信号灯法

设置一个标志位:

//测试生产者消费者问题2:信号灯法,标志位解决
public class TestPC2 {

    public static void main(String[] args) {
        TV tv=new TV();
        new Player(tv).start();
        new Watcher(tv).start();
    }
}

//生产者-->演员
class Player extends Thread{
    TV tv;
    public Player(TV tv){
        this.tv=tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            if (i%2==0){
                this.tv.play("快乐大本营播放中");
            }else{
                this.tv.play("广告");
            }
        }
    }
}

//消费者-->观众
class Watcher extends Thread{
    TV tv;
    public Watcher(TV tv){
        this.tv=tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            tv.watch();
        }
    }
}

//产品-->节目
class TV{
    //演员表演,观众等待
    //观众观看,演员等待
    String voice;//表演的节目
    boolean flag = true;

    //表演
    public synchronized void play(String voice){

        if(!flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println("演员表演了:"+voice);
        //通知观众观看
        this.notify();
        this.voice=voice;
        this.flag = !this.flag;
    }

    //观看
    public synchronized void watch(){
        if(flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("观看了:"+voice);
        //通知演员表演
        this.notify();
        this.flag=!this.flag;
    }
}

线程池

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(重复利用线程池中的线程,不需要每次都创建)
  • 便于线程管理:
    • corePoolSize:核心池的大小
    • maximumPoolSize:最大线程数
    • keepAliveTime:线程没有任务时最多保持多长时间会终止

JDK5.0提供了线程池相关API: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
  • Futuresubmit(Callabletask):执行任务,有返回值,一般用来执行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

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

//测试线程池
public class TestPool {

    public static void main(String[] args) {
        //1.创建服务,创建线程池
        //newFixedThreadPool  参数为:线程池大小
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());

        //2.关闭连接
        service.shutdown();
    }
}

class MyThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

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