Java多线程
Java多线程
Java.Thread
线程简介
多任务
- 边吃饭边看手机
- 边开车边打电话
- 边上厕所边玩手机
现实中有很多这样同时做多件事情的例子，看起来是多个任务都在做，其实本质上我们的大脑在同一时间依旧只做了一件事情。
多线程
原来是一条路，慢慢因为车太多了，道路堵塞，效率极低。
为了提高使用的效率，能够充分利用道路，于是加了多个车道。
比如跟朋友打游戏，从两个人共同用一个号，变成两个人有两个号，一人一个。
普通方法和调用和多线程调用
程序、进程、线程
在操作系统中运行的程序就是进程，比如QQ、微信、播放器、游戏、IDE等……
一个进程可以有多个线程，如视频中同时听声音、看图像和看弹幕等……
Process与Thread
Process：进程；Thread：线程；
说起进程，就不得不说下程序。程序是指令和数据的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是一个静态的概念。
而进程则是执行程序的一次执行过程，它是一个动态的概念。进程是系统资源分配的单位。
通常在一个进程中可以包含若干个线程，当然一个进程中至少有一个线程，不然没有存在的意义。线程是CPU调度和执行的单位。
注意：很多多线程是模拟出来的，**真正的多线程是指有多个CPU，即多核，如服务器。**如果是模拟出来的多线程，即在一个CPU的情况下，在同一个时间点，CPU只能执行一个代码，因为切换的很快，所以就有同时执行的错觉。CPU某一时间只能执行一个线程。
程序是我们JVM中的代码，进程是进入内存中的程序，线程是进程中的任务。
核心概念
- 线程就是独立的执行路径；
- 在程序运行时，即使没有自己创建线程，后台也会有多个线程，如主线程，gc线程；
- main() 称之为主线程，为系统的入口，用于执行整个程序；
- 在一个进程中，如果开辟了多个线程，线程的运行由调度器安排调度，调度器是与操作系统紧密相关的，先后顺序是不能人为干预的。
- 对同一份资源操作时，会存在资源抢夺的问题，需要加入并发控制；
- 线程会带来额外的开销，如CPU调度时间，并发控制开销。
- 每个线程在自己的工作内存交互，内存控制不当会造成数据不一致。
线程创建
Thread、Runnable、Callable
三种创建方式
Runnable接口很重要，其实Thread类也是实现Runnable接口。
方式一：Thread类
-
自定义线程类继承Thread类
-
重写 run() 方法，编写线程执行体
-
创建线程对象，调用 start() 方法启动线程
package createthread;
/**
* 创建线程方式一：
* 1.继承Thread类
* 2.重写run()方法
* 3.调用start()开启线程
*/
public class TestThread01 extends Thread {
@Override
public void run() {
// run 方法线程体
for (int i = 0; i < 20; i++) {
System.out.println("我在看代码---" + i);
}
}
public static void main(String[] args) {
// main线程；主线程
// 创建一个线程对象
TestThread01 testThread01 = new TestThread01();
// 调用start()方法开启线程 结果是交替的
testThread01.start();
for (int i = 0; i < 20; i++) {
System.out.println("我在学习多线程--" + i);
}
}
}
运行结果：
我在看代码---0
我在学习多线程--0
我在看代码---1
我在学习多线程--1
我在看代码---2
我在学习多线程--2
我在看代码---3
我在学习多线程--3
我在看代码---4
我在学习多线程--4
我在看代码---5
我在学习多线程--5
线程被创建后不一定立即执行，而是由CPU安排调度。
面试题：调用start方法是开启一个线程，然后线程会调用run方法，如果直接调用run方法，那和定义了一个对象，然后调用了对象中的一个方法没有区别，根本没有创建新的线程。
案例：下载图片
前置条件为导入了 commons-io 包 ：
package createthread;
import org.apache.commons.io.FileUtils;
import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.net.URL;
/**
* 练习Thread，实现多线程同步下载图片
*/
public class TestThread02 extends Thread {
private String url; // 网络图片地址
private String name; // 保存的文件名
public TestThread02(String url, String name) {
this.url = url;
this.name = name;
}
// 下载图片的执行体
@Override
public void run() {
WebDownloader webDownloader = new WebDownloader();
webDownloader.downloader(url, name);
System.out.println("下载了文件名为：" + name);
}
public static void main(String[] args) {
TestThread02 t1 = new TestThread02("https://luck1y7.oss-cn-nanjing.aliyuncs.com/%E5%9B%BE%E5%BA%8A/202306061349267.png", "test1.png");
TestThread02 t2 = new TestThread02("https://luck1y7.oss-cn-nanjing.aliyuncs.com/%E5%9B%BE%E5%BA%8A/202306061349267.png", "test2.png");
TestThread02 t3 = new TestThread02("https://luck1y7.oss-cn-nanjing.aliyuncs.com/%E5%9B%BE%E5%BA%8A/202306061349267.png", "test3.png");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
// 下载器
class WebDownloader{
// 下载方法
public void downloader(String url, String name) {
try {
FileUtils.copyURLToFile(new URL(url),new File(name));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
System.out.println("IO异常，downloader方法出现问题");
}
}
}
不一定按照顺序下载！
方式二：实现Runnable接口
- 定义MyRunnable类实现Runnable接口
- 实现 run() 方法，编写线程执行体
- 创建线程对象，调用 start() 方法启动线程
推荐使用Runnable对象，因为Java单继承的局限性
package createthread;
/**
* 创建线程方式二：
* 1.实现Runnable接口
* 2.重写run()方法
* 3.执行线程需要丢入Runnable接口实现类
* 4.调用start()开启线程
*/
public class TestThread03 implements Runnable {
@Override
public void run() {
// run 方法线程体
for (int i = 0; i < 20; i++) {
System.out.println("我在看代码---" + i);
}
}
public static void main(String[] args) {
// 创建Runnable接口的实现类对象
TestThread03 testThread03 = new TestThread03();
// 创建线程对象，通过线程对象来开启我们的线程，代理
// Thread thread = new Thread(testThread03);
// thread.start();
new Thread(testThread03).start();
for (int i = 0; i < 20; i++) {
System.out.println("我在学习多线程--" + i);
}
}
}
小结
-
继承Thread类
- 子类继承Thread类具备多线程能力
- 启动线程：子类对象.start()
- 不建议使用：避免OOP单继承局限性
-
实现Runnable接口
-
实现Runnable接口具有多线程能力
-
启动线程：传入目标对象+Thread对象.start
-
