Java学习(11)——多线程

多线程

  • 简介
  • 什么是线程
  • 多线程实现
  • 线程变量
  • 线程同步
  • 死锁
  • 饥饿
  • 线程生命周期
  • ArrayBlockingQueue
  • 生产者消费者模式
  • 线程池
  • 总结

简介

Java 给多线程编程提供了内置的支持。 一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流,一个进程中可以并发多个线程,每条线程并行执行不同的任务。多线程是多任务的一种特别的形式,但多线程使用了更小的资源开销。多线程能满足程序员编写高效率的程序来达到充分利用 CPU 的目的。本节主要讲解 Java 多线程的一些概念以及其实现。

知识点

  • 多线程的实现
  • 线程变量
  • 线程同步
  • Lock 与 Unlock
  • 死锁
  • 线程生命周期
  • ArrayBlockingQueue
  • 生产者消费者模式
  • 线程池

什么是线程

线程:程序执行流的最小单元。它是进程内一个相对独立的、可调度的执行单元,是系统独立调度和分派 CPU 的基本单位。

如同大自然中的万物,线程也有「生老病死」的过程,下图表示了一个线程从创建到消亡的过程,以及过程中的状态。
Java学习(11)——多线程_第1张图片
结合线程的生命周期来看看多线程的定义:

多线程:从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作。

在 Java 中,垃圾回收机制就是通过一个线程在后台实现的,这样做的好处在于:开发者通常不需要为内存管理投入太多的精力。反映到我们现实生活中,在浏览网页时,浏览器能够同时下载多张图片;实验楼的服务器能够容纳多个用户同时进行在线实验,这些都是多线程带来的好处。

从专业的角度来看,多线程编程是为了最大限度地利用 CPU 资源——当处理某个线程不需要占用 CPU 而只需要利用 IO 资源时,允许其他的那些需要 CPU 资源的线程有机会利用 CPU。这或许就是多线程编程的最终目的。当然,你也可以进一步了解。

对于多线程和线程之间的关系,你可以这样理解:一个使用了多线程技术的程序,包含了两条或两条以上并发运行的线程(Thread)。

多线程实现

Java 中的 Thread 类就是专门用来创建线程和操作线程的类。

创建线程

创建线程的方法:

  1. 继承 Thread 类并重写它的 run() 方法,然后用这个子类来创建对象并调用 start() 方法。
  2. 定义一个类并实现Runnable 接口,实现 run() 方法。

总的来说就是线程通过 start() 方法启动而不是 run() 方法,run() 方法的内容为我们要实现的业务逻辑。

编程实例
新建一个类 CreateThread。
代码片段如下:

public class CreateThread {

    public static void main(String[] args) {
        Thread1 thread1 = new Thread1();
        //声明一个Thread1对象,这个Thread1类继承自Thread类的

        Thread thread2 = new Thread(new Thread2());
        //传递一个匿名对象作为参数

        thread1.start();
        thread2.start();
        //启动线程
    }
}

class Thread1 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        //在run()方法中放入线程要完成的工作

        //这里我们把两个线程各自的工作设置为打印100次信息
        for (int i = 0; i < 100; ++i) {
            System.out.println("Hello! This is " + i);
        }

        //在这个循环结束后,线程便会自动结束
    }
}

class Thread2 implements Runnable {
    //与Thread1不同,如果当一个线程已经继承了另一个类时,就建议你通过实现Runnable接口来构造

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; ++i) {
            System.out.println("Thanks. There is " + i);
        }
    }
}

线程变量

ThreadLocal,即线程变量,是一个以 ThreadLocal 对象为键、任意对象为值的存储结构。这个结构被附带在线程上,也就是说一个线程可以根据一个 ThreadLocal 对象查询到绑定在这个线程上的一个值。 可以通过 set(T) 方法来设置一个值,在当前线程下再通过 get() 方法获取到原先设置的值。

public class ThreadLocalDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();
        //启动2个线程
        new Thread(threadDemo).start();
        new Thread(threadDemo).start();

