第十一章、多线程

文章目录

    • 内容
    • 学习目标
  • 第十一章 多线程
    • 11.1 相关概念
      • 11.1.1 并发与并行(了解)
      • 11.1.2 线程与进程
        • 一个软件中包含多个进程
        • 每个应用程序的运行都是一个进程
        • 一个应用程序的多次运行,就是多个进程
        • 一个进程中包含多个线程
      • 11.1.3 线程调度
    • 11.2 另行创建和启动线程
      • 11.2.1 继承Thread类
      • 11.2.2 实现Runnable接口
      • 11.2.3 使用匿名内部类对象来实现线程的创建和启动
    • 11.3 Thread类
      • 11.3.1 构造方法(共有8个,下面是常用的)
      • 11.3.2 常用方法系列1
      • 11.3.3 常用方法系列2
        • 示例代码:倒计时
        • 示例代码:强行加塞
        • 示例代码:友谊赛
        • 示例代码:冠军赛
      • 11.3.4 守护线程(了解)
    • 11.4 线程安全
      • 11.4.1 线程安全
      • 11.4.2 同步代码块
      • 11.4.3 同步方法
      • 11.4.4 Lock锁
    • 11.5 等待唤醒机制
      • 11.5.1 线程间通信
      • 11.5.2 等待唤醒机制
      • 11.5.3 生产者与消费者问题
        • 一对一做包子吃包子问题
        • 补充
        • 多个厨师多个服务员问题(多线程问题)
    • 11.6 线程生命周期
    • 11.7 Thread和Runnable的区别
    • 11.8 释放锁操作与死锁
      • **1、释放锁的操作**
      • **2、不会释放锁的操作**
      • 3、死锁
      • 4、sleep()和wait()方法的区别
    • 11.9 线程池(高级)
      • 11.9.1 线程池思想概述
      • 11.9.2 线程池概念
      • 11.9.3 线程池的使用
    • 11.10 单例设计模式
      • **11.10.1 饿汉式单例设计模式**
      • **11.10.2 懒汉式单例设计模式**

内容

  • 多线程

学习目标

  • 说出进程的概念
  • 说出线程的概念
  • 能够理解并发与并行的区别
  • 能够开启新线程
  • 能够描述Java中多线程运行原理
  • 能够使用继承类的方式创建多线程
  • 能够使用实现接口的方式创建多线程
  • 能够说出实现接口方式的好处
  • 能够解释安全问题的出现的原因
  • 能够使用同步代码块解决线程安全问题
  • 能够使用同步方法解决线程安全问题
  • 能够说出线程6个状态的名称
  • 能够理解线程通信概念
  • 能够理解等待唤醒机制
  • 能够描述Java中线程池运行原理
  • 能够编写单例设计模式

第十一章 多线程

我们在之前,学习的程序在没有跳转语句的前提下,都是由上至下依次执行,那现在想要设计一个程序,边打游戏边听歌,怎么设计?

要解决上述问题,咱们得使用多进程或者多线程来解决.

11.1 相关概念

11.1.1 并发与并行(了解)

  • 并行(parallel):指两个或多个事件在同一时刻发生(同时发生)。指在同一时刻,有多条指令在多个处理器上同时执行。
  • 并发(concurrency):指两个或多个事件在同一个时间段内发生。指在同一个时刻只能有一条指令执行,但多个进程的指令被快速轮换执行,使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果。
    第十一章、多线程_第1张图片

在操作系统中,安装了多个程序,并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行,这在单 CPU 系统中,每一时刻只能有一个程序执行,即微观上这些程序是分时的交替运行,只不过是给人的感觉是同时运行,那是因为分时交替运行的时间是非常短的。

而在多个 CPU 系统中,则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上(CPU),实现多任务并行执行,即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序,这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核 CPU,便是多核处理器,核越多,并行处理的程序越多,能大大的提高电脑运行的效率。

注意:单核处理器的计算机肯定是不能并行的处理多个任务的,只能是多个任务在单个CPU上并发运行。同理,线程也是一样的,从宏观角度上理解线程是并行运行的,但是从微观角度上分析却是串行运行的,即一个线程一个线程的去运行,当系统只有一个CPU时,线程会以某种顺序执行多个线程,我们把这种情况称之为线程调度。

11.1.2 线程与进程

  • 程序:为了完成某个任务和功能,选择一种编程语言编写的一组指令的集合。

  • 软件1个或多个应用程序+相关的素材和资源文件等构成一个软件系统。

  • 进程:是指一个内存中运行的应用程序,每个进程都有一个独立的内存空间,进程也是程序的一次执行过程,是系统运行程序的基本单位;系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。

  • 线程:线程是进程中的一个执行单元,负责当前进程中程序的执行,一个进程中至少有一个线程。一个进程中是可以有多个线程的,这个应用程序也可以称之为多线程程序。

    简而言之:一个软件中至少有一个应用程序,应用程序的一次运行就是一个进程,一个进程中至少有一个线程。

  • 面试题:进程是操作系统调度和分配资源的最小单位,线程是CPU调度的最小单位。不同的进程之间是不共享内存的。进程之间的数据交换和通信的成本是很高。不同的线程是共享同一个进程的内存的。当然不同的线程也有自己独立的内存空间。对于方法区,堆中中的同一个对象的内存,线程之间是可以共享的,但是栈的局部变量永远是独立的。

例如:

一个软件中包含多个进程

第十一章、多线程_第2张图片第十一章、多线程_第3张图片

每个应用程序的运行都是一个进程

我们可以再电脑底部任务栏,右键----->打开任务管理器,可以查看当前任务的进程:

第十一章、多线程_第4张图片

一个应用程序的多次运行,就是多个进程

一个进程中包含多个线程

第十一章、多线程_第5张图片

11.1.3 线程调度

  • 分时调度

    所有线程轮流使用 CPU 的使用权,平均分配每个线程占用 CPU 的时间。

  • 抢占式调度

    优先让优先级高的线程使用 CPU,如果线程的优先级相同,那么会随机选择一个(线程随机性),Java使用的为抢占式调度。

    • 抢占式调度详解

    大部分操作系统都支持多进程并发运行,现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。比如:现在我们上课一边使用编辑器,一边使用录屏软件,同时还开着画图板,dos窗口等软件。此时,这些程序是在同时运行,”感觉这些软件好像在同一时刻运行着“。

    实际上,CPU(中央处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换。对于CPU的一个核而言,某个时刻,只能执行一个线程,而 CPU的在多个线程间切换速度相对我们的感觉要快,看上去就是在同一时刻运行。
    其实,多线程程序并不能提高程序的运行速度,但能够提高程序运行效率,让CPU的使用率更高。

11.2 另行创建和启动线程

当运行Java程序时,其实已经有一个线程了,那就是main线程。

第十一章、多线程_第6张图片

那么如何创建和启动main线程以外的线程呢?