推荐使用：避免单继承局限性，灵活方便，方便同一个对象被多个线程使用
-
案例：抢票（初识并发问题）
package createthread;
/**
* 多个线程同时操作同一个对象，买火车票
* 发现问题：多个线程操作同一个资源的情况下，线程不完全，数据紊乱
*/
public class TestThread04 implements Runnable {
// 票数
private int ticketNums = 10;
@Override
public void run() {
while(ticketNums != 0) {
if (ticketNums <= 0) {
break;
}
try {
Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->拿到了第" + ticketNums-- + "票");
}
}
public static void main(String[] args) {
TestThread04 ticket = new TestThread04();
new Thread(ticket, "小明").start();
new Thread(ticket, "小红").start();
new Thread(ticket, "黄牛").start();
}
}
运行结果：
小红-->拿到了第10票
黄牛-->拿到了第9票
小明-->拿到了第9票
黄牛-->拿到了第8票
小红-->拿到了第7票
小明-->拿到了第6票
黄牛-->拿到了第5票
小红-->拿到了第4票
小明-->拿到了第3票
小红-->拿到了第2票
黄牛-->拿到了第1票
小明-->拿到了第0票
可以看到，小明和黄牛拿到了同一张票，这是不合理的。
多个线程操作同一个资源的情况下，线程不安全，数据紊乱，在后边的学习中会有解决方案。
案例：龟兔赛跑
思路：
- 首先来个赛道距离，然后要离终点越来越近
- 判断比赛是否结束
- 打印出胜利者
- 龟兔赛跑开始
- 故事中是乌龟赢的，兔子需要睡觉，所以我们来模拟兔子睡觉
- 终于，乌龟赢的比赛
package createthread;
/**
* 模拟龟兔赛跑
*/
public class Race implements Runnable {
// 胜利者
private static String winner;
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i <= 100; i++) {
// 模拟兔子休息
if (Thread.currentThread().getName().equals("兔子") && i % 10 == 0) {
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
// 判断比赛是否结束
boolean flag = gameOver(i);
// 如果比赛结束了，就停止程序
if (flag) {
break;
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->跑了" + i + "步");
}
}
// 判断是否完成比赛
private boolean gameOver(int steps) {
// 判断是否有胜利者
if (winner != null) {
// 存在胜利者
return true;
} else if (steps >= 100) {
winner = Thread.currentThread().getName();
System.out.println("winner is " + winner);
return true;
}
return false;
}
public static void main(String[] args) {
Race race = new Race();
new Thread(race, "兔子").start();
new Thread(race, "乌龟").start();
}
}
比赛结果：
程序里我们只让兔子睡一毫秒，乌龟就赢了。说明什么？纵使你天赋很好，但是学习的路上也不能懈怠！
方式三：实现Callable接口（了解）
- 实现Callable接口，需要返回值类型
- 重写call方法，需要抛出异常
- 创建目标对象
- 创建执行服务：ExecutorService ser = Executors.newFixedThreadPool(1);
- 提交执行：Future
result1 = ser.submit(t1); - 获取结果：boolean r1 = result1.get()
- 关闭服务：ser.shutdownNow();
package callable;
import org.apache.commons.io.FileUtils;
import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.net.URL;
import java.util.concurrent.*;
/**
* 线程创建方式三：实现Callable接口
*/
public class TestCallable implements Callable<Boolean> {
private String url; // 网络图片地址
private String name; // 保存的文件名
public TestCallable(String url,String name){
this.url = url;
this.name = name;
}
// 下载图片的执行体
@Override
public Boolean call() {
WebDownloader webDownloader = new WebDownloader();
webDownloader.downloader(url, name);
System.out.println("下载了文件名为：" + name);
return true;
}
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
TestCallable t1 = new TestCallable("https://luck1y7.oss-cn-nanjing.aliyuncs.com/%E5%9B%BE%E5%BA%8A/202306061349267.png", "test1.png");
TestCallable t2 = new TestCallable("https://luck1y7.oss-cn-nanjing.aliyuncs.com/%E5%9B%BE%E5%BA%8A/202306061349267.png", "test2.png");
TestCallable t3 = new TestCallable("https://luck1y7.oss-cn-nanjing.aliyuncs.com/%E5%9B%BE%E5%BA%8A/202306061349267.png", "test3.png");
// 创建执行服务：线程池
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 提交执行
Future<Boolean> r1 = service.submit(t1);
Future<Boolean> r2 = service.submit(t2);
Future<Boolean> r3 = service.submit(t3);
// 获取结果
boolean rs1 = r1.get();
boolean rs2 = r2.get();
boolean rs3 = r3.get();
System.out.println(rs1);
System.out.println(rs2);
System.out.println(rs3);
// 关闭服务
service.shutdownNow();
}
}
// 下载器
class WebDownloader {
// 下载方法
public void downloader(String url, String name) {
try {
FileUtils.copyURLToFile(new URL(url), new File(name));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
System.out.println("IO异常，downloader方法出现问题");
}
}
}
运行结果：
下载了文件名为：test2.png
下载了文件名为：test3.png
下载了文件名为：test1.png
true
true
true
Callable的好处：
- 可以定义返回值
- 可以抛出异常
静态代理
package createthread;
/**
* 静态代理模式：
* 1.真实对象和代理对象都要实现同一个接口
* 2.代理对象要代理真实角色
*/
public class StaticProxy {
public static void main(String[] args) {
// 你要结婚
You you = new You();
