Java基础----【线程池、Lambda表达式】

主要内容

• 线程池
• Lambda表达式

第一章 等待唤醒机制

1.1 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。

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数据的使用或操作。 避免对同一共享数据的争夺。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。

1.2 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；例如，餐馆有空位置后，等候就餐最久的顾客最先入座。
3. notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

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 状态；
• 否则，从 wait set 出来，又进入 entry set，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED 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。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。

1.3 生产者与消费者问题

等待唤醒机制其实就是经典的“生产者与消费者”的问题。

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。

代码演示：

包子资源类：

// 包子 : 表示多线程操作的 `资源类`

public class BaoZi {

    // 属性
    private String pier;        // 皮儿
    private String xianer;      // 馅儿

    // 提供一个数据, 用于判断包子是否已经 `有` 了.
    private boolean flag = false;       // 默认没有包子.

    // 构造方法 :
    public BaoZi(String pier, String xianer) {
        this.pier = pier;
        this.xianer = xianer;
    }

    public BaoZi() {
    }

    // setter & getter
    public String getPier() {
        return pier;
    }

    public void setPier(String pier) {
        this.pier = pier;
    }

    public String getXianer() {
        return xianer;
    }

    public void setXianer(String xianer) {
        this.xianer = xianer;
    }

    public boolean isFlag() {
        return flag;
    }

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

吃货线程类：

// 吃货 : 消费包子

public class ChiHuo extends Thread {

    // 属性
    private BaoZi baoZi;

    public ChiHuo(BaoZi baoZi) {
        this.baoZi = baoZi;
    }

    @Override
    public void run() {
        // 不断消费包子
        while (true) {
            synchronized (baoZi) {
                // 调用消费包子的方法
                consume();
            }
        }
    }

    // 行为 : 消费包子
    public void consume() {

        // 1. 判断是否有包子
        if (baoZi.isFlag() == false) {
            // 没有包子, 吃货需要等待
            try {
                baoZi.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 2. 如果有包子, 吃货开吃
        System.out.println("吃货吃了" + baoZi.getPier() + baoZi.getXianer() + " 的包子.");

        // 将数据清空
        baoZi.setPier(null);
        baoZi.setXianer(null);

        // 3. 将 baoZi 的 flag 设置为 false
        baoZi.setFlag(false);

        // 4. 需要唤醒包子铺去生产包子
        baoZi.notify();
    }
}

包子铺线程类：

// 包子铺 : 生产包子

public class BaoZiPu extends Thread {

    // 属性 (包子铺的包子和吃货吃的包子应该是同一个包子对象, 因此该对象不能内部创建, 应该由外部传入)
    private BaoZi baoZi;

    private boolean pierXian = false;  // 每次生产不相同的包子

    // 构造方法
    public BaoZiPu(BaoZi baoZi) {
        this.baoZi = baoZi;
    }

    @Override
    public void run() {
        // 循环生产包子
        while (true) {
            synchronized (baoZi) {
                // 调用生产包子的方法
                produce();
            }
        }
    }

    // 行为 : 生产包子 (不断生产)
    public void produce() {

        // 故意延时 : 查看效果
        /*try {
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));   // 0 ~ 1000 毫秒之间
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }*/

        // 判断, 是否只存已经 `有` 了 ??? 如果没有包子, 那么包子铺应该生产包子,
        // 1. 如果有包子, 那包子铺就不要生产包子了, 等待吃货吃完后, 再生产.
        if (baoZi.isFlag() == true) {
            // 有包子, 包子铺需要等待 ... (需要一个锁对象, 调用 wait 方法)
            try {
                // IllegalMonitorStateException 这里的线程没有资格调用 `wait` 方法.
                // wait / notify 方法必须在 synchronized 环境中被调用.
                baoZi.wait();       // 包子铺使用 `包子这把锁` 对象进行了等待
            } catch (InterruptedException e) {
                // 含义 : 线程 wait 了, 被了 `中断` 后的异常. (不是唤醒)
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 2. 没有包子, 包子铺就开始生产包子
        if (pierXian == false) {
            // 1.1 薄皮五仁馅
            baoZi.setPier("薄皮");
            baoZi.setXianer("五仁馅");
        } else {
            // 1.2 牛肉大葱馅
            baoZi.setPier("牛肉");
            baoZi.setXianer("大葱馅");
        }

        // 修改包子的 `皮和馅`, (属性取反)
        pierXian = !pierXian;

