Java多线程
多线程
1.1、基本概念(程序进程、线程)
程序 program
是为完成特定任务、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
程序的一次执行过程，或者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。——生命周期
-
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
-
方法区和堆一个进程有一份
-
每个进程有自己独立的一块内存空间
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，就是支持多线程的
-
线程作为cpu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 方法区和堆一个进程有一份，多个线程共享方法区和堆,线程自己基本不拥有系统资源，但有必不可少的栈和pc
-
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，可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。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。
cpu的分配可以是轮询的、也可以是抢占式的(百度网盘下载东西)
进程是独有的，线程是公有的
单核CPU和多核CPU的理解
单核CPU
单核CPU，其实是一种假的多线程，因为在一个时间单元内，也只能执行一个线程的任务。例如:虽然有多车道，但是收费站只有一个工作人员在收费，只有收了费才能通过，那么CPU就好比收费人员。如果有某个人不想交钱，那么收费人员可以把他“挂起”(晾着他，等他想通了，准备好了钱，再去收费）。但是因为CPU时间单元特别短，因此感觉不出来。
多核CPU
-
如果是多核的话，才能更好的发挥多线程的效率。(现在的服务器都是多核的)
-
一个Java应用程序java.exe，其实至少有三个线程: main()主线程，gc()垃圾回收线程，异常处理线程。当然如果发生异常，会影响主线程。
并行和并发
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。
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。
多线程的优点
单核CPU只用单个线程先后完成多个任务比多个线程同时执行来完成用的时间短，但为什么还需使用多线程？
-
提高应用程序的响应。对图形化界而更有意义，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。将既长又复杂的进程分为多个线程，独立运行，利于理解和修改
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、文件读写澡作、网络操作、搜索等。
-
需要一些后台运行的程序时。
线程的创建和启动
Java语言的JVM允许程序运行多个线程，它通过java.lang.Thread.类来体现。
Thread类的特性
-
每个线程都是通过某个特定Thread对象的run()方法来完成操作的，经常把run()方法的主体称为线程体
-
通过该Thread对象的start()方法来启动这个线程，而非直接调用run()
1.2、线程的创建和使用
多线程的创建
方式一：继承于Thread类
-
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()中
-
创建Thread类的子类的对象
-
通过此对象调用start()
-
启动当前线程
-
调用当前线程的run()
-
public class ThreadTest {
public static void main(String[] args) {
//3.创建Thread类的子类的对象
MyThread t1 = new MyThread();
//4.通过此对象调用start()
t1.start();
//问题一:我们不能通过直接调用run ()的方式启动线程。否则就是一个线程
//t1.run();
//问题2：在启动一个线程，遍历100以内的偶数
//t1.start(); 不可以还让己经start()的线程去执行。 IllegalThreadStateException 非法线程状态异常
//我们需要重新创建一个线程的对象
MyThread t2 = new MyThread();
t2.start();
//如下操作仍然在main线程中执行
for (int i = 0; i <100 ; i++) {
if(i % 2 ==0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + i"*********main************");
}
}
}
}
//例子：遍历100以内所有的偶数
//1.创建一个继承于Thread类的子类
class MyThread extends Thread{
//2.重写Thread类的run（）
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i <100 ; i++) {
if(i % 2 ==0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +i);
}
}
}
}说明：
-
要想运行多个线程，必须new多个对象，不然会报IllegalThreadStateException 非法线程状态异常
-
要想运行线程，必须使用start()方法，不能使用run()方法，否则为一个线程
方式二：实现Runnable接口
-
创建一个实现了Runnable接口的类
-
实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
-
在run()中写自己做的事
-
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()
//方式二
public class ThreadTest1 {
public static void main(String[] args) {
//3.创建实现类的对象
MThread mThread = new MThread();
//4.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
Thread t1 = new Thread(mThread);
t1.setName("线程一");
//5.通过Thread类的对象调用start() 启动线程 调用当前线程的run()--->调用了Runnable类型的target,而此时target为mThread
t1.start();
//在启动一个线程，遍历100以内的偶数
Thread t2 = new Thread(mThread);
t2.setName("线程二");
t2.start();
}
}
//1.创建一个实现了Runnable接口的类
class MThread implements Runnable{
//2.实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if(i % 2 ==0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
}
}比较两种线程