11.2.1 继承Thread类

Java使用java.lang.Thread类代表线程,所有的线程对象都必须是Thread类或其子类的实例。每个线程的作用是完成一定的任务,实际上就是执行一段程序流即一段顺序执行的代码。Java使用线程执行体来代表这段程序流。Java中通过继承Thread类来创建启动多线程的步骤如下:

  1. 定义Thread类的子类,并重写该类的run()方法,该run()方法的方法体就代表了线程需要完成的任务,因此把run()方法称为线程执行体。
  2. 创建Thread子类的实例,即创建了线程对象
  3. 调用线程对象的start()方法来启动该线程

代码如下:

测试类:

public class Demo01 {
	public static void main(String[] args) {
		//创建自定义线程对象
		MyThread mt = new MyThread("新的线程!");
		//开启新线程
		mt.start();
		//在主方法中执行for循环
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			System.out.println("main线程!"+i);
		}
	}
}

自定义线程类:

public class MyThread extends Thread {
	//定义指定线程名称的构造方法
	public MyThread(String name) {
		//调用父类的String参数的构造方法,指定线程的名称
		super(name);
	}
	/**
	 * 重写run方法,完成该线程执行的逻辑
	 */
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			System.out.println(getName()+":正在执行!"+i);
		}
	}
}

11.2.2 实现Runnable接口

Java有单继承的限制,当我们无法继承Thread类时,那么该如何做呢?在核心类库中提供了Runnable接口,我们可以实现Runnable接口,重写run()方法,然后再通过Thread类的对象代理启动和执行我们的线程体run()方法

步骤如下:

  1. 定义Runnable接口的实现类,并重写该接口的run()方法,该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。
  2. 创建Runnable实现类的实例,并以此实例作为Thread的target来创建Thread对象,该Thread对象才是真正
    的线程对象。
  3. 调用线程对象的start()方法来启动线程。
    代码如下:
  public class MyRunnable implements Runnable{
  	@Override  
      public void run() {
          for (int i = 0; i < 20; i++) {
          	System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);         
  		}       
  	}    
  }
  public class Demo {
      public static void main(String[] args) {
          //创建自定义类对象  线程任务对象
          MyRunnable mr = new MyRunnable();
          //创建线程对象
          Thread t = new Thread(mr, "小强");
          t.start();
          for (int i = 0; i < 20; i++) {
              System.out.println("旺财 " + i);
          }
      }
  }

通过实现Runnable接口,使得该类有了多线程类的特征。run()方法是多线程程序的一个执行目标。所有的多线程
代码都在run方法里面。Thread类实际上也是实现了Runnable接口的类。

在启动的多线程的时候,需要先通过Thread类的构造方法Thread(Runnable target) 构造出对象,然后调用Thread对象的start()方法来运行多线程代码。

实际上所有的多线程代码都是通过运行Thread的start()方法来运行的。因此,不管是继承Thread类还是实现
Runnable接口来实现多线程,最终还是通过Thread的对象的API来控制线程的,熟悉Thread类的API是进行多线程编程的基础。

tips:Runnable对象仅仅作为Thread对象的target,Runnable实现类里包含的run()方法仅作为线程执行体。
而实际的线程对象依然是Thread实例,只是该Thread线程负责执行其target的run()方法。

11.2.3 使用匿名内部类对象来实现线程的创建和启动

new Thread("新的线程!"){
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			System.out.println(getName()+":正在执行!"+i);
		}
	}
}.start();
		new Thread(new Runnable(){
			@Override
			public void run() {
				for (int i = 0; i < 10; i++) {
					System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":" + i);
				}
			}
		}).start();

11.3 Thread类

11.3.1 构造方法(共有8个,下面是常用的)

public Thread() :分配一个新的线程对象。
public Thread(String name) :分配一个指定名字的新的线程对象。
public Thread(Runnable target) :分配一个带有指定目标新的线程对象。
public Thread(Runnable target,String name) :分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。

11.3.2 常用方法系列1

  • public void run() :此线程要执行的任务在此处定义代码。

  • public String getName() :获取当前线程名称。

  • public static Thread currentThread() :返回对当前正在执行的线程对象的引用。

  • public final boolean isAlive():测试线程是否处于活动状态。如果线程已经启动且尚未终止,则为活动状态。

  • public final int getPriority() :返回线程优先级

  • public final void setPriority(int newPriority) :改变线程的优先级

    • 每个线程都有一定的优先级,优先级高的线程将获得较多的执行机会。每个线程默认的优先级都与创建它的父线程具有相同的优先级。Thread类提供了setPriority(int newPriority)和getPriority()方法类设置和获取线程的优先级,其中setPriority方法需要一个整数,并且范围在[1,10]之间,通常推荐设置Thread类的三个优先级常量:
    • MAX_PRIORITY(10):最高优先级
    • MIN _PRIORITY (1):最低优先级
    • NORM_PRIORITY (5):普通优先级,默认情况下main线程具有普通优先级。
	public static void main(String[] args) {
		Thread t = new Thread(){
			public void run(){
				System.out.println(getName() + "的优先级:" + getPriority());
			}
		};
		t.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
		t.start();
		
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"的优先级:" + Thread.currentThread().getPriority());
	}

11.3.3 常用方法系列2

  • public void start() :导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法。

  • public static void sleep(long millis) :使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停(暂时停止执行)。

  • public static void yield():yield只是让当前线程暂停一下,让系统的线程调度器重新调度一次,希望优先级与当前线程相同或更高的其他线程能够获得执行机会,但是这个不能保证,完全有可能的情况是,当某个线程调用了yield方法暂停之后,线程调度器又将其调度出来重新执行。

  • void join() :等待该线程终止。

    void join(long millis) :等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒。如果millis时间到,将不再等待。

    void join(long millis, int nanos) :等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒 + nanos 纳秒。

  • public final void stop():强迫线程停止执行。 该方法具有固有的不安全性,已经标记为@Deprecated不建议再使用,那么我们就需要通过其他方式来停止线程了,其中一种方式是使用变量的值的变化来控制线程是否结束。

示例代码:倒计时

	public static void main(String[] args) {
		for (int i = 10; i>=0; i--) {
			System.out.println(i);
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		System.out.println("新年快乐!");
	}

示例代码:强行加塞

import java.util.Scanner;

public class TestJoin {
	public static void main(String[] args) {
		ChatThread t = new ChatThread();
		t.start();
		
		for (int i = 1; i < 10; i++) {
			System.out.println("main:" + i);
			try {
				Thread.sleep(10);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
         //当main打印到5之后,需要等join进来的线程停止后才会继续了。
			if(i==5){
				try {
					t.join();
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
		}
	}
}
class ChatThread extends Thread{
	public void run(){
		Scanner input = new Scanner(System.in);
		while(true){
			System.out.println("是否结束?(Y、N)");
			char confirm = input.next().charAt(0);
			if(confirm == 'Y' || confirm == 'y'){
				break;
			}
		}
		input.close();
	}
}

示例代码:友谊赛

案例:编写龟兔赛跑多线程程序,设赛跑长度为30米

兔子的速度是10米每秒,兔子每跑完10米休眠的时间10秒

乌龟的速度是1米每秒,乌龟每跑完10米的休眠时间是1秒

要求:要等兔子和乌龟的线程结束,主线程(裁判)才能公布最后的结果。

public class Racer extends Thread {
	private String name;//运动员名字
	private long runTime;//每米需要时间,单位毫秒
	private long restTime;//每10米的休息时间,单位毫秒
	private long distance;//全程距离,单位米
	private long totalTime;//跑完全程的总时间

	public Racer(String name, long distance, long runTime, long restTime) {
		super();
		this.name = name;
		this.distance = distance;
		this.runTime = runTime;
		this.restTime = restTime;
	}