// Thread 也实现了 Runnable 接口 此处为Lambda表达式
new Thread(() -> System.out.println("我爱你")).start();
// 静态代理
new WeddingCompany(new You()).HappyMarry();
}
}
/**
* 结婚接口
*/
interface Marry{
// 人间四大喜事：久旱逢甘露，他乡遇故知，洞房花烛夜，金榜题名时。
void HappyMarry();
}
/**
* 真实角色，你去结婚
*/
class You implements Marry{
@Override
public void HappyMarry() {
System.out.println("她要结婚了，超开心");
}
}
/**
* 代理角色，帮助你结婚
*/
class WeddingCompany implements Marry{
// 代理 ---> 真实对象
private Marry target;
public WeddingCompany(Marry target) {
this.target = target;
}
@Override
public void HappyMarry() {
before();
// 真实对象
this.target.HappyMarry();
after();
}
private void after() {
System.out.println("结婚之后，收尾款");
}
private void before() {
System.out.println("结婚之前，布置现场");
}
}
好处：
- 代理对象可以做很多真实对象做不了的事情（在代理类里写很多真实对象共有的方法）
- 真实对象专注做自己的事情（真实类里只需要写自己独有的方法）
Lambda表达式
-
λ希腊字母表中排序第十一位的字母，英语名称为Lambda
-
避免匿名内部类定义过多
-
其实质属于函数式编程的概念
new Thread (()->System.out.println(“多线程学习”)).start;
为什么要用？
- 避免匿名内部类定义过多
- 可以让你的代码看起来很简洁
- 去掉了一堆没有意义的代码，只留下核心的逻辑
-
理解Functional Interface(函数式接口)是学习Java8 lambda表达式的关键所在
-
函数式接口的定义：
-
任何接口，如果只包含唯一一个抽象方法，那么它就是一个函数式接口。
public interface Runnable{ public abstract void run(); } -
对于函数式接口，我们可以通过Lambda表达式来创建该接口的对象。
-
推导过程
package Lambda;
/**
* 推导Lambda表达式
*/
public class TestLambda {
// 3.静态内部类
static class Like2 implements ILike{
@Override
public void lambda() {
System.out.println("I like lambda2, 静态内部类");
}
}
public static void main(String[] args) {
// 声明 like 接口为实现 ILike 接口的变量
ILike like = new Like();
like.lambda();
like = new Like2();
like.lambda();
// 4.局部内部类
class Like3 implements ILike{
@Override
public void lambda() {
System.out.println("I like lambda3, 局部内部类");
}
}
like = new Like3();
like.lambda();
// 5.匿名内部类，没有类的名称，必须借助接口或者父类
like = new ILike() {
@Override
public void lambda() {
System.out.println("I like lambda4, 匿名内部类");
}
};
like.lambda();
// 6.用 Lambda 简化，因为里面只有一个方法，所以可以不写方法名，直接把方法名后面的参数跟语句拿过来，然后在参数的括号后面指向方法体就可以了
like = () ->{
System.out.println("I like lambda5, Lambda");
};
like.lambda();
}
}
// 1.定义一个函数式接口
interface ILike{
void lambda();
}
// 2.实现类
class Like implements ILike{
@Override
public void lambda() {
System.out.println("I like lambda, 接口实现类");
}
}
运行结果：
I like lambda, 接口实现类
I like lambda2, 静态内部类
I like lambda3, 局部内部类
I like lambda4, 匿名内部类
I like lambda5, Lambda
进一步演示
package Lambda;
public class TestLambda01 {
public static void main(String[] args) {
// 使用 Lambda 表达式
ILove love = (int a) -> {
System.out.println("I love you--->" + a);
};
// 简化1，去掉了参数类型
love = a -> {
System.out.println("I love you, too--->" + a);
};
// 简化2，简化括号
love = a -> {
System.out.println("I love you, too--->" + a);
};
// 简化3，去掉花括号
love = a -> System.out.println("I love you!--->" + a);
love.love(521);
}
}
interface ILove {
void love(int a);
}
总结
-
必须是函数式接口，即只包含唯一一个抽象方法的接口**（只有一个方法）**
-
格式为：
ILove love = (int a) -> { System.out.println("我爱你！" + a); }; love.love(520); -
Lambda表达式还可以更简化：
ILove love = a -> System.out.println("I love you!" + a); love.love(521);可以去掉参数类型，去掉参数括号，去掉花括号。多个参数也可以去掉参数类型，但是要去掉就都去掉。
注意，当有两个参数或者无参数的时候，不能去掉参数小括号；当代码超过两行的时候，不能去掉花括号。
线程状态
五大状态
线程方法
- setPriority(int newPriority) //（优先级）更改线程的优先级
- set void sleep(long millis) //（休眠） 在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠
- void join() //（插队） 等待该线程终止
- static void yield() //（礼让）暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程
- void interrupt() // 中断线程，别用这个方式
- boolean isAlive() //（是否存活） 测试线程是否处于活动状态
线程停止
- 不推荐使用JDK提供的stop()、destroy()方法。【已废弃】
- 推荐线程自己停下来（最安全）
- 建议使用一个标志位进行终止变量，当flag = false,则终止线程运行。
快捷键：Ctrl + Y 删除单行
package state;
/**
* 测试stop
* 1.建议线程正常停止--->利用次数，不建议死循环
* 2.建议使用标志位--->设置一个标志位
* 3.不要使用stop或者destroy等过时或者JDK不建议使用的方法
*/
public class TestStop implements Runnable {
// 1.设置一个标志位
private boolean flag = true;
@Override
public void run() {
int i = 0;
while (flag) {
System.out.println("run......Thread" + i++);
}
}
// 2.设置一个公开的方法停止线程，转换标志位
public void stop() {
this.flag = false;
}
public static void main(String[] args) {
TestStop testStop = new TestStop();
