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。
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：
- 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。
- 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
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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
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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：
- 对普通方式使用，将会锁住当前实例对象。
- 对静态方法使用，将会锁住当前类的 Class 对象。
- 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