	@Override
	public void run() {
		long sum = 0;
		long start = System.currentTimeMillis();
		while (sum < distance) {
			System.out.println(name + "正在跑...");
			try {
				Thread.sleep(runTime);// 每米距离,该运动员需要的时间
			} catch (InterruptedException e) {
				return ;
			}
			sum++;
			try {
				if (sum % 10 == 0 && sum < distance) {
					// 每10米休息一下
					System.out.println(name+"已经跑了"+sum+"米正在休息....");
					Thread.sleep(restTime);
				}
			} catch (InterruptedException e) {
				return ;
			}
		}
		long end = System.currentTimeMillis();
		totalTime = end - start;
		System.out.println(name+"跑了"+sum+"米,已到达终点,共用时"+totalTime/1000.0+"秒");
	}

	public long getTotalTime() {
		return totalTime;
	}
}
public class TestJoin {
	public static void main(String[] args) {
		Racer rabbit = new Racer("兔子", 30, 100, 10000);
		Racer turtoise = new Racer("乌龟", 30, 1000, 1000);
		
		rabbit.start();
		turtoise.start();
		
        //因为要兔子和乌龟都跑完,才能公布结果
		try {
			rabbit.join();
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		try {
			turtoise.join();
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}		
		System.out.println("比赛结束");
        if(rabbit.getTotalTime()==turtoise.getTotalTime()){
            System.out.println("平局");
        }else if(rabbit.getTotalTime()<turtoise.getTotalTime()){
            System.out.println("兔子赢");
        }else{
            System.out.println("乌龟赢");
        }
	}
}

示例代码:冠军赛

案例:编写龟兔赛跑多线程程序,设赛跑长度为30米

兔子的速度是10米每秒,兔子每跑完10米休眠的时间10秒

乌龟的速度是1米每秒,乌龟每跑完10米的休眠时间是1秒

要求:只要兔子和乌龟中有人到达终点,就宣布比赛结束,没到达终点的也停下来。

public class Player extends Thread{
	private String name;//运动员名字
	private long runTime;//每米需要时间,单位毫秒
	private long restTime;//每10米的休息时间,单位毫秒
	private long distance;//全程距离,单位米
	private boolean flag = true;
	private volatile boolean ended = false;

	public Player(String name, long distance, long runTime, long restTime) {
		super();
		this.name = name;
		this.distance = distance;
		this.runTime = runTime;
		this.restTime = restTime;
	}

	@Override
	public void run() {
		long sum = 0;
		while (sum < distance && flag) {
			System.out.println(name + "正在跑...");
			try {
				Thread.sleep(runTime);// 每米距离,该运动员需要的时间
			} catch (InterruptedException e) {
				break ;
			}
			sum++;
			try {
				if (sum % 10 == 0 && sum < distance && flag) {
					// 每10米休息一下
					System.out.println(name+"已经跑了"+sum+"米正在休息....");
					Thread.sleep(restTime);
				}
			} catch (InterruptedException e) {
				break ;
			}
		}
		ended = sum == distance ? true : false;
		System.out.println(name+"跑了"+sum+"米");
	}

	public void setFlag(boolean flag) {
		this.flag = flag;
	}

	public boolean isEnded() {
		return ended;
	}
	
}
public class TestStop {
	public static void main(String[] args) {
		Thread.currentThread().setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
		Player rabbit = new Player("兔子", 30, 100, 10000);
		Player turtoise = new Player("乌龟", 30, 1000, 1000);
		
		rabbit.start();
		turtoise.start();
		
		while(true){
			if(rabbit.isEnded() || turtoise.isEnded()){
				rabbit.setFlag(false);
				turtoise.setFlag(false);
				rabbit.interrupt();//中断休眠
				turtoise.interrupt();//中断休眠
				//只要有人跑完,就结束比赛,并公布结果
				break;
			}
		}
		
		System.out.println("比赛结束");
		if(rabbit.isEnded() && turtoise.isEnded()){
			System.out.println("平局");
		}else if(rabbit.isEnded()){
			System.out.println("兔子赢");
		}else{
			System.out.println("乌龟赢");
		}
	}
}

volatile的作用是确保不会因编译器的优化而省略某些指令,volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变,每次都小心地重新读取这个变量的值,而不是使用保存在寄存器里的备份,这样,编译器就不会去假设这个变量的值了。

11.3.4 守护线程(了解)

有一种线程,它是在后台运行的,它的任务是为其他线程提供服务的,这种线程被称为“守护线程”。JVM的垃圾回收线程就是典型的守护线程。

守护线程有个特点,就是如果所有非守护线程都死亡,那么守护线程自动死亡。

调用setDaemon(true)方法可将指定线程设置为守护线程。必须在线程启动之前设置,否则会报IllegalThreadStateException异常。

调用isDaemon()可以判断线程是否是守护线程。

public class TestThread {
	public static void main(String[] args) {
		MyDaemon m = new MyDaemon();
		m.setDaemon(true);
		m.start();

		for (int i = 1; i <= 100; i++) {
			System.out.println("main:" + i);
		}
	}
}

class MyDaemon extends Thread {
	public void run() {
		while (true) {
			System.out.println("我一直守护者你...");
			try {
				Thread.sleep(1);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

11.4 线程安全

11.4.1 线程安全

我们通过一个案例,演示线程的安全问题:
电影院要卖票,我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “葫芦娃大战奥特曼”,本次电影的座位共100个
(本场电影只能卖100张票)。
我们来模拟电影院的售票窗口,实现多个窗口同时卖 “葫芦娃大战奥特曼”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)
方式一:

public class Ticket implements Runnable {
	private int ticket = 100;

	/*
	 * 执行卖票操作
	 */
	@Override
	public void run() {
		// 每个窗口卖票的操作
		// 窗口永远开启
		while (true) {
            if (ticket > 0) { // 有票可以卖
                    // 出票操作
                // 使用sleep模拟一下出票时间
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 获取当前线程对象的名字
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println(name + "正在卖:" + ticket--);
            }
		}
	}
}

测试类:

public class Demo {
	public static void main(String[] args) {
		// 创建线程任务对象
		Ticket ticket = new Ticket();
		// 创建三个窗口对象
		Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
		Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
		Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
		// 同时卖票
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}

方式二:

public class TestThread {
	public static void main(String[] args) {
		Ticket t1 = new Ticket("窗口一");
		Ticket t2 = new Ticket("窗口二");
		Ticket t3 = new Ticket("窗口三");
		
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}

class Ticket extends Thread{
	private static int ticket = 100;

	public Ticket() {
		super();
	}

	public Ticket(String name) {
		super(name);
	}

	/*
	 * 执行卖票操作
	 */
	@Override
	public void run() {
		// 每个窗口卖票的操作
		// 窗口永远开启
		while (true) {
            if (ticket > 0) { // 有票可以卖
                // 出票操作
                // 使用sleep模拟一下出票时间
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 获取当前线程对象的名字
                System.out.println(getName() + "正在卖:" + ticket--);
            }
		}
	}
}

发现程序出现了两个问题:

  1. 相同的票数,比如某张票被卖了两回。
  2. 不存在的票,比如0票与-1票,是不存在的。

这种问题,几个窗口(线程)票数不同步了,这种问题称为线程不安全。

当我们使用多个线程访问同一资源(可以是同一个变量、同一个文件、同一条记录等)的时候,若多个线程只有读操作,那么不会发生线程安全问题,但是如果多个线程中对资源有读和写的操作,就容易出现线程安全问题。
要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题,Java中提供了同步机制
(synchronized)来解决。

第十一章、多线程_第7张图片

根据案例简述:

窗口1线程进入操作的时候,窗口2和窗口3线程只能在外等着,窗口1操作结束,窗口1和窗口2和窗口3才有机会进入代码去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候,其他线程不能修改该资源,等待修改完毕同步之后,才能去抢夺CPU资源,完成对应的操作,保证了数据的同步性,解决了线程不安全的现象。

为了保证每个线程都能正常执行原子操作,Java引入了线程同步机制。
那么怎么去使用呢?有三种方式完成同步操作:

  1. 同步代码块。
  2. 同步方法。
  3. 锁机制

11.4.2 同步代码块

  • 同步代码块: synchronized 关键字可以用于方法中的某个区块中,表示只对这个区块的资源实行互斥访问。
    格式:

    synchronized(同步锁){
         需要同步操作的代码
    }
    
    • 同步锁:(不能使用this作为锁)
      对象的同步锁只是一个概念,可以想象为在对象上标记了一个锁.