new Thread(testStop).start();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
System.out.println("main" + i);
if (i == 900) {
// 调用stop方法（我们自己写的）切换标志位，让线程停止
testStop.stop();
System.out.println("线程该停止了");
}
}
}
}
线程休眠
- sleep(时间)指定当前线程阻塞的毫秒数；
- sleep存在异常InterruptedException(try……catch抛出异常)；
- sleep时间达到后线程进入就绪状态；
- sleep可以模拟网络延时，倒计时等；
- 每一个对象都有一个锁，sleep不会释放锁；
模拟网络延迟：放大问题的发生性
package state;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
/**
* 模拟倒计时
*/
public class TestSleep02 {
public static void main(String[] args) {
// 打印当前系统时间
/* 获取系统当前时间 */
Date startTime = new Date(System.currentTimeMillis());
while (true) {
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println(new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(startTime));
// 更新系统当前时间
startTime = new Date(System.currentTimeMillis());
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
}
// 模拟倒计时
public static void tenDown() throws InterruptedException {
int num = 10;
while (true) {
Thread.sleep(1000);
System.out.println(num--);
if (num <= 0) {
break;
}
}
}
}
线程礼让
- 礼让线程，让当前正在执行的线程暂停，但不阻塞
- 将线程从运行状态转为就绪状态
- 让CPU重新调度，礼让不一定成功！看CPU心情
package state;
/**
* 测试礼让线程，礼让不一定成功，看CPU心情
*/
public class TestYield {
public static void main(String[] args) {
MyYield myYield = new MyYield();
new Thread(myYield, "a").start();
new Thread(myYield, "b").start();
}
}
class MyYield implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程开始执行");
// 线程礼让
Thread.yield();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程停止执行");
}
}
线程强制执行（Join）
- Join合并线程，待此线程执行完成后，再执行其他线程，其他线程阻塞
- 可以想象成插队
package state;
/**
* 测试Join方法，想象为插队
*/
public class TestJoin implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
System.out.println("线程vip来咯" + i);
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 启动我们的线程
TestJoin testJoin = new TestJoin();
Thread thread = new Thread(testJoin);
thread.start();
// 主线程
for (int i = 0; i < 500; i++) {
if (i == 200) {
// 插队
thread.join();
}
System.out.println("main" + i);
}
}
}
200之前，两个线程同时并发执行，200以后，等插队线程执行完之后再执行主线程。
会造成线程堵塞。
线程观察状态
面试：在Runnable中有两种状态：Ready和Running，Ready就是准备好了等待CPU调度，Running就是真的在运行，已经由CPU调度。
package state;
/**
* 观察测试线程的状态
*/
public class TestState {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
System.out.println("......");
});
// 观察状态
Thread.State state = thread.getState();
// New
System.out.println(state);
// 观察启动后
thread.start();
state = thread.getState();
// Run
System.out.println(state);
// 只要线程不终止，就一直输出状态
while (state != Thread.State.TERMINATED) {
Thread.sleep(100);
state = thread.getState();
// 输出状态
System.out.println(state);
}
// 报错，死亡之后的线程不能再次启动，线程死亡不能复生
// thread.start();
}
}
线程优先级
priority
- Java提供一个线程调度器来监控程序中启动后进入就绪状态的所有线程，线程调度器按照优先级决定应该调度哪个线程来执行。
- 线程的优先级用数字表示，范围从1~10
- Thread.Min_PRIORITY = 1;
- Thread.MAX_PRIORITY = 10;
- Thread.NORM_PRIORITY = 5;
- 使用以下方式改变或获取优先级
- getPriority().setPriority(int xxx)
注意：先设置优先级，再启动，优先级的设定建议在start()调度前
package state;
/**
* 测试线程的优先级
*/
public class TestPriority {
public static void main(String[] args) {
// 主线程默认优先级
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + Thread.currentThread().getPriority());
MyPriority myPriority = new MyPriority();
Thread t1 = new Thread(myPriority);
Thread t2 = new Thread(myPriority);
Thread t3 = new Thread(myPriority);
Thread t4 = new Thread(myPriority);
Thread t5 = new Thread(myPriority);
Thread t6 = new Thread(myPriority);
// 设置优先级，再启动
t1.start();
t2.setPriority(1);
t2.start();
t3.setPriority(4);
t3.start();
// MAX_PRIORITY = 10
t4.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
t4.start();
// 超出范围，报错，范围在 1-10 之间
// t5.setPriority(-1);
// t5.start();
//
// t6.setPriority(11);
// t6.start();
}
}
class MyPriority implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + Thread.currentThread().getPriority());
}
}
优先级低只是意味着获得调度的概率低，并不是优先级低的就不会被调用了，这都是看CPU如何调度，优先级的设置有用，但不一定完全按照设置的优先级执行。
守护线程
daemon：守护
- 线程分为用户线程和守护线程
- 用户线程：main
- 守护线程：gc
- 虚拟机必须保护用户线程执行完毕
- 虚拟机不用等待守护线程执行完毕
- 如：后台记录操作日志、监控内存、垃圾回收等待…
thread.setDaemon(true); //默认是false，表示是用户线程,正常的线程都是用户线程
package state;
/**