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性的局限性
-
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：
-
public class Thread implements Runnable {}
-
两种方式都需要重写run()方法，将线程要执行的逻辑声明在run()中。
线程常用方法
-
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) 设置该线程的名称
-
static Thread currentThread(): 静态方法 返回当前代码执行的线程。在Thread子类中就是this，通常用于主线程和Runnable实现类
-
yield():释放当前cpu的执行权 线程让步
-
join(): 结束当前线程，进行另一个线程，直到执行完成后，才执行当前线程(打饭，校长来，校长先打，然后你在打)
-
在线程a中调用线程b的join(),此时线程a就进入阻塞状态，直到线程b完全执行完以后，线程a才结束阻塞状态。
-
-
stop() 强制线程生命期结束，不推荐使用 已过时
-
sleep(long millitime) :让当前线程睡眠”指定的millitime毫秒,在指定的millitime毫秒时间内，当前线程是阻塞状态。
-
boolean isAlive() : 返回boolean，判断线程是否还活着
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
线程的优先级等级
-
MAX_PRIORITY:10 最大
-
MAX_PRIORITY:1 小的
-
NORM_PRIORITY:5 平常默认
如何获取和设置当前线程的优先级
-
getPriority():返回线程优先值
-
setPriority(int newPriority) 设置线程的优先级
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
-
高优先级的线程要抢占低优先级线程cpu的执行权。但是只是从概率上讲，高优先级的线程高概率的情况下被执行。并不意味着只有当高优先级的线程执行完以后，低优先级的线程才执行。
1.3、线程的生命周期
JDK中用Thread.State类定义了线程的几种状态
要想实现多线程，必须在主线程中创建新的线程对象。Java语言使用Thread类及其子类的对象来表示线程，在它的一个完整的生命周期中通常要经历如下的五种状态:
-
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线程被提前强制性地中止或出现异常导致结束
1.4、线程的同步(安全问题)*
问题引出
-
多个线程执行的不确定性引起执行结果的不稳定
-
多个线程对账本的共享，会造成操作的不完整性，会破坏数据。
问题：卖票过程中，出现了重票、错票-->出现了线程的安全问题
出现原因：当某个线程操作车票的过程中，尚未操作完成时，其他线程参与进来，也操作车票,
如何解决：
当一个线程a在操作ticket的时候，其他线程不能参与进来。直到线程a操作完ticket时线程才可以开始操作ticket.
即是线程A出现了阻塞，也不能被改变
在Java中，我们通过同步机制，来解决线程的安全问题
方式一同步代码块
synchronized(同步监视器){
//需要被同步的代码
}
说明：
-
操作共享数据的代码，即为需要被同步的代码 不能包含代码多了，也不能包含多了
-
共享数据 ：多个线程共同操作的变量。比如: ticket就是共享数据。
-
同步监视器：俗称锁。任何一个类的对象，都可以充当锁
-
多个线程必须要共用同一把锁
在实现Runnable接口创建多线程的方式中，我们可以考虑使用this充当同步监视器。
-
同步的方式，解决了线程的安全问题 ---好处
操作同步代码的时，只能有一个线程参与，其他线程等待。相当于是一个单线程的过程，效率低。----局限性
使用同步代码块解决实现Runnable的方式的线程安全问题
Object obj = new Object(); //保证锁的唯一性
@Override
public void run() {
while (true){
synchronized (this){//此时的this：唯一的window1对象 //方式二：synchronized(obj){
if(ticket > 0){
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为:" + ticket);
ticket--;
}else {
break;
}
}使用同步代码块解决继承Thread类的方式的线程安全问题
在继承Thread类创建多线程的方式中，慎用this充当同步监视器，考虑使用当前类充当同步监视器。
public void run() {
while (true){
//正确
// synchronized (obj){
synchronized (Window.class){
//错误，this代表t1 t2 t3三个对象
// synchronized (this){
if(ticket > 0){
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(getName() + ":卖票，票号为:" + ticket);
ticket--;
}else {
break;
}
}方式二：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同步的。
使用同步方法解决实现Runnable的方式的线程安全问题
private synchronized void show(){ //同步监视器：this
//synchronized (this){
if(ticket > 0){
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为:" + ticket);
ticket--;
}使用同步方法解决继承Thread类的方式的线程安全问题
private static synchronized void show(){ //同步监视器: window4.class
// private synchronized void show(){ //同步监视器: t1,t2,t3。此种解决方式是错误的
if(ticket > 0){
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为:" + ticket);
ticket--;
}
}总结：
-
同步方法仍然涉及到同步监视器，只是不需要我们显式的声明。
-
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
懒汉式线程安全问题
/**
* 使用同步机制将单例模式中的懒汉式改写为线程安全的
*
* @author shkstart
* @create 2019-02-15 下午 2:50
*/
public class BankTest {
}
class Bank{
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;
}
}方式三：Lock锁----JDK5.0新增
-
实例化ReentrantLock
-
调用锁定方法lock()
-
调用解锁方法：unlock()
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* 解决线程安全问题的方式三：Lock锁 --- JDK5.0新增