      锁对象 可以是任意类型。

      ​多个线程对象 要使用同一把锁。
      注意:在任何时候,最多允许一个线程拥有同步锁,谁拿到锁就进入代码块,其他的线程只能在外等着(BLOCKED)。
      使用同步代码块解决代码:

    public class Ticket implements Runnable {
    	private int ticket = 100;
    
    	/*
    	 * 执行卖票操作
    	 */
    	@Override
    	public void run() {
    		// 每个窗口卖票的操作
    		// 窗口永远开启
            while (true) {
                synchronized (this) {//这里可以选择this作为锁,是因为对于这几个线程,Ticket的this是同一个 
                    if (ticket > 0) {// 有票可以卖
                        // 出票操作
                        // 使用sleep模拟一下出票时间
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        // 获取当前线程对象的名字
                        String name = Thread.currentThread().getName();
                        System.out.println(name + "正在卖:" + ticket--);
                    }
    			}
            }
    	}
    }
    

    当使用了同步代码块后,上述的线程的安全问题,解决了。

    class Ticket extends Thread{
    	private static int ticket = 100;
    
    	public Ticket() {
    		super();
    	}
    
    	public Ticket(String name) {
    		super(name);
    	}
    
    	/*
    	 * 执行卖票操作
    	 */
    	@Override
    	public void run() {
    		// 每个窗口卖票的操作
    		// 窗口永远开启
    		while (true) {
    			synchronized (Ticket.class) {//这里不能选用this作为锁,因为这几个线程的this不是同一个
    				if (ticket > 0) { // 有票可以卖
    	                // 出票操作
    	                // 使用sleep模拟一下出票时间
    	                try {
    	                    Thread.sleep(100);
    	                } catch (InterruptedException e) {
    	                    e.printStackTrace();
    	                }
    	                // 获取当前线程对象的名字
    	                System.out.println(getName() + "正在卖:" + ticket--);
    	            }
    			}
    		}
    	}
    }
    

11.4.3 同步方法

  • 同步方法:使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外
    等着

格式:

public synchronized void method(){
    可能会产生线程安全问题的代码
}

同步方法的锁对象:

(1)静态方法:当前类的Class对象

(2)非静态方法:this

使用同步方法代码如下:

public class Ticket implements Runnable{
	private int ticket = 100;   
	/*
	 * 执行卖票操作   
	 */  
	@Override 
	public void run() {	    
	//每个窗口卖票的操作 	        
	//窗口 永远开启 	        
		while(true){        
			sellTicket();            
		}        
	}
		        
		/*   
		 * 锁对象 是 谁调用这个方法 就是谁     
		 *   隐含 锁对象 就是  this    
		 *    	    
		 */
	    
	public synchronized void sellTicket(){
		if(ticket>0){//有票 可以卖   
		  //出票操作
		  //使用sleep模拟一下出票时间 
			try {              
				Thread.sleep(100);
			} catch (InterruptedException e) {
  				e.printStackTrace();
			}
        
            //获取当前线程对象的名字 
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(name+"正在卖:"+ticket‐‐);
        }
   }
}
class Ticket extends Thread {
	private static int ticket = 100;

	public Ticket() {
		super();
	}

	public Ticket(String name) {
		super(name);
	}

	/*
	 * 执行卖票操作
	 */
	@Override
	public void run() {
		// 每个窗口卖票的操作
		// 窗口永远开启
		while (true) {
			sellTicket();
		}
	}
	//这里必须是静态方法,因为如果是非静态方法,隐含的锁对象是this,那么多个线程就不是同一个锁对象了
	//而静态方法隐含的锁对象是当前类的Class对象
	public synchronized static void sellTicket(){
		if(ticket>0){//有票可以卖 
			//出票操作
			//使用sleep模拟一下出票时间
			try {
				Thread.sleep(100);
			} catch(InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			//获取当前线程对象的名字
			String name = Thread.currentThread().getName();
			System.out.println(name + "正在卖:" + ticket--);
		}
	}

}

11.4.4 Lock锁

  • java.util.concurrent.locks.Lock 机制提供了比synchronized代码块和synchronized方法更广泛的锁定操作,同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有,除此之外更强大,更体现面向对象。

  • Lock锁也称同步锁,加锁与释放锁方法,如下:

    • public void lock() :加同步锁。
    • public void unlock() :释放同步锁。

    使用如下

public class Ticket implements Runnable{
	private int ticket = 100;    
	Lock lock = new ReentrantLock();
	    
	/*	    
	 * 执行卖票操作    
	 */
	@Override	    
	public void run() {	    
		//每个窗口卖票的操作 	        
		//窗口 永远开启 	        
		while(true){        
			lock.lock();	            
			if(ticket>0){//有票 可以卖            
				//出票操作                 
				//使用sleep模拟一下出票时间                 
				try {                
					Thread.sleep(50);                    
				} catch (InterruptedException e) {                
				// TODO Auto‐generated catch block                    
					e.printStackTrace();                    
				}                
				//获取当前线程对象的名字                 
				String name = Thread.currentThread().getName();               
				System.out.println(name+"正在卖:"+ticket‐‐);	                
			}            
			lock.unlock();            
		}        
	}    
}

11.5 等待唤醒机制

11.5.1 线程间通信

**概念:**多个线程在处理同一个资源,但是处理的动作(线程的任务)却不相同。

比如:线程A用来生成包子的,线程B用来吃包子的,包子可以理解为同一资源,线程A与线程B处理的动作,一个是生产,一个是消费,那么线程A与线程B之间就存在线程通信问题。

第十一章、多线程_第8张图片

为什么要处理线程间通信:

多个线程并发执行时, 在默认情况下CPU是随机切换线程的,当我们需要多个线程来共同完成一件任务,并且我们希望他们有规律的执行, 那么多线程之间需要一些协调通信,以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。

如何保证线程间通信有效利用资源:

多个线程在处理同一个资源,并且任务不同时,需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作。 就是多个线程在操作同一份数据时, 避免对同一共享变量的争夺。也就是我们需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。

11.5.2 等待唤醒机制

什么是等待唤醒机制

这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争(race),比如去争夺锁,但这并不是故事的全部,线程间也会有协作机制。就好比在公司里你和你的同事们,你们可能存在在晋升时的竞争,但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。

就是在一个线程进行了规定操作后,就进入等待状态(wait()), 等待其他线程执行完他们的指定代码过后 再将其唤醒(notify());在有多个线程进行等待时, 如果需要,可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。

wait/notify 就是线程间的一种协作机制。

等待唤醒中的方法

等待唤醒机制就是用于解决线程间通信的问题的,使用到的3个方法的含义如下:

  1. wait:线程不再活动,不再参与调度,进入 wait set 中,因此不会浪费 CPU 资源,也不会去竞争锁了,这时的线程状态即是 WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作,也即是“通知(notify)”在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来,重新进入到调度队列(ready queue)中
  2. notify:则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放;
  3. notifyAll:则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。(线程较多时注意考虑使用它)

注意:

哪怕只通知了一个等待的线程,被通知线程也不能立即恢复执行,因为它当初中断的地方是在同步块内,而此刻它已经不持有锁,所以她需要再次尝试去获取锁(很可能面临其它线程的竞争),成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。

总结如下:

  • 如果能获取锁,线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE(可运行) 状态;
  • 否则,线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED(等待锁) 状态

调用wait和notify方法需要注意的细节

  1. wait方法与notify方法必须要由同一个锁对象调用。因为:对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。
  2. wait方法与notify方法是属于Object类的方法的(还有notifyAll方法)。因为:锁对象可以是任意对象,而任意对象的所属类都是继承了Object类的。
  3. wait方法与notify方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用。因为:必须要通过锁对象调用这2个方法。

11.5.3 生产者与消费者问题

等待唤醒机制可以解决经典的“生产者与消费者”的问题。

生产者与消费者问题(英语:Producer-consumer problem),也称有限缓冲问题(英语:Bounded-buffer problem),是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个(多个)共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中,然后重复此过程。与此同时,消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据,消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

生产者与消费者问题中其实隐含了两个问题:

  • 线程安全问题:因为生产者与消费者共享数据缓冲区,不过这个问题可以使用同步解决。
  • 线程的协调工作问题:
    • 要解决该问题,就必须让生产者线程在缓冲区满时等待(wait),暂停进入阻塞状态,等到下次消费者消耗了缓冲区中的数据的时候,通知(notify)正在等待的线程恢复到就绪状态,重新开始往缓冲区添加数据。同样,也可以让消费者线程在缓冲区空时进入等待(wait),暂停进入阻塞状态,等到生产者往缓冲区添加数据之后,再通知(notify)正在等待的线程恢复到就绪状态。通过这样的通信机制来解决此类问题。

一对一做包子吃包子问题

就拿生产包子消费包子来说等待唤醒机制如何有效利用资源:

包子铺线程生产包子,吃货线程消费包子。当包子没有时(包子状态为false),吃货线程等待,包子铺线程生产包子(即包子状态为true),并通知吃货线程(解除吃货的等待状态),因为已经有包子了,那么包子铺线程进入等待状态。接下来,吃货线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。如果吃货获取到锁,那么就执行吃包子动作,包子吃完(包子状态为false),并通知包子铺线程(解除包子铺的等待状态),吃货线程进入等待。包子铺线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。

补充

生产者与消费者问题:
一个、些线程负责生产数据,往缓冲区填充数据,这样的线程称为生产者线程,
另一个,些线程负责从缓冲区取数据,消耗数据,这样的线程称为消费者线程。

两个问题:
(1)因为有共享数据,并且线程有读、写操作,一定会有线程安全问题
		可以用synchronized或Lock解决
(2)缓冲区大小有限,或者说线程之间的协作问题
		当厨师没有做好包子,顾客只能“等待”,等厨师做好包子了,就可以“唤醒”顾客,取走包子。
	当包子被卖出去之前,所有的包子还满的,厨师“等待”,先不做,等有顾客购买了包子之后,就可以继续做包子。
 	wait和notify/notifyAll
 
使用wait和notify/notifyAll的要求:
(1)必须由锁对象调用
(2)必须在同步代码块或同步方法中调用
 如果违反了这两条,会报java.lang.IllegalMonitorStateException
 锁对象又称为监视器对象

代码演示:

包子资源类:

public class BaoZi {
     String  pier ;
     String  xianer ;
     boolean  flag = false ;//包子资源 是否准备好  包子资源状态
}

吃货线程类:

public class ChiHuo extends Thread{
    private BaoZi bz;

    public ChiHuo(String name,BaoZi bz){
        super(name);
        this.bz = bz;
    }
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            synchronized (bz){
                if(bz.flag == false){//没包子
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }                
                
                System.out.println("吃货正在吃:"+bz.pier+","+bz.xianer+"包子");
                bz.flag = false;
                bz.notify();
            }
        }
    }
}

包子铺线程类:

public class BaoZiPu extends Thread {

    private BaoZi bz;

    public BaoZiPu(String name,BaoZi bz){
        super(name);
        this.bz = bz;
    }

    @Override
    public void run() {
        int count = 0;
        //造包子
        while(true){
            //同步
            synchronized (bz){
                if(bz.flag == true){//包子资源  存在
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                // 没有包子  造包子
                System.out.println("包子铺开始做包子");
                if(count%2 == 0){
                    // 薄皮  蟹黄包
                    bz.pier = "薄皮";
                    bz.xianer = "蟹黄灌汤";
                }else{
                    // 厚皮  牛肉大葱
                    bz.pier = "厚皮";
                    bz.xianer = "牛肉大葱";
                }
                count++;

                bz.flag=true;
                System.out.println("包子造好了:"+bz.pier+bz.xianer);
                System.out.println("吃货来吃吧");
                //唤醒等待线程 (吃货)
                bz.notify();
            }
        }
    }
}

测试类:

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        //等待唤醒案例
        BaoZi bz = new BaoZi();

        ChiHuo ch = new ChiHuo("吃货",bz);
        BaoZiPu bzp = new BaoZiPu("包子铺",bz);

        ch.start();
        bzp.start();
    }
}

执行效果:

包子铺开始做包子
包子造好了:厚皮牛肉大葱
吃货来吃吧
吃货正在吃:厚皮,牛肉大葱包子
包子铺开始做包子
包子造好了:薄皮蟹黄灌汤
吃货来吃吧
吃货正在吃:薄皮,蟹黄灌汤包子
包子铺开始做包子
包子造好了:厚皮牛肉大葱
吃货来吃吧
吃货正在吃:厚皮,牛肉大葱包子
包子铺开始做包子
包子造好了:薄皮蟹黄灌汤
吃货来吃吧
吃货正在吃:薄皮,蟹黄灌汤包子

多个厨师多个服务员问题(多线程问题)

案例:有家餐馆的取餐口比较小,只能放10份快餐,厨师做完快餐放在取餐口的工作台上,服务员从这个工作台取出快餐给顾客。现在有多个厨师和多个服务员。

package com.atguigu.test.thread;

public class TestThread {
	public static void main(String[] args) {
		Workbench bench = new Workbench();
		Cook c1 = new Cook("大拿",bench);
		Cook c2 = new Cook("吉祥",bench);
		Waiter w1 = new Waiter("翠花",bench);
		Waiter w2 = new Waiter("如意",bench);
		
		c1.start();
		c2.start();
		w1.start();
		w2.start();
	}

}
class Workbench {
	private static final int MAX_VALUE = 10;
	private int num;
	public synchronized void put() {
		while(num >= MAX_VALUE){
			try {
				this.wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		try {
			Thread.sleep(100);
			//加入睡眠时间是放大问题现象,去掉同步和wait等,可观察问题
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		num++;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "厨师制作了一份快餐,现在工作台上有:" + num + "份快餐");
		this.notifyAll();
	}
	public synchronized void take() {
		while(num <=0){
			try {
				this.wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		try {
			Thread.sleep(100);
			//加入睡眠时间是放大问题现象,去掉同步和wait等,可观察问题
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		num--;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"服务员取走了一份快餐,现在工作台上有:" + num + "份快餐");
		this.notifyAll();
	}
}
class Waiter extends Thread{
	private Workbench workbench;
	
	public Waiter(String name,Workbench workbench) {
		super(name);
		this.workbench = workbench;
	}

	public void run(){
		for (int i = 1; i <= 10; i++) {
			workbench.take();
		}
	}
}
class Cook extends Thread{
	private Workbench workbench;
	
	public Cook(String name,Workbench workbench) {
		super(name);
		this.workbench = workbench;
	}

	public void run(){
		for (int i = 1; i <= 10; i++) {
			workbench.put();
		}
	}
}