* 测试守护线程：上帝守护你
*/
public class TestDaemon {
public static void main(String[] args) {
God god = new God();
You you = new You();
Thread thread = new Thread(god);
// 默认是 false， 表示是用户线程，正常的线程都是用户线程
thread.setDaemon(true);
// 上帝，守护线程启动
thread.start();
// 你，用户线程启动
new Thread(you).start();
}
}
// 上帝
class God implements Runnable {
@Override
public void run() {
while (true) {
System.out.println("上帝保佑着你！ God bless you!");
}
}
}
// 你
class You implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 36500; i++) {
System.out.println("你一生都开心的活着");
}
System.out.println("======goodbye! world!======");
}
}
线程同步
多个线程操作同一资源
并发
线程同步
synchronized：线程同步
线程同步一定会损失性能。安全和性能不可兼得！
现实生活中，我们会遇到“同一个资源，多个人都想使用”的问题，比如，食堂排队打饭，每个人都想吃饭，最天然的解决方法就是排队，一个个来。
因此，处理多线程问题时，多个线程访问同一个对象，并且某些线程还想修改这个对象。这时候我们就需要线程同步。
线程同步其实就是一种等待机制，多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列，等待前面线程使用完毕，下一个线程再使用。
队列和锁
线程同步形成条件：队列+锁，能够解决线程的安全性。
锁：大家都在排队上厕所，如果厕所没有锁的话，厕所里面就不安全了，加了锁之后，轮到你了，你进去，别人就进不来了。
每个对象都有一把锁。
- 由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间，在带来方便的同时，也带来了访问冲突问题，为了保证数据在方法中被访问时的正确性，在访问时加入锁机制（synchronized),当一个线程获得对象的排它锁，独占资源，其他线程必须等待，使用后释放锁即可，存在以下问题：
- 一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起；
- 在多线程竞争下，加锁，释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时，引起性能问题；
- 如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁，会导致优先级倒置（性能倒置），引起性能问题；
三大不安全案例
不安全买票
package syn;
/**
* 不安全的买票
*/
public class UnsafeBuyTicket {
public static void main(String[] args) {
BuyTicket station = new BuyTicket();
new Thread(station, "小明").start();
new Thread(station, "小红").start();
new Thread(station, "黄牛").start();
}
}
class BuyTicket implements Runnable {
// 票
private int ticketNums = 10;
// 外部停止方式
boolean flag = true;
@Override
public void run() {
// 买票
while(flag) {
try {
buy();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
}
// 买票方法
private void buy() throws InterruptedException {
// 判断是否有票
if (ticketNums <= 0) {
flag = false;
return;
}
// 模拟延时
Thread.sleep(100);
// 买票
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到最后" + ticketNums-- + "张票");
}
}
不安全取钱
package syn;
/**
* 不安全的取钱
*/
public class UnsafeBank {
public static void main(String[] args) {
// 账户
Account account = new Account(100, "旅游基金");
Drawing you = new Drawing(account, 50, "你");
Drawing girlFriend = new Drawing(account, 100, "女朋友");
you.start();
girlFriend.start();
}
}
// 账户
class Account {
// 余额
int money;
// 卡名
String name;
public Account(int money, String name) {
this.money = money;
this.name = name;
}
}
// 银行：模拟取款
class Drawing extends Thread {
// 账户
Account account;
// 取了多少钱
int drawingMoney;
// 现在手里有多少钱
int nowMoney;
public Drawing(Account account, int drawingMoney, String name) {
super(name);
this.account = account;
this.drawingMoney = drawingMoney;
}
// 取钱
@Override
public void run() {
if (account.money - drawingMoney < 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "钱不够，取不了");
return;
}
// 模拟延时: sleep放大问题的发生性
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
// 卡内余额 = 余额 - 你取的钱
account.money = account.money - drawingMoney;
// 你手里的钱
nowMoney = nowMoney + drawingMoney;
System.out.println(account.name + "余额为：" + account.money);
// Thread.currentThread().getName() <==> this.getName()
System.out.println(this.getName() + "手里的钱：" + nowMoney);
}
}
不安全集合
package syn;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* 线程不安全的集合
*/
public class UnsafeList {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList<String>();
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
new Thread(() -> {
list.add(Thread.currentThread().getName());
}).start();
}
// 给主线程设置延时，确保输出长度的时候子线程执行完毕
try {
Thread.sleep(10000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(list.size());
}
}
同步方法
-
由于我们可以通过private关键字来保证数据对象只能被方法访问，所以我们只需要针对方法提出一套机制，这套机制就是synchronized关键字，它包括两种用法：
synchronized方法和synchronized块。
-
同步方法：public synchronized void method(int args){}
-
synchronized方法控制"对象"的访问，每个对象对应一把锁，每个synchronized方法都必须获得调用该方法的对象和锁才能执行，否则线程会阻塞，方法一旦执行，就独占该锁，直到该方法返回才释放锁，后面被阻塞的线程才能获得这个锁，继续执行。
-