        // 3. 修改包子的 flag 属性
        baoZi.setFlag(true);


        System.out.println("包子铺生产了 " + baoZi.getPier() + baoZi.getXianer() + " 包子.");

        // 4. 需要唤醒 `chiHuo` 开始吃包子
        baoZi.notify();
    }
}

测试类：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {

        // 1. 创建一个 `BaoZi` 对象, (多线程操作的共享数据)
        BaoZi baoZi = new BaoZi();

        // 2. 创建一个包子铺对象
        BaoZiPu baoZiPu = new BaoZiPu(baoZi);   // baoZiPu 对象就是一个线程类对象

        // 3. 包子铺类中有一个生产包子功能, 将生产包子功能放到子线程实现循环生产
        baoZiPu.start();

        // 4. 创建一个吃货对象
        ChiHuo chiHuo = new ChiHuo(baoZi);

        // 5. 启动吃货线程
        chiHuo.start();
    }
}

执行效果：

包子铺生产了 薄皮五仁馅 包子.
吃货吃了薄皮五仁馅 的包子.
包子铺生产了 牛肉大葱馅 包子.
吃货吃了牛肉大葱馅 的包子.
包子铺生产了 薄皮五仁馅 包子.
吃货吃了薄皮五仁馅 的包子.
包子铺生产了 牛肉大葱馅 包子.
吃货吃了牛肉大葱馅 的包子.
包子铺生产了 薄皮五仁馅 包子.
吃货吃了薄皮五仁馅 的包子.
包子铺生产了 牛肉大葱馅 包子.
吃货吃了牛肉大葱馅 的包子.
包子铺生产了 薄皮五仁馅 包子.
吃货吃了薄皮五仁馅 的包子.

第二章 线程池

2.1 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。

2.2 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。

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)。

2.3 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。(创建的是有限线程池,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。
3. 提交Runnable接口子类对象。
4. 关闭线程池。

Runnable实现类代码：

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        int sum = 0;
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            sum += i;
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 执行完毕: sum = " + sum);
    }
}

线程池测试类：

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

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {

        // 1. 创建一个任务类对象
        MyRunnable task = new MyRunnable();

        // 2. 创建一个线程池对象
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);

        // 3. 提交任务
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            // 循环, 提交了 10 次任务, 查看输出结果
            executorService.submit(task);
        }

        // 4. 所有任务执行完毕后, 关闭线程池对象
        executorService.shutdown();
    }
}

输出结果 :
pool-1-thread-5 执行完毕: sum = 5050
pool-1-thread-4 执行完毕: sum = 5050
pool-1-thread-1 执行完毕: sum = 5050
pool-1-thread-2 执行完毕: sum = 5050
pool-1-thread-1 执行完毕: sum = 5050
pool-1-thread-1 执行完毕: sum = 5050
pool-1-thread-1 执行完毕: sum = 5050
pool-1-thread-1 执行完毕: sum = 5050
pool-1-thread-2 执行完毕: sum = 5050
pool-1-thread-3 执行完毕: sum = 5050

第三章 Lambda表达式

在数学中，函数就是有输入量、输出量的一套计算方案，也就是“拿什么东西做什么事情”。相对而言，面向对象过分强调“必须通过对象的形式来做事情”，而函数式思想则尽量忽略面向对象的复杂语法——强调做什么，而不是以什么形式做。

3.2 冗余的Runnable代码

传统写法

当需要启动一个线程去完成任务时，通常会通过java.lang.Runnable接口来定义任务内容，并使用java.lang.Thread类来启动该线程。代码如下：

public class RunnableTest1 {
    public static void main(String[] args) {

        Runnable task = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " -> run ... " + i);
                }
            }
        };

        Thread thread = new Thread(task, "新线程");
        thread.start();

        // 主线程执行代码 ...
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " -> run ... " + i);
        }
    }
}

输出结果 :
新线程 -> run ... 0
main -> run ... 0
新线程 -> run ... 1
main -> run ... 1
新线程 -> run ... 2
main -> run ... 2
新线程 -> run ... 3
main -> run ... 3