11.6 线程生命周期

简单来说,线程的生命周期有五种状态:新建(New)、就绪(Runnable)、运行(Running)、阻塞(Blocked)、死亡(Dead)。CPU需要在多条线程之间切换,于是线程状态会多次在运行、阻塞、就绪之间切换。

第十一章、多线程_第9张图片

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。此时它和其他Java对象一样,仅仅由JVM为其分配了内存,并初始化了实例变量的值。此时的线程对象并没有任何线程的动态特征,程序也不会执行它的线程体run()。

2. 就绪

但是当线程对象调用了start()方法之后,就不一样了,线程就从新建状态转为就绪状态。JVM会为其创建方法调用栈和程序计数器,当然,处于这个状态中的线程并没有开始运行,只是表示已具备了运行的条件,随时可以被调度。至于什么时候被调度,取决于JVM里线程调度器的调度。

注意:

程序只能对新建状态的线程调用start(),并且只能调用一次,如果对非新建状态的线程,如已启动的线程或已死亡的线程调用start()都会报错IllegalThreadStateException异常。

3. 运行

如果处于就绪状态的线程获得了CPU,开始执行run()方法的线程体代码,则该线程处于运行状态。如果计算机只有一个CPU,在任何时刻只有一个线程处于运行状态,如果计算机有多个处理器,将会有多个线程并行(Parallel)执行。

当然,美好的时光总是短暂的,而且CPU讲究雨露均沾。对于抢占式策略的系统而言,系统会给每个可执行的线程一个小时间段来处理任务,当该时间用完,系统会剥夺该线程所占用的资源,让其回到就绪状态等待下一次被调度。此时其他线程将获得执行机会,而在选择下一个线程时,系统会适当考虑线程的优先级。

4. 阻塞

当在运行过程中的线程遇到如下情况时,线程会进入阻塞状态:

  • 线程调用了sleep()方法,主动放弃所占用的CPU资源;
  • 线程试图获取一个同步监视器,但该同步监视器正被其他线程持有;
  • 线程执行过程中,同步监视器调用了wait(),让它等待某个通知(notify);
  • 线程执行过程中,同步监视器调用了wait(time)
  • 线程执行过程中,遇到了其他线程对象的加塞(join);
  • 线程被调用suspend方法被挂起(已过时,因为容易发生死锁);

当前正在执行的线程被阻塞后,其他线程就有机会执行了。针对如上情况,当发生如下情况时会解除阻塞,让该线程重新进入就绪状态,等待线程调度器再次调度它:

  • 线程的sleep()时间到;
  • 线程成功获得了同步监视器;
  • 线程等到了通知(notify);
  • 线程wait的时间到了
  • 加塞的线程结束了;
  • 被挂起的线程又被调用了resume恢复方法(已过时,因为容易发生死锁);

5. 死亡

线程会以以下三种方式之一结束,结束后的线程就处于死亡状态:

  • run()方法执行完成,线程正常结束
  • 线程执行过程中抛出了一个未捕获的异常(Exception)或错误(Error)
  • 直接调用该线程的stop()来结束该线程(已过时,因为容易发生死锁)

不过在java.lang.Thread.State的枚举类中这样定义:

    public enum State {
        NEW,
        RUNNABLE,
        BLOCKED,
        WAITING,
        TIMED_WAITING,
        TERMINATED;
    }
  • 首先它没有区分:就绪和运行状态,因为对于Java对象来说,只能标记为可运行,至于什么时候运行,不是JVM来控制的了,是OS来进行调度的,而且时间非常短暂,因此对于Java对象的状态来说,无法区分。只能我们人为的进行想象和理解。

  • 其次根据Thread.State的定义,阻塞状态是分为三种的:BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING。

第十一章、多线程_第10张图片

11.7 Thread和Runnable的区别

如果一个类继承Thread,则不适合资源共享。但是如果实现了Runable接口的话,则很容易的实现资源共享。
总结:
实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势:

  1. 适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。
  2. 可以避免java中的单继承的局限性。
  3. 增加程序的健壮性,实现解耦操作,代码可以被多个线程共享,代码和线程独立。
  4. 线程池只能放入实现Runable或Callable类线程,不能直接放入继承Thread的类。
  5. 扩充:在java中,每次程序运行至少启动2个线程。一个是main线程,一个是垃圾收集线程。因为每当使用
    java命令执行一个类的时候,实际上都会启动一个JVM,每一个JVM其实在就是在操作系统中启动了一个进
    程。

11.8 释放锁操作与死锁

任何线程进入同步代码块、同步方法之前,必须先获得对同步监视器的锁定,那么何时会释放对同步监视器的锁定呢?

1、释放锁的操作

当前线程的同步方法、同步代码块执行结束。

当前线程在同步代码块、同步方法中遇到break、return终止了该代码块、该方法的继续执行。

当前线程在同步代码块、同步方法中出现了未处理的Error或Exception,导致当前线程异常结束。

当前线程在同步代码块、同步方法中执行了锁对象的wait()方法,当前线程被挂起,并释放锁。

2、不会释放锁的操作

线程执行同步代码块或同步方法时,程序调用Thread.sleep()、Thread.yield()方法暂停当前线程的执行。

线程执行同步代码块时,其他线程调用了该线程的suspend()方法将该该线程挂起,该线程不会释放锁(同步监视器)。应尽量避免使用suspend()和resume()这样的过时来控制线程。

3、死锁

不同的线程分别锁住对方需要的同步监视器对象不释放,都在等待对方先放弃时就形成了线程的死锁。一旦出现死锁,整个程序既不会发生异常,也不会给出任何提示,只是所有线程处于阻塞状态,无法继续。

public class TestDeadLock {
	public static void main(String[] args) {
		Object g = new Object();
		Object m = new Object();
		Owner s = new Owner(g,m);
		Customer c = new Customer(g,m);
		new Thread(s).start();
		new Thread(c).start();
	}
}
class Owner implements Runnable{
	private Object goods;
	private Object money;

	public Owner(Object goods, Object money) {
		super();
		this.goods = goods;
		this.money = money;
	}

	@Override
	public void run() {
		synchronized (goods) {
			System.out.println("先给钱");
			synchronized (money) {
				System.out.println("发货");
			}
		}
	}
}
class Customer implements Runnable{
	private Object goods;
	private Object money;

	public Customer(Object goods, Object money) {
		super();
		this.goods = goods;
		this.money = money;
	}

	@Override
	public void run() {
		synchronized (money) {
			System.out.println("先发货");
			synchronized (goods) {
				System.out.println("再给钱");
			}
		}
	}
}

4、sleep()和wait()方法的区别

(1)sleep()不释放锁,wait()释放锁

(2)sleep()指定休眠的时间,wait()可以指定时间也可以无限等待直到notify或notifyAll

(3)sleep()在Thread类中声明的静态方法,wait方法在Object类中声明

因为我们调用wait()方法是由锁对象调用,而锁对象的类型是任意类型的对象。那么希望任意类型的对象都要有的方法,只能声明在Object类中。

11.9 线程池(高级)

11.9.1 线程池思想概述

我们使用线程的时候就去创建一个线程,这样实现起来非常简便,但是就会有一个问题:

如果并发的线程数量很多,并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了,这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率,因为频繁创建线程和销毁线程需要时间。

那么有没有一种办法使得线程可以复用,就是执行完一个任务,并不被销毁,而是可以继续执行其他的任务?