缺陷：若将一个大的方法声明为synchronized将会影响效率
-
方法里面需要修改的内容才需要锁，锁的太多，会浪费资源。
同步块
- 同步块：synchronized(Obj){}
- Obj称之为同步监视器
- Obj可以是任何对象，但是推荐使用共享资源作为同步监视器
- 同步方法中无需指定同步监视器，因为同步方法的同步监视器就是this，就是这个对象本身，或者是class（反射中会有讲解）
- 同步监视器的执行过程
- 第一个线程访问，锁定同步监视器，执行其中代码
- 第二个线程访问，发现同步监视器被锁定，无法访问
- 第一个线程访问完毕，解锁同步监视器
- 第二个线程访问，发现同步监视器没有锁，然后锁定并访问
案例修改
-
买票（使用同步方法）
package syn; /** * 不安全的买票 */ public class UnsafeBuyTicket { public static void main(String[] args) { BuyTicket station = new BuyTicket(); new Thread(station, "小明").start(); new Thread(station, "小红").start(); new Thread(station, "黄牛").start(); } } class BuyTicket implements Runnable { // 票 private int ticketNums = 10; // 外部停止方式 boolean flag = true; @Override public void run() { // 买票 while(flag) { try { buy(); } catch (InterruptedException e) { throw new RuntimeException(e); } } } // 买票方法 synchronized 同步方法，锁的是 this，对象本身 private synchronized void buy() throws InterruptedException { // 判断是否有票 if (ticketNums <= 0) { flag = false; return; } // 模拟延时 Thread.sleep(100); // 买票 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到最后" + ticketNums-- + "张票"); } } -
银行（使用同步块）
锁的部分为变化的部分：增删改
package syn; /** * 不安全的取钱 */ public class UnsafeBank { public static void main(String[] args) { // 账户 Account account = new Account(1000, "旅游基金"); Drawing you = new Drawing(account, 50, "你"); Drawing girlFriend = new Drawing(account, 100, "女朋友"); you.start(); girlFriend.start(); } } // 账户 class Account { // 余额 int money; // 卡名 String name; public Account(int money, String name) { this.money = money; this.name = name; } } // 银行：模拟取款 class Drawing extends Thread { // 账户 Account account; // 取了多少钱 int drawingMoney; // 现在手里有多少钱 int nowMoney; public Drawing(Account account, int drawingMoney, String name) { super(name); this.account = account; this.drawingMoney = drawingMoney; } // 取钱 // synchronized 默认锁的是this 即对象本身 @Override public void run() { // 锁的对象就是变化的量：需要增、删、改的对象 synchronized (account){ if (account.money - drawingMoney < 0) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "钱不够，取不了"); return; } // 模拟延时: sleep放大问题的发生性 try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { throw new RuntimeException(e); } // 卡内余额 = 余额 - 你取的钱 account.money = account.money - drawingMoney; // 你手里的钱 nowMoney = nowMoney + drawingMoney; System.out.println(account.name + "余额为：" + account.money); // Thread.currentThread().getName() <==> this.getName() System.out.println(this.getName() + "手里的钱：" + nowMoney); } } } -
集合
package syn; import java.util.ArrayList; import java.util.List; /** * 线程不安全的集合 */ public class UnsafeList { public static void main(String[] args) { List<String> list = new ArrayList<String>(); for (int i = 0; i < 10000; i++) { new Thread(() -> { synchronized (list){ list.add(Thread.currentThread().getName()); } }).start(); } // 给主线程设置延时，确保输出长度的时候子线程执行完毕 try { Thread.sleep(10000); } catch (InterruptedException e) { throw new RuntimeException(e); } System.out.println(list.size()); } }
同步方法和同步块建议
- 对于普通同步方法，锁是当前实例对象。 如果有多个实例，那么锁对象必然不同无法实现同步。
- 对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象。有多个实例，但是锁对象是相同的，可以完成同步。
- 对于同步方法块，锁是Synchonized括号里配置的对象。对象最好是只有一个的，如当前类的 class 是只有一个的，锁对象相同，也能实现同步。
补充：JUC安全类型的集合 CopyOnWriteArrayList
该集合本身就是线程安全的
package syn;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
/**
* 测试JUC安全类型的集合
*/
public class TestJUC {
public static void main(String[] args) {
CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
new Thread(() -> {list.add(Thread.currentThread().getName());
}).start();
}
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(list.size());
}
}
死锁
-
多个线程各自占有一些共享资源，并且互相等待其他线程占有的资源才能运行，而导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源，都停止执行的情形。某一个同步块同时拥有**“两个以上对象的锁”**时，就可能会发生“死锁"的问题。
-
产生死锁的四个必要条件：
- 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
- 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
- 不剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺。
- 循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
只要想办法破其中的任意一个或多个条件就可以避免死锁发生。
package deadlock;
/**
* 死锁：多个线程互相抱着对方需要的资源，然后形成僵持