*
* 1. 面试题：synchronized 与 Lock的异同？
* 相同：二者都可以解决线程安全问题
* 不同：synchronized机制在执行完相应的同步代码以后，自动的释放同步监视器
* Lock需要手动的启动同步（lock()），同时结束同步也需要手动的实现（unlock()）
*
* 2.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）
*
*
* 面试题：如何解决线程安全问题？有几种方式
*/
class Window implements Runnable{
private int ticket = 100;
//1.实例化ReentrantLock
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
while(true){
try{
//2.调用锁定方法lock()
lock.lock();
if(ticket > 0){
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：售票，票号为：" + ticket);
ticket--;
}else{
break;
}
}finally {
//3.调用解锁方法：unlock()
lock.unlock();
}
}
}
}
public class LockTest {
public static void main(String[] args) {
Window w = new Window();
Thread t1 = new Thread(w);
Thread t2 = new Thread(w);
Thread t3 = new Thread(w);
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
线程死锁问题
-
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，就形成了线程的死锁
-
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：
-
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
/**
* 演示线程的死锁问题
*
* 1.死锁的理解：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，就形成了线程的死锁
*
* 2.说明：
* 1）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
* 2）我们使用同步时，要避免出现死锁。
*/
public class ThreadTest {
public static void main(String[] args) {
StringBuffer s1 = new StringBuffer();
StringBuffer s2 = new StringBuffer();
new Thread(){
@Override
public void run() {
synchronized (s1) {
s1.append("a");
s2.append("1");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (s2) {
s1.append("b");
s2.append("2");
System.out.println(s1);
System.out.println(s2);
}
}
}
}.start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (s2){
s1.append("c");
s2.append("3");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (s1){
s1.append("d");
s2.append("4");
System.out.println(s1);
System.out.println(s2);
}
}
}
}).start();
}
}1.5、线程的通信
涉及到的方法
-
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
-
notifyAll() ： 一旦执行此方法，就会唤醒所有被wait的线程
注意：
-
wait()、notify()、notifyAll()三个方法必须使用在同步代码块或者同步方法中
-
wait()、notify()、notifyAll()三个方法调用者，必须是同步代码块或同步方法中的监视器。否则会出现IllegaLMonitorstateException异常
-
wait()、notify()、notifyAll()三个方法定义在Object方法中
//使用两个线程打印1-100。线程1,线程2交替打印
public class CommunicationTest {
public static void main(String[] args) {
Number num = new Number();
Thread t1 = new Thread(num);
Thread t2 = new Thread(num);
t1.setName("线程一");
t2.setName("线程二");
t1.start();
t2.start();
}
}
class Number implements Runnable{
private int number = 1; //共享数据
@Override
public void run() {
while (true){
synchronized (this){
notify();
if(number <= 100){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + number);
number++;
//使得调用如下wait（）方法的进程进入阻塞状态
try {
wait(); //会释放锁
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}else {
break;
}
}
}
}
}经典问题：
线程通信的应用：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，店员会叫生产者停一下，如果店中有空位放产品了再通知生产者继续生产;如果店中没有产品了，店员会告诉消费者等一下，如果店中有产品了再通知消费者来取走产品。
分析：
1.是否是多线程问题?是，生产者线程，消费者线程
2.是否有共享数据?是，店员（或产品)
3.如何解决线程的安全问题?同步机制,有三种方法
4.是否涉及线程的通信?是
public class ProductTest {
public static void main(String[] args) {
Clerk clerk = new Clerk();
Producer p1 = new Producer(clerk);
Consumer c1 = new Consumer(clerk);
p1.setName("生产者一");
c1.setName("消费者一");
p1.start();
c1.start();
}
}
class Clerk{
private int produceProduct = 0;
//生产产品
public synchronized void produceProduct() {