本着“一切皆对象”的思想，这种做法是无可厚非的：首先创建一个Runnable接口的匿名内部类对象来指定任务内容，再将其交给一个线程来启动。

代码分析

对于Runnable的匿名内部类用法，可以分析出几点内容：

• Thread类需要Runnable接口作为参数，其中的抽象run方法是用来指定线程任务内容的核心；
• 为了指定run的方法体，不得不需要Runnable接口的实现类；
• 为了省去定义一个RunnableImpl实现类的麻烦，不得不使用匿名内部类；
• 必须覆盖重写抽象run方法，所以方法名称、方法参数、方法返回值不得不再写一遍，且不能写错；
• 而实际上，似乎只有方法体才是关键所在。

3.3 编程思想转换

做什么，而不是怎么做

我们真的希望创建一个匿名内部类对象吗？不。我们只是为了做这件事情而不得不创建一个对象。我们真正希望做的事情是：将run方法体内的代码传递给Thread类知晓。

传递一段代码——这才是我们真正的目的。而创建对象只是受限于面向对象语法而不得不采取的一种手段方式。那，有没有更加简单的办法？如果我们将关注点从“怎么做”回归到“做什么”的本质上，就会发现只要能够更好地达到目的，过程与形式其实并不重要。

生活举例

当我们需要从北京到上海时，可以选择高铁、汽车、骑行或是徒步。我们的真正目的是到达上海，而如何才能到达上海的形式并不重要，所以我们一直在探索有没有比高铁更好的方式——搭乘飞机。
而现在这种飞机（甚至是飞船）已经诞生：Java 8（JDK 1.8）中，加入了Lambda表达式的重量级新特性，为我们打开了新世界的大门。

3.4 体验Lambda的更优写法

借助Java 8的全新语法，上述Runnable接口的匿名内部类写法可以通过更简单的Lambda表达式达到等效：

public class RunnableTest1 {
    public static void main(String[] args) {

        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " -> run ... " + i);
            }
        }, "新线程").start();

        // 主线程执行代码 ...
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " -> run ... " + i);
        }
    }
}

这段代码和刚才的执行效果是完全一样的，可以在1.8或更高的编译级别下通过。从代码的语义中可以看出：我们启动了一个线程，而线程任务的内容以一种更加简洁的形式被指定。

不再有“不得不创建接口对象”的束缚，不再有“抽象方法覆盖重写”的负担，就是这么简单！

3.5 匿名内部类与Lambda

Lambda是怎样击败面向对象的？

需求 : 定义一个Student类, 按照学生的年龄进行排序, 如果年龄一致, 顺序排放.

public class Student {
    private String name;
    private int age;

    public Student(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public Student() {
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

使用匿名内部类

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.Comparator;

public class StudentSortTest {
    public static void main(String[] args) {

        ArrayList<Student> list = new ArrayList<>();

        list.add(new Student("张三", 18));
        list.add(new Student("李四", 16));
        list.add(new Student("王五", 19));
        list.add(new Student("赵六", 17));

        // Collections.sort(集合, 比较器对象);
        Collections.sort(list, new Comparator<Student>() {
            @Override
            public int compare(Student o1, Student o2) {
                return o1.getAge() - o2.getAge();
            }
        });

        for (Student stu : list) {
            System.out.println(stu);
        }
    }
}

输出结果 :
Student{name='李四', age=16}
Student{name='赵六', age=17}
Student{name='张三', age=18}
Student{name='王五', age=19}

匿名内部类的好处与弊端

一方面，匿名内部类可以帮我们省去实现类的定义；另一方面，匿名内部类的语法——确实太复杂了！

Lambda 标准格式

Lambda省去面向对象的条条框框，格式由3个部分组成：

• 一些参数
• 一个箭头
• 一段代码

Lambda表达式的标准格式为：

(参数类型 参数名称) -> { 代码语句 }

格式说明：

• 小括号内的语法与传统方法参数列表一致：无参数则留空；多个参数则用逗号分隔。
• ->是新引入的语法格式，代表指向动作。
• 大括号内的语法与传统方法体要求基本一致。

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;

public class Test {
    public static void main(String[] args) {

        // 需求 : 定义一个 Student 类, 对 Student 类的对象实现排序.
        // 排序规则 : 按照 `年龄` 升序排列, 如果年龄一致, 顺序排列.