*/
public class DeadLock {
public static void main(String[] args) {
Makeup girl1 = new Makeup(0, "灰姑娘");
Makeup girl2 = new Makeup(1, "白雪公主");
girl1.start();
girl2.start();
}
}
// 口红
class Lipstick {
}
// 镜子
class Mirror {
}
class Makeup extends Thread {
// 需要的资源只有一份，用 static 保证只有一份
static Lipstick lipstick = new Lipstick();
static Mirror mirror = new Mirror();
// 选择
int choice;
// 使用化妆品的人
String girlName;
Makeup(int choice, String girlName){
this.choice = choice;
this.girlName = girlName;
}
@Override
public void run() {
// 化妆
try {
makeup();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
// 化妆，互相持有对方的锁，就是需要拿到对方的资源
private void makeup() throws InterruptedException {
if (choice == 0) {
// 获得口红的锁
synchronized (lipstick) {
System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
Thread.sleep(1000);
// 一秒钟后想获得镜子
synchronized (mirror) {
System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
}
}
} else {
// 获得镜子的锁
synchronized (mirror) {
System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
Thread.sleep(2000);
// 一秒钟后想获得口红
synchronized (lipstick) {
System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
}
}
}
}
}
运行结果：形成死锁，程序卡死
解决方法：将同步块调整位置
package deadlock;
/**
* 死锁：多个线程互相抱着对方需要的资源，然后形成僵持
*/
public class DeadLock {
public static void main(String[] args) {
Makeup girl1 = new Makeup(0, "灰姑娘");
Makeup girl2 = new Makeup(1, "白雪公主");
girl1.start();
girl2.start();
}
}
// 口红
class Lipstick {
}
// 镜子
class Mirror {
}
class Makeup extends Thread {
// 需要的资源只有一份，用 static 保证只有一份
static Lipstick lipstick = new Lipstick();
static Mirror mirror = new Mirror();
// 选择
int choice;
// 使用化妆品的人
String girlName;
Makeup(int choice, String girlName){
this.choice = choice;
this.girlName = girlName;
}
@Override
public void run() {
// 化妆
try {
makeup();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
// 化妆，互相持有对方的锁，就是需要拿到对方的资源
private void makeup() throws InterruptedException {
if (choice == 0) {
// 获得口红的锁
synchronized (lipstick) {
System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
Thread.sleep(1000);
}
// 一秒钟后想获得镜子
synchronized (mirror) {
System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
}
} else {
// 获得镜子的锁
synchronized (mirror) {
System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
Thread.sleep(2000);
}
// 一秒钟后想获得口红
synchronized (lipstick) {
System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
}
}
}
}
运行结果：
L0ck（锁）
从JDK 5.0 开始，Java提供了更强大的同步机制——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，每次只能一个有一个线程对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（可重入锁）实现类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（实现类），可以显示加锁、释放锁。
格式：
package advanced;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* 测试Lock锁
*/
public class TestLock {
public static void main(String[] args) {
TestLock2 testLock2 = new TestLock2();
new Thread(testLock2).start();
new Thread(testLock2).start();
new Thread(testLock2).start();
}
}
class TestLock2 implements Runnable {
int ticketNums = 10;
// 定义lock锁
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
while (true) {
try{
// 加锁
lock.lock();
if (ticketNums > 0) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(ticketNums--);
} else {
break;
}
} finally {
// 解锁
lock.unlock();
}
}
}
}
synchronized和Lock的对比：
- Lock是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁）；synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放。
- Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁。
- 使用Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有更好的拓展性（提供更多的子类）
- 优先使用顺序：
- Lock > 同步代码块（已经进入了方法体，分配了相应资源） > 同步方法（在方法体之外）
补充：
- try——catch
- try——finally
- try——catch——finally
- 但catch和finally语句不能同时省略。
线程协作
生产者消费者问题（并不是开发模式）
线程通信
应用场景：生产者和消费者问题
- 假设仓库中只能存放一件产品，生产者将生产出来的产品放入仓库，消费者将仓库中产品取走消费。
- 如果仓库中没有产品，则生产者将产品放入仓库，否则停止生产并等待，直到仓库中的产品被消费者取走为之。
- 如果仓库中放有产品，则消费者可以将产品取走消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止。
线程通信分析
这是一个线程同步问题，生产者和消费者共享同一个资源，并且生产者和消费者之间相互依赖，互为条件。
- 对于生产者，没有生产产品之前，要通知消费者等待。而生产了产品之后，又需要马上通知消费者消费。
- 对于消费者，在消费之后，要通知生产者已经结束消费，需要生产新的产品以供消费。