    }
}

class ThreadDemo implements Runnable {
    //使用ThreadLocal提供的静态方法创建一个线程变量 并且初始化值为0
    private static ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            //get方法获取线程变量值
            Integer integer = threadLocal.get();
            integer += 1;
            //set方法设置线程变量值
            threadLocal.set(integer);
            System.out.println(integer);
        }
    }
}
$ javac ThreadLocalDemo.java
$ java ThreadLocalDemo
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
10
9
10

通过控制台的结果可以看到,两个线程之间的变量互不干涉。

线程共享变量

如果我们去掉了 ThreadLocal,其他的流程都不改变,已经使用 2 个线程自增变量会如何呢?

public class ThreadLocalDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();
        new Thread(threadDemo).start();
        new Thread(threadDemo).start();

    }
}

class ThreadDemo implements Runnable {
    private Integer integer = 0;

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            integer++;
            System.out.println(integer);
        }
    }
}
$ javac ThreadLocalDemo.java
$ java ThreadLocalDemo

1
3
4
5
6
7
8
9
10
11
2
12
13
14
15
16
17
18
19
20

在没有加入 ThreadLocal 的情况下,发现 integer 变量的值增加到了 20,那是因为这个时候两个线程都是使用同一对象 threadDemo 的变量,这个时候的 integer 就变成了线程共享变量,如果同学们多运行几次,还有可能出现最后结果是 18 19 的情况,那是因为如果不做任何处理,线程共享变量都不是线程安全的,也就是说在多线程的情况下,共享变量有可能会出错。

线程同步

当多个线程操作同一个对象时,就会出现线程安全问题,被多个线程同时操作的对象数据可能会发生错误。线程同步可以保证在同一个时刻该对象只被一个线程访问。

Synchronized

关键字 synchronized 可以修饰方法或者以同步块的形式来进行使用,它确保多个线程在同一个时刻,只能有一个线程处于方法或者同步块中,保证了线程对变量访问的可见性和排他性。它有三种使用方法:

  1. 对普通方式使用,将会锁住当前实例对象。
  2. 对静态方法使用,将会锁住当前类的 Class 对象。
  3. 对代码块使用,将会锁住代码块中的对象。

使用示例
在下面的代码中,演示了三种加锁方式。

public class SynchronizedDemo {
    private static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        //同步代码块 锁住lock
        synchronized (lock) {
            //doSomething
        }
    }

    //静态同步方法  锁住当前类class对象
    public synchronized static void staticMethod(){

    }
    //普通同步方法  锁住当前实例对象
    public synchronized void memberMethod() {

    }
}

java.util.concurrent
java.util.concurrent 包是 java5 开始引入的并发类库,提供了多种在并发编程中的适用工具类。包括原子操作类,线程池,阻塞队列,Fork/Join 框架,并发集合,线程同步锁等。

Lock 与 Unlock
JUC 中的 ReentrantLock 是多线程编程中常用的加锁方式,ReentrantLock 加锁比 synchronized 加锁更加的灵活,提供了更加丰富的功能。

编程实战

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockDemo {
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                //需要同步的代码块
                System.out.println("线程1加锁");
            }finally {
//                一定要在finally中解锁,否则可能造成死锁
                lock.unlock();
                System.out.println("线程1解锁");
            }
        });
        thread1.start();
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("线程2加锁");
            }finally {
                lock.unlock();
                System.out.println("线程2解锁");
            }
        });
        thread2.start();
    }

}

编译运行:

$ javac LockDemo.java
$ java LockDemo
线程1加锁
线程1解锁
线程2加锁
线程2解锁

死锁

在多线程环境下,锁的使用非常频繁,但是它会带来一下问题,比如死锁。当死锁发生时,系统将会瘫痪。比如两个线程互相等待对方释放锁。

死锁示例

public class DeadLockDemo {
    private static Object lockA = new Object();
    private static Object lockB = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        //这里使用lambda表达式创建了一个线程
        //线程  1
        new Thread(() -> {
            synchronized (lockA) {
                try {
                    //线程休眠一段时间  确保另外一个线程可以获取到b锁
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("D");
                synchronized (lockB) {
                }
            }
        }).start();
        //线程 2
        new Thread(() -> {
            synchronized (lockB) {
                System.out.println("死锁...");
                synchronized (lockA) {
                }
            }
        }).start();
    }
}
$ javac DeadLockDemo.java
$ java DeadLockDemo
死锁...
D