        // 1. 创建一个集合, 存储 Student 类型的对象
        ArrayList<Student> list = new ArrayList<>();

        list.add(new Student("张三", 18));
        list.add(new Student("李四", 17));
        list.add(new Student("王五", 19));
        list.add(new Student("赵六", 16));

        // 2. 排序方法 Collections.sort(集合, 比较器对象)
        // 实现方式一 : 匿名实现类
        /*
        1. new 接口类型 {}
        2. 重写 compare 方法.
         */
        /*Collections.sort(list, new Comparator() {
            @Override
            public int compare(Student o1, Student o2) {
                return o1.getAge() - o2.getAge();
            }
        });*/

        // 实现方式二 : Lambda 实现
        // 该接口类型 : 必须仅有一个 `抽象方法`. 这个的接口被称为 `函数式` 接口.
        // Lambda 表达式就是函数式接口的简写方案.
        // Collections.sort(list, (Student o1, Student o2) -> {return o1.getAge() - o2.getAge();});

        // 实现方式三 : 省略原则 :
        // 1. 参数类型可以省略. 如果参数仅有一个参数, 小括号也可以省略.
        // 2. 如果{}实现类, 仅有一句话, 大括号也可以省略. 无论是否有返回, 如果仅有一条语句, return 和 ; 也可以省略
        Collections.sort(list, (o1, o2) -> o1.getAge() - o2.getAge());

        // 3. 查看
        for (Student stu : list) {
            System.out.println(stu);
        }
    }
}

输出结果 :
Student{name='赵六', age=16}
Student{name='李四', age=17}
Student{name='张三', age=18}
Student{name='王五', age=19}

3.6 练习：使用Lambda标准格式（无参无返回）

题目

给定一个厨子Cook接口，内含唯一的抽象方法makeFood，且无参数、无返回值。如下：

public interface Cook {
    void makeFood();
}

在下面的代码中，请使用Lambda的标准格式调用invokeCook方法，打印输出“吃饭啦！”字样：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {

        // TODO 请在此使用Lambda【标准格式】调用invokeCook方法

    }

    public static void invokeCook(Cook cook) {
        cook.makeFood();
    }
}

解答

public class Test {
    public static void main(String[] args) {

        // 传统方式 :
        invokeCook(new Cook() {
            @Override
            public void makeFood() {
                System.out.println("开饭啦 ...");
            }
        });

        // TODO 请在此使用Lambda【标准格式】调用invokeCook方法
        invokeCook(() -> System.out.println("吃饭啦 ..."));
    }

    public static void invokeCook(Cook cook) {
        cook.makeFood();
    }
}

输出结果 :
开饭啦 ...
吃饭啦 ...

备注：小括号代表Cook接口makeFood抽象方法的参数为空，大括号代表makeFood的方法体。

3.7 练习：使用Lambda标准格式（有参有返回）

题目

给定一个计算器Calculator接口，内含抽象方法calc可以将两个int数字相加得到和值：

public interface Calculator {
    int calc(int a, int b);
}

在下面的代码中，请使用Lambda的标准格式调用invokeCalc方法，完成120和130的相加计算：

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {

        // 传统方式 :
        invokeCalculator(10, 20, new Calculator() {
            @Override
            public int calc(int num1, int num2) {
                return num1 + num2;
            }
        });

        // TODO 请在此使用Lambda【标准格式】调用invokeCalc方法来计算120+130的结果
        invokeCalculator(120, 130, (a, b) -> a + b);
    }

    // 计算 :
    public static void invokeCalculator(int a, int b, Calculator calculator) {
        int result = calculator.calc(a, b);
        System.out.println("result = " + result);
    }
}

输出结果 :
result = 30
result = 250

3.8 Lambda省略规则

可推导即可省略 (省略规则)

在Lambda标准格式的基础上，使用省略写法的规则为：

1. 小括号内参数的类型可以省略；
2. 如果小括号内有且仅有一个参，则小括号可以省略；
3. 如果大括号内有且仅有一个语句，则无论是否有返回值，都可以省略大括号、return关键字及语句分号。

备注：掌握这些省略规则后，请对应地回顾本章开头的多线程案例。

3.9 Lambda的使用前提

Lambda的语法非常简洁，完全没有面向对象复杂的束缚。但是使用时有几个问题需要特别注意：

1. 使用Lambda必须具有接口，且要求接口中有且仅有一个抽象方法。
   无论是JDK内置的Runnable、Comparator接口还是自定义的接口，只有当接口中的抽象方法存在且唯一时，才可以使用Lambda。
2. 使用Lambda必须具有上下文推断。
   也就是方法的参数或局部变量类型必须为Lambda对应的接口类型，才能使用Lambda作为该接口的实例。

备注：有且仅有一个抽象方法的接口，称为“函数式接口”。