在Java中可以通过线程池来达到这样的效果。今天我们就来详细讲解一下Java的线程池。

11.9.2 线程池概念

  • **线程池:**其实就是一个容纳多个线程的容器,其中的线程可以反复使用,省去了频繁创建线程对象的操作,无需反复创建线程而消耗过多资源。

由于线程池中有很多操作都是与优化资源相关的,我们在这里就不多赘述。我们通过一张图来了解线程池的工作原理:

第十一章、多线程_第11张图片

合理利用线程池能够带来三个好处:

  1. 降低资源消耗。减少了创建和销毁线程的次数,每个工作线程都可以被重复利用,可执行多个任务。
  2. 提高响应速度。当任务到达时,任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
  3. 提高线程的可管理性。可以根据系统的承受能力,调整线程池中工作线线程的数目,防止因为消耗过多的内存,而把服务器累趴下(每个线程需要大约1MB内存,线程开的越多,消耗的内存也就越大,最后死机)。

11.9.3 线程池的使用

Java里面线程池的顶级接口是java.util.concurrent.Executor,但是严格意义上讲Executor并不是一个线程池,而只是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是java.util.concurrent.ExecutorService

要配置一个线程池是比较复杂的,尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下,很有可能配置的线程池不是较优的,因此在java.util.concurrent.Executors线程工厂类里面提供了一些静态工厂,生成一些常用的线程池。官方建议使用Executors工程类来创建线程池对象。

Executors类中有个创建线程池的方法如下:

  • public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads):返回线程池对象。(创建的是有界线程池,也就是池中的线程个数可以指定最大数量)

获取到了一个线程池ExecutorService 对象,那么怎么使用呢,在这里定义了一个使用线程池对象的方法如下:

  • public Future submit(Runnable task):获取线程池中的某一个线程对象,并执行

    Future接口:用来记录线程任务执行完毕后产生的结果。线程池创建与使用。

使用线程池中线程对象的步骤:

  1. 创建线程池对象。
  2. 创建Runnable接口子类对象。(task)
  3. 提交Runnable接口子类对象。(take task)
  4. 关闭线程池(一般不做)。

Runnable实现类代码:

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("顾客喊服务员");
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("服务员来了: " + Thread.currentThread().getName());
        System.out.println("服务完成,服务员回去待着");
    }
}

线程池测试类:

public class TestThread {
	 public static void main(String[] args) {
	        // 创建线程池对象
	        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);//包含2个线程对象
	        // 创建Runnable实例对象
	        MyRunnable r = new MyRunnable();

	        // 从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run()
	        service.submit(r);
	        service.submit(r);
	        service.submit(r);
	        // 再获取个线程对象,调用MyRunnable中的run()
	        service.submit(r);
	        service.submit(r);
	        // 注意:submit方法调用结束后,程序并不终止,是因为线程池控制了线程的关闭。
	        // 将使用完的线程又归还到了线程池中
	        // 关闭线程池
	        //service.shutdown();
	    }
}

11.10 单例设计模式

单例设计模式,是软件开发中最常用的设计模式之一,它是指某个类在整个系统中只能有一个实例对象可被获取和使用的代码模式。例如:代表JVM运行环境的Runtime类。

通常有饿汉式和懒汉式两种。

11.10.1 饿汉式单例设计模式

所谓饿汉式,就是在类初始化时,直接创建对象。

优势:因为Java的类加载和初始化的机制可以保证线程安全,所以这类形式的单例设计模式不存在线程安全问题。

劣势:不管你暂时是否需要该实例对象,都会创建,使得类初始化时间加长。

public enum Singleton {
	INSTANCE
}
public class Singleton {
	public static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
	private Singleton(){
		
	}
}
public class Singleton3 {
	private static final Singleton3 INSTANCE = new Singleton3();
	private Singleton3(){
		
	}
	public static Singleton3 getInstance(){
		return INSTANCE;
	}
}

11.10.2 懒汉式单例设计模式

所谓懒汉式:即延迟创建对象,直到用户来获取这个对象时,再创建。

优势:不用不创建,用时再创建

劣势:需要考虑线程安全问题

public class Singleton5 {
	private static Singleton5 instance;
	private Singleton5(){
		
	}
	public static Singleton5 getInstance(){
		if(instance == null){
			synchronized (Singleton5.class) {
				if(instance == null){
					try {
						Thread.sleep(1000);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					
					instance = new Singleton5();
				}
			}
		}
		return instance;
	}
}
public class Singleton6 {
	private Singleton6(){
		
	}
	private static class Inner{
		private static final Singleton6 INSTANCE = new Singleton6();
	}
	
	public static Singleton6 getInstance(){
		return Inner.INSTANCE;
	}
}

当调用getInstance()方法,才会去加载和初始化Inner类,所以是懒汉式,因为是在类初始化时创建对象,所以线程安全

补充总结

1、数学计算相关的类
java.lang.Math
java.math.BigInteger
java.math.BigDecimal
java.math.RoundingMode
java.util.Random

面试题:double与Double、BigDecimal什么区别
        int与Integer、BigInteger什么区别
int,double是基本数据类型,运算效率比较高
Double与Integer是包装类,用于基本数据类型无法使用的场景
BigDecimal与BigInteger可以表示任意精度的数字,当对数据的精度要求比较高时,可以使用。

在计算时,基本数据类型直接使用运算符。
		包装类在运算时会自动拆箱为基本数据类型计算。
		BigDecimal与BigInteger通过调用方法来实现计算。
		

2、字符串String
(1)特点
①String类型不能被继承,因为有final修饰
②String类型的对象是不可变对象
A:一旦修改就会产生新对象,就需要重新接受结果
B:为什么不可变?
因为第一,char[] value由final修饰,第二,private,外部不可直接操作,第三,它内部提供的方法对所有的修改都是返回新对象处理的
③因为String类型的对象不可变,因此它的常量对象就可以共享
常量对象存储在常量池中,常量池在方法区
④字符串底层使用char[]数组,JDK9之后使用byte[数组]

(2)String对象创建
①String str = "xx";
②String str = new String(...);
③String str = xxx + "";拼接结果都是字符串

(3)空字符串判断
①xx.isEmpty()
②xx.length()==0
③xx.equals("")
④"".equals(xx)

(4)字符串的比较
①==:比较的地址,只有比较两个常量池中字符串的常量对象才会返回true
②equals(xx):比较字符串的长度和内容,区分大小写
③equalsIgnoreCase(xx):比较字符串的长度和内容,不区分大小写
④compareTo(xx):比较字符串的大小,区分大小写
⑤compareToIgnoreCase(xx):比较字符串的大小,不区分大小写

(5)字符串的拼接
①常量池中的常量与常量池中的常量拼接结果在常量池
②xx 与 变量拼接结果在堆中
③非常量池中的字符串常量拼接结果不在常量池
④xx.intern():结果在常量池