- 在生产者消费者问题中，仅有synchronized是不够的
- synchronized可阻止并发更新同一个共享资源，实现了同步
- synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递（通信）
解决方法
- Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题。
注意：均是Object类的方法，都只能在同步方法或者同步代码块中使用，否则会抛出异常：IIIegalMonitorStateException
解决方式1
并发协作模式“生产者/消费者模式” —> 管乘法
- 生产者：负责生产数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）；
- 消费者：负责数据处理的模块（可能是方法，对象，线程，进程）；
- 缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个“缓冲区”，生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据
生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据。
package advanced;
/**
* 测试：生产者消费者模型--->利用缓冲区解决：管乘法
* 四个对象：生产者、消费者、产品、缓冲区
*/
public class TestPC {
public static void main(String[] args) {
SynContainer container = new SynContainer();
new Productor(container).start();
new Consumer(container).start();
}
}
// 生产者
class Productor extends Thread {
SynContainer container;
public Productor(SynContainer container) {
this.container = container;
}
// 生产
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
container.push(new Chicken(i));
System.out.println("生产了第" + i + "只鸡");
}
}
}
// 消费者
class Consumer extends Thread {
SynContainer container;
public Consumer(SynContainer container) {
this.container = container;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("消费了-->" + container.pop().id + "只鸡");
}
}
}
class Chicken {
// 产品编号
int id;
public Chicken(int id) {
this.id = id;
}
}
// 缓冲区
class SynContainer {
// 需要一个容器大小
Chicken[] chickens = new Chicken[10];
// 容器计数器
int count = 0;
// 生产者放入产品
public synchronized void push(Chicken chicken) {
// 如果容器满了，就需要等待消费者消费
if (count == chickens.length) {
// 通知消费者消费，生产者等待
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
// 如果没有满，我们就需要丢入产品
chickens[count] = chicken;
count++;
// 可以通知消费者消费了
this.notifyAll();
}
// 消费者消费产品
public synchronized Chicken pop() {
// 判断能否消费
if (count == 0) {
// 等待生产者生产，消费者等待
System.out.println("容器里没有鸡，生产者生产，消费者等待");
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
// 如果可以消费
count--;
Chicken chicken = chickens[count];
// 吃完了，通知生产者生产
System.out.println("吃完了，生产者生产");
this.notifyAll();
return chicken;
}
}
解决方式2
-
并发协作模型“生产者 / 消费者模式” —> 信号灯法
提供一个标志，根据标志的不同，给予不同的行为，等待或者唤醒……
package advanced;
/**
* 测试生产者消费者问题2：信号灯法，标志位解决
*/
public class TestPc2 {
public static void main(String[] args) {
TV tv = new TV();
new Player(tv).start();
new Watcher(tv).start();
}
}
// 生产者-->演员
class Player extends Thread {
TV tv;
public Player(TV tv) {
this.tv = tv;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
if (i % 2 == 0) {
this.tv.play("猎魔人第三季");
} else {
this.tv.play("抖音，记录美好生活");
}
}
}
}
// 消费者-->观众
class Watcher extends Thread {
TV tv;
public Watcher(TV tv) {
this.tv = tv;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
tv.watch();
}
}
}
// 产品-->节目
class TV {
// 演员表演，观众等待；观众观看，演员等待
/*表演的节目*/
String voice;
boolean flag = true;
// 表演
public synchronized void play(String voice) {
if(!flag) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
System.out.println("电视播放了：" + voice);
// 通知观众观看,通知唤醒
this.notifyAll();
this.voice = voice;
this.flag = !this.flag;
}
// 观看
public synchronized void watch() {
if(flag) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
System.out.println("观看了：" + voice);
// 通知演员表演
this.notifyAll();
this.flag = !this.flag;
}
}
运行结果：
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。
-
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
-
JDK 5.0 起提供了线程池相关API（接口） ： 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，一般又来执行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
package advanced;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class TestPool {
public static void main(String[] args) {
// 1.创建服务，创建线程池
// newFixedThreadPool 参数为：线程池大小
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 2.执行
service.execute(new MyThread());
service.execute(new MyThread());
service.execute(new MyThread());
service.execute(new MyThread());
// 3.关闭连接
service.shutdown();
}
}
class MyThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "i");
}
}