在上面的编程实例中,线程 1 获取了 lockA 的锁后再去获取 lockB 的锁,而此时 lockB 已经被线程 2 获取,同时线程 2 也想获取 lockA,两个线程进这样僵持了下去,谁也不让,造成了死锁。在编程时,应该避免死锁的出现。

饥饿

饥饿是指一个可运行的进程尽管能继续执行,但被调度器无限期地忽视,而不能被调度执行的情况。

比如当前线程处于一个低优先级的情况下,操作系统每次都调用高优先级的线程运行,就会导致当前线程虽然可以运行,但是一直不能被运行的情况。

线程生命周期

线程的声明周期共有 6 种状态,分别是:新建 New、运行(可运行)Runnable、阻塞Blocked、计时等待Timed Waiting、等待Waiting 和终止Terminate。

当你声明一个线程对象时,线程处于新建状态,系统不会为它分配资源,它只是一个空的线程对象。

调用 start() 方法时,线程就成为了可运行状态,至于是否是运行状态,则要看系统的调度了。

调用了 sleep() 方法、调用 wait() 方法和 IO 阻塞时,线程处于等待、计时等待或阻塞状态。

当 run() 方法执行结束后,线程也就终止了。

我们通过一个例子来加深对于这些状态的理解。

新建 ThreadState 类,用于自定义线程的状态。主要的代码如下:

public class ThreadState implements Runnable {

    public synchronized void waitForAMoment() throws InterruptedException {

        wait(500);
        //使用wait()方法使当前线程等待500毫秒
        //或者等待其他线程调用notify()或notifyAll()方法来唤醒
    }

    public synchronized void waitForever() throws InterruptedException {

        wait();
        //不填入时间就意味着使当前线程永久等待,
        //只能等到其他线程调用notify()或notifyAll()方法才能唤醒
    }

    public synchronized void notifyNow() throws InterruptedException {

        notify();
        //使用notify()方法来唤醒那些因为调用了wait()方法而进入等待状态的线程
    }

    @Override
    public void run() {

        //这里用异常处理是为了防止可能的中断异常
        //如果任何线程中断了当前线程,则抛出该异常

        try {
            waitForAMoment();
            // 在新线程中运行waitMoment()方法

            waitForever();
            // 在新线程中运行waitForever()方法

        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

然后再新建一个测试类ThreadTest,用于输出这些状态。

接下来会用到 sleep() 方法,下面给出了这个方法的使用方法。

sleep(),在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠(暂停执行),此操作受到系统计时器和调度程序精度和准确性的影响。填入的参数为休眠的时间(单位:毫秒)。

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadState state = new ThreadState();
        //声明并实例化一个ThreadState对象

        Thread thread = new Thread(state);
        //利用这个名为state的ThreadState对象来创建Thread对象

        System.out.println("Create new thread: " + thread.getState());
        //使用getState()方法来获得线程的状态,并进行输出

        thread.start();
        //使用thread对象的start()方法来启动新的线程

        System.out.println("Start the thread: " + thread.getState());
        //输出线程的状态

        Thread.sleep(100);
        //通过调用sleep()方法使当前这个线程休眠100毫秒,从而使新的线程运行waitForAMoment()方法

        System.out.println("Waiting for a moment (time): " + thread.getState());
        //输出线程的状态

        Thread.sleep(1000);
        //使当前这个线程休眠1000毫秒,从而使新的线程运行waitForever()方法

        System.out.println("Waiting for a moment: " + thread.getState());
        //输出线程的状态

        state.notifyNow();
        // 调用state的notifyNow()方法

        System.out.println("Wake up the thread: " + thread.getState());
        //输出线程的状态

        Thread.sleep(1000);
        //使当前线程休眠1000毫秒,使新线程结束

        System.out.println("Terminate the thread: " + thread.getState());
        //输出线程的状态
    }
}