拼接的两种方法:(1) +  (2)concat(xx)

(6)其他方法
求字符串长度:length()
去掉前后空格:trim()
转大写:toUpperCase()
转小写:toLowerCase()
判断是否包含某个子串:contais(xx)
查找某个子串的下标:indexOf(xx) 与lastIndexOf(XX)
截取:substring(int start)和substring(int start,int end)
编码:byte[] getBytes()与byte[] getBytes(编码方式)
解码:new String(byte[] data)
      new String(byte[] data,解码方式)
	  new String(byte[] data,int offset, int length,解码方式)
获取某个下标的字符:charAt(index)
转成字符数组:char[] toCharArray()
根据字符数组构建字符:new String(char[] value)
					String.valueOf(char[] value)
判断是否以xx开头:startsWith(xx)
判断是否以xx结尾:endsWith(xx)
是否匹配某个正则:matches(正则)
字符串的替换:replace(xx,yy)
              replaceAll(正则,xx)
			  replaceFirst(正则,xx)
字符串的拆分:String[] split(正则)
					

3、可变字符序列
java.lang.StringBuffer:线程安全的
java.lang.StringBuilder:线程不安全,JDK1。5之后引入的

(1)拼接:append(xx)
(2)删除:delete(int start, int end)
           deleteCharAt(index)
(3)插入:insert(index,xx)
(4)替换:replace(xx,yy)
(5)反转:reverse()
...
		   
可变字符序列的内部的char[]数组可会自动扩容

补充总结

一、线程相关的概念
1、并行与并发
并行:同一时刻同时执行,需要多个处理器
并发:同一时间段同时执行,从宏观的角度也是同时执行,特别是单个处理器时

2、
程序:使用某个编程语言来实现某个功能或任务,这些语言最后都处理成一组CPU可以执行指令,这些指令的集合就是一个程序。
软件:软件 = 一个/多个程序 + 资源文件 
进程:一个进程是一个程序的一次运行,一个软件启动有的时候会有多个进程。
	进程是操作系统分配资源与调度的最小单位。进程与进程之间是不能共享内存。
	进程之间的通信与切换的成本都比较高。
线程:进程中的其中一条执行路径。一个进程中至少有一个线程,也可能有多个线程。
	Java程序至少有main线程,GC线程,异常检查,类加载器....
	线程是CPU调度的最小单位。同一个进程中的多个线程是可以共享内存(堆、方法区),
	对于栈(虚拟机栈和本地方法栈)、程序计数器这个内存是独立。
	
3、调度策略
(1)分时轮流调度
(2)抢占式调度:对于这种线程的优先级会影响抢夺CPU的概率。

二、JavaSE阶段创建和启动线程的两种方式
1、继承Thread类
步骤:
(1)编写线程类继承Thread类
(2)必须重写public void run(){}
(3)创建线程对象
(4)调用start()启动
要求:每一个线程对象的start()方法只能调用一次
如果调用了多次,会报异常java.lang.IllegalThreadStateException

2、实现Runnable接口
(1)编写线程类实现Runnable接口
(2)必须重写public void run(){}
(3)创建线程对象
(4)再创建一个Thread类的对象,把Runnable实现类对象作为target给Thread类的对象
(5)调用Thread类的对象start

3、Thread与Runnable区别
(1)Thread方式有单继承限制,实现Runnable接口没有限制
(2)Thread方式在多个线程使用共享数据方面需要静态
    实现Runnable接口的方式在多个线程使用共享数据方面需要同一个Runnable接口的实现类对象就可以
(3)有线程安全	问题时,Thread类方式不能直接用this对象,需要用静态的对象或当前类的Class对象。
实现Runnable接口的方式可以直接使用this对象
(4)线程池只支持实现Runnable接口的方式,不支持继承Thread的方式

三、Thread类的常用方法
构造器:
(1)new Thread()
(2)new Thread(String name)
(3)new Thread(Runnable target)
(4)new Thread(Runnable target,String name)

其他方法:
(1)public void run()
(2)public void start()
(3)getName()/setName(String name)
(4)getPriority()/setPriority(int)
Java中线程的优先级范围:[1,10]
Thread类有三个常量:MAX_PRIORITY=10,MIN_PRIORITY=1,NORM_PRIORITY=5

main线程的默认优先级是5。
(5)public boolean isAlive():判断线程是否还活着。
(6)public static Thread currentThread():返回当前线程对象
(7)public static void yield():暂停当前线程的执行,让出本次CPU的资源
(8)public static void sleep(时间):暂停当前线程,线程进入阻塞状态,但是当前线程持有锁,不释放锁。
					当休眠时间到,或被interrup()会恢复到就绪状态。
(9)public void join([时间]):加塞,被加塞的线程进入阻塞状态。
	xx.join()这句代码写在哪个线程体中,哪个线程运行时遇到它就会被阻塞。
	xx.join(时间):当时间到被阻塞线程自动恢复
	xx.join():当阻塞它的线程结束,被阻塞线程才会恢复。
(10)public void interrupt():线程被打断
	如果线程正在sleep()或wait(),join()的线程被打断,都会抛出异常InterruptedException
(11)public void stop():停止线程,已过时
	建议开发中,使用变量的值来控制线程是否需要结束。


四、线程安全问题
1、什么情况下会发生线程安全问题?
(1)多个线程
(2)多个线程在使用共享数据(可以是一个变量、可以是一个文件。。。)
(3)多个线程对共享数据有读操作有写操作

2、如何解决线程安全问题
(1)同步:同步代码块和同步方法
(2)Lock

3、同步代码块
synchronized(锁对象){
	需要加锁的代码
}

锁对象:(1)类型没有要求,任意的引用数据类型
		(2)必须保证多个线程使用同一个锁对象
		
4、同步方法
【修饰符】synchronized 返回值类型 方法名(【形参列表】)【throws 异常列表】{}

锁对象:
(1)静态方法:当前类的Class对象
(2)非静态方法:this

5、什么情况下会释放锁?
(1)当同步方法或同步代码块执行完了,自动释放锁
(2)当在同步方法或同步代码块中发生了未处理的异常,也会自动释放锁
(3)当遇到wait()方法,也会自动释放锁

6、什么情况下不会释放锁?
(1)sleep()
(2)yield()

7、死锁
当一个线程要去获取另一个线程占有的锁,正巧另一个线程也要获取当前线程占有的锁,就会出现死锁。


五、线程通信
1、什么情况下会需要用到线程通信?
多个线程操作共享数据,但是每个线程操作不一样,例如:有的线程是生产数据的,有的线程是消耗数据。
所以,这里就会发生生产者与消费者问题。

2、线程通信需要用到等待与唤醒机制:
(1)wait()
     wait(时间)
(2)notify()和notifyAll()

要求:
(1)它们必须由“锁”对象调用
(2)它们必须在同步方法或同步代码块中调用

3、wait()和notify()和notifyAll()在Object类中声明。
因为“锁”对象可能是任意类型的对象,只能把这样的通用方法声明到Object类中

4、sleep()和wait()的区别?
(1)sleep()不释放锁,wait()会释放锁
(2)sleep()是通过时间控制,
     wait()可以通过时间控制,也可以由notify()和notifyAll()唤醒
(3)sleep()在Thread类中,并且是静态方法
wait()在Object类中声明,必须有锁对象调用,而且必须在同步方法或同步代码块中调用


六、线程的生命周期
1、简单的说
2、看源码分析

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