if(produceProduct < 20){
produceProduct++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":生产者一开始生产的第" + produceProduct + "个产品");
notify();
}else {
try {
wait(); //等待
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
}
//消费产品
public synchronized void consumeProduct() {
if(produceProduct > 0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":开始消费第" + produceProduct + "个产品");
produceProduct--;
notify();
}else {
//等待
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
}
}
class Producer extends Thread{
private Clerk clerk;
public Producer(Clerk clerk) {
this.clerk = clerk;
}
@Override
public void run() {
System.out.println(getName() + ":开始生产产品.....");
while (true){
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
clerk.produceProduct();
}
}
}
class Consumer extends Thread{
private Clerk clerk;
public Consumer(Clerk clerk) {
this.clerk = clerk;
}
@Override
public void run() {
System.out.println(getName() + ":开始消费产品.....");
while (true){
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
clerk.consumeProduct();
}
}
}1.6、JDK5.0新增线程创建方式
方式三：实现Callable接口
如何理解实现Callable接口的方式创建多线程比实现Runnable接口创建多线程方式强大?
-
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 被外面的操作捕获，获取异常的信息
-
支持泛型的返回值
-
需要借助FutureTask类，比如获取返回结果
-
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
将此callable接口实现类的对象作为传递到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，并调用start()
获取callable中calL方法的返回值
//方式三
public class ThreadNew {
public static void main(String[] args) {
//3.创建Callable接口实现类的对象
NumThread n1 = new NumThread();
//将此callable接口实现类的对象作为传递到FutureTask构造器中，创建FutureTask的对象
FutureTask futureTask = new FutureTask(n1);
//将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，并调用start()
new Thread(futureTask).start();
try {
//6.获取callable中calL方法的返回值
//get()返回值即为FutureTask构造器参数Callable实现类重写的call()的返回值
Object sum = futureTask.get();
System.out.println("总和为:" + sum);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
} catch (ExecutionException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
}
//1.创建一个实现Callable的实现类
class NumThread implements Callable {
//2.实现caLL方法，将此线程需要执行的操作声明在caLL()中
@Override
public Object call() throws Exception {
int sum = 0;
for (int i = 1; i <= 100; i++) {
if (i % 2 == 0) {
System.out.println(i);
sum += i;
}
}
return sum;
}
}方式四：使用线程池(常用)
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。类似生活中的公共交通工具。
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
-
//方式四:线程池
class NumberThread implements Runnable{
@Override
public void run() {
for (int i = 1; i <= 100; i++) {
if(i%2 ==0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
}
}
class NumberThread1 implements Runnable{
@Override
public void run() {
for (int i = 1; i <= 100; i++) {
if(i%2 !=0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
}
}
}
}
public class ThreadPool {
public static void main(String[] args) {
//1.提供指定线程数量的线程池
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10); //线程池 有10
//设置属性
ThreadPoolExecutor service1 = (ThreadPoolExecutor) service;
//service1.setCorePoolSize(15);
//service1.setKeepAliveTime(10);
//2.执行指定的线程的操作。需要提供实现Runnable接口或Callable接口实现类的对象
service.execute(new NumberThread()); //适合使用于Runnable
service.execute(new NumberThread1());
//service.submit(Callable callable); //适合使用于Callable
service.shutdown();//关闭线程池
}
}