检查一下代码,编译并运行

$ javac ThreadState.java ThreadTest.java
$ java ThreadTest
Create new thread: NEW
Start the thread: RUNNABLE
Waiting for a moment (time): TIMED_WAITING
Waiting for a moment: WAITING
Wake up the thread: BLOCKED
Terminate the thread: TERMINATED

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 是由数组支持的有界阻塞队列。位于 java.util.concurrent 包下。
首先看看其构造方法:

构造方法 描述
public ArrayBlockingQueue(int capacity) 构造大小为 capacity 的队列
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) 指定队列大小,以及内部实现是公平锁还是非公平锁
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection c) 指定队列大小,以及锁实现,并且在初始化是加入集合 c

入队常用方法:

入队方法 队列已满 队列未满
add 抛出异常 返回 true
offer 返回 false 返回 true
put 阻塞直到插入 没有返回值

出队常用方法:

出队方法 队列为空 队列不为空
remove 抛出异常 移出并返回队首
poll 返回 null 移出并返回队首
take 阻塞直到返回 移出并返回队首

生产者消费者模式

生产者消费者模式是多线程编程中非常重要的设计模式,生产者负责生产数据,消费者负责消费数据。生产者消费者模式中间通常还有一个缓冲区,用于存放生产者生产的数据,而消费者则从缓冲区中获取,这样可以降低生产者和消费者之间的耦合度。

举个例子来说吧,比如有厂家,代理商,顾客,厂家就是生产者,顾客就是消费者,代理商就是缓冲区,顾客从代理商这里买东西,代理商负责从厂家处拿货,并且销售给顾客,顾客不用直接和厂家打交道,并且通过代理商,就可以直接获取商品,或者从代理商处知道货物不足,需要等待。

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

public class PCModel {
    //阻塞队列
    private static LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

    public static void main(String[] args) {
        //生产者
        Thread provider = new Thread(() -> {
            Random random = new Random();
            for (int j = 0; j < 5; j++) {
                try {
                    int i = random.nextInt();
                    //注释直到插入数据
                    queue.put(i);
                    System.out.println("生产数据:" + i);
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        //消费者
        Thread consumer = new Thread(() -> {
            Integer data;
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                try {
                    //阻塞直到取出数据
                    data = queue.take();
                    System.out.println("消费数据:" + data);
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        //启动线程
        provider.start();
        consumer.start();
    }
}

线程池

线程池(英语:thread pool):一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销,进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程,等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用,还能防止过分调度。

由于 Java 创建和销毁线程都会带来资源上的销毁,所以线程池可以帮助我们复用线程,减少资源消耗。

Java 线程池可以通过 Executors 工具类创建,Executors 常用方法:

  • newFixedThreadPool(int nThreads): 创建一个固定大小为 n 的线程池
  • newSingleThreadExecutor(): 创建只有一个线程的线程池
  • newCachedThreadPool():创建一个根据需要创建新线程的线程池
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolDemo {
    //使用Executors 创建一个固定大小为5的线程池
    private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);

    public static void main(String[] args) {
//        提交任务
        executorService.submit(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        });
        //停止线程池 并不会立即关闭 ,而是在线程池中的任务执行完毕后才关闭
        executorService.shutdown();
    }
}

编译运行:

$ javac ThreadPoolDemo.java
$ java ThreadPoolDemo
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

除了使用 Executors 工具类帮助我们创建之外,也可以直接创建线程池。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ThreadPoolDemo2 {
    private static ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(
            5, //核心线程数为5
            10,//最大线程数为10
            0L, TimeUnit.MILLISECONDS,//非核心线程存活时间
            new LinkedBlockingQueue<>());//任务队列

    public static void main(String[] args) {
        //提交任务
        executorService.submit(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        });
        //关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

编译运行:

$ javac ThreadPoolDemo2.java
$ java ThreadPoolDemo2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

总结

本节主要内容是对 Java 多线程进行讲解,主要包含以下知识点:

  • 多线程的实现
  • 线程变量
  • 线程同步
  • Lock 与 Unlock
  • 死锁
  • 线程生命周期
  • ArrayBlockingQueue
  • 生产者消费者模式
  • 线程池

你可能感兴趣的:(Java学习)