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多线程学习

2022-08-09 14:51:00 【左+右】

多线程

多任务

  • 现实中很多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。

Process（进程）与Thread（线程）

  • 说起进程，就不得不说程序。程序是指令和数据的有序集合，其本身没有任何运行的意义，是一个静态的概念。
  • 而进程则是执行程序的一次执行过程，是一个动态的概念。是系统资源分配的单位。
  • 通常在一个进程中可以包含多个线程，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。

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的干预。
  • 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

三种创建方式
  1. Thread class （继承Thread类，重点）
package com.zy.demo01;

public class TestThread extends Thread {
    
    @Override//重写
    public void run(){
    
        //run方法，线程的执行体
        for (int i=0;i<5;i++) {
    
            System.out.println("--kan--");
        }
    }
	//main是主线程
    public static void main(String[] args) {
    
        //创建线程对象
        TestThread testThread = new TestThread();
        //启动线程
        testThread.start();
        
        for (int i=0;i<5;i++) {
    
            System.out.println("--xue--");
        }
    }
}

结果其实是xue和kan交替出现，但因为现在计算机速度块，就会直接把一种全部输出。线程是同时交替执行的,线程开启不一定立即执行由cpu调度。

不推荐实现，避免OOP单继承局限性。

  1. Runnable接口（实现Runnable接口，重点）
package com.zy.demo01;
//创建线程方法2：实现Runnable接口
public class TestRunnable implements Runnable{
    
    @Override
    public void run() {
    
        for (int i=0;i<5;i++) {
    
            System.out.println("--run--");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
    
        //创建Runnable接口的实现类对象
        TestRunnable testRunnable = new TestRunnable();
// //创建线程对象,通过线程对象开启线程，代理
// Thread thread = new Thread(testRunnable);
// //开启线程
// thread.start();
        //简写
        new Thread(testRunnable).start();
        for (int i=0;i<5;i++) {
    
            System.out.println("--shixian--");
        }
    }
}

结果和上面一个类似，只是另外一种实现方法。

多个线程，抢票例子。

package com.zy.demo01;

public class TestRenewable implements Runnable{
    

    private int num=10;

    @Override
    public void run() {
    

        while (true)
        {
    
            if(num<=0)
            {
    
                break;
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--》拿到了第"+ num-- +"张票。");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
    

        TestRenewable testRunnablemore = new TestRenewable();

        new Thread(testRunnablemore,"小明").start();

        new Thread(testRunnablemore,"小红").start();

        new Thread(testRunnablemore,"黄牛").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。

  1. Callable接口（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 com.zy.demo01;

import java.util.concurrent.*;

public class TestCallable implements Callable<Boolean> {
    
    private int n;

    @Override
    public Boolean call() throws Exception