多线程
文章目录
- 1.基本概念：程序、进程、线程
- 1.概念
- 2.使用多线程的优点
- 3.何时需要多线程
- 2.线程的创建和使用
- 1.线程创建的两种方式
- 比较创建线程的两种方式：
- 2.Thread类的有关方法
- 3.线程的调度
- 4.线程的优先级
- 3.线程的生命周期
- 4.线程的同步
- 5.线程的通信
- 6.JDK5.0新增线程创建方式
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1.基本概念：程序、进程、线程
1.概念
- 程序（program）是为了完成特定任务、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。——声明周期
- 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
- 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，可以访问相同的和对象。这就使得线程间通信更简便、搞笑。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情
- 并发：一个CPU（采用时间片）“同时”执行多个任务。比如：秒杀、多个人做同一件事情
2.使用多线程的优点
背景：以单核CPU为例，只使用单个线程先后完成多个任务（调用多个方法），肯定比用多个线程来完成用的时间更短，为何需要多线程呢？
多线程的优点：
- 提高程序的相应。对图形化界面更有意义，可增强用户体验
- 提高计算机系统CPU的利用率
- 改善程序结构。将即长又复杂的进程分为多个线程，独立运行，利于理解和修改
3.何时需要多线程
- 程序需要同时执行两个或多个任务
- 程序需要实现一些需要等待的任务时，如用户输入、文件读写操作、网络操作、搜索等
- 需要一些后台运行的程序时
2.线程的创建和使用
1.线程创建的两种方式
- 继承Thread类，重写run()方法
- 创建一个继承于Thread类的子类
- 重写Thread类的run() —> 将此线程执行的操作声明在run()方法中
- 创建Thread类的子类的对象
- 通过此对象调用start()
- 声明一个类，实现Runnable接口，实现run()方法
- 创建一个实现了Runnable接口的类
- 实现类去实现run()方法
- 创建实现类的对象
- 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
- 通过Thread类的对象调用start()
比较创建线程的两种方式：
开发中，优先选择：实现Runnable接口的方式
原因：
- 实现的方式没有类的单继承的局限性
- 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：
- Thread类也实现了Runnable接口
- 两种方法都需要重写run()，将线程要执行的逻辑声明在run()中
2.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(): 当某个程序执行流中调用其他线程的join()方法时，调用线程将被阻塞，直到join()方法加入的join线程执行完成为止
- 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，时间到后重排队
- 抛出InterruptedException异常
- stop(): 强制线程生命周期结束，不推荐使用
- boolean isAlive(): 返回boolean，判断线程是否还活着
3.线程的调度
-
调度策略
-
时间片
-
抢占式：高优先级的线程抢占CPU
-
-
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
4.线程的优先级
- 线程的优先级
- MAX_PRIORITY: 10
- MIN_PRIORITY: 1
- NORM_PRIORITY: 5
- 涉及的方法
- getPriority(): 返回线程优先级
- setPriority(int newPriority): 改变线程的优先级
- 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
3.线程的生命周期
- JDK中用Thread.State类定义了线程的几种状态
- 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
- 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，此时它已经具备了运行的条件，只是没分配到CPU资源
- 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
- 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
- 死亡：线程完成了它的全部工作，或者线程被提前强制性的中止或出现异常导致结束
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4.线程的同步
方法一：同步代码块
synchronized(同步监视器){
//需要被同步的代码—>操作共享数据的代码
}
说明：
- 操作共享数据的代码，即为需要被同步的代码
- 共享数据：被多个线程操作的变量
- 同步监视器，俗称：锁。任何一个类的对象，都可以充当锁
要求：多个线程必须共用通一把锁
方法二：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为同步的
- 同步方法任然涉及到同步监视器，只是不需要我们显示的声明
- 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
package com.atguigu.java1;
/**
* 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 {
//私有化构造器
private Bank() {
}
private static Bank instance = null;
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;
}
}
return instance;
}
}
线程的死锁问题
- 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
- 解决办法
- 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
Lock（锁）
- 从JDK5.0开始，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，可以显示加锁、释放锁
提问：
- synchronize 和 lock 有什么异同？
相同：二者都可以解决线程安全问题
不同：synchronize 机制在执行完相应的同步代码以后，自动释放同步监视器
lcok需要手动启动同步（lock()），同时结束同步也需要手动实现(unlock())
优先使用顺序
Lock -> 同步代码块(已经进入方法体，分配了相应资源) -> 同步方法(在方法体之外)
5.线程的通信
涉及到三个方法：
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
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，就唤醒优先级高的那个线程
notifyAll(): 一旦执行此方法，就会唤醒所有wait的线程
说明：
1.只能出现在同步代码块，或同步方法中。
2.调用者必须是 同步代码块 或 同步方法 中的 同步监视器，否则出现异常
3.这三个方法定义在Object类中
面试题
sleep() 和 wait() 异同？
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
不同点: - 两个方法声明的位置不一样：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()方法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()方法不会释放锁，wait()会释放锁。
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，店员就会叫生产者停一下，如果店中有空位放产品再通知生产者继续生产；如果店中没有产品了，店员就会告诉消费者等一下，如果店中有产品了再通知小给者来取走产品
- 这里可能会出现两个问题：
- 生产者比消费者块时，消费者会漏掉一些数据没有取到
- 消费者比生产者块时，消费者会取相同的数据
package com.atguigu.java2;
/**
* 生产者消费者问题
*/
class Clerk{
private int num;
public Clerk(int num) {
this.num = num;
}
public int getNum() {
return num;
}
public void setNum(int num) {
this.num = num;
}
}
class Producer extends Thread {
private Clerk clerk;
public Producer(Clerk clerk) {
this.clerk = clerk;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (clerk) {
if (clerk.getNum() < 20) {
clerk.setNum(clerk.getNum()+1);
System.out.println(getName() + ":生产了1件产品，当前共有" + clerk.getNum());
}else {
try {
System.out.println("当前商品数量: " + clerk.getNum() + ",停止生产，等待消费");
//大于20等待
clerk.notify();
clerk.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
}
class Consumer extends Thread {
private Clerk clerk;
public Consumer(Clerk clerk) {
this.clerk = clerk;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (clerk) {
if (clerk.getNum() > 0) {
clerk.setNum(clerk.getNum()-1);
try {
sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(getName() + ":消费了1件产品，当前共有" + clerk.getNum());
}else {
try {
System.out.println("当前商品数量:" + clerk.getNum() + ",停止消费，等待生产");
clerk.notify();
clerk.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
}
public class ProductTest {
public static void main(String[] args) {
Clerk clerk = new Clerk(0);
Producer p1 = new Producer(clerk);
p1.setName("生产者1");
Consumer c1 = new Consumer(clerk);
c1.setName("消费者1");
p1.start();
c1.start();
}
}
6.JDK5.0新增线程创建方式
新增方式一：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
- FutureTask是Future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
步骤：
- 创建一个实现Callable的实现类
- 实现call方法，将此线程需要执行的操作声明在call()中
- 创建Callable接口实现类的对象
- 将次Callable接口的实现对象作为参数传递到FutureTask构造器中，创建FutureTask的对象
- 将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，调用start()
- 获取Callable中的call()的返回值
新增方式二：使用线程池
- 背景：
经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如在并发情况下的线程，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 - 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后会终止
线程池相关API
-
JDK5.0起提供了线程池相关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
- Future submit(Callable task):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
- 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定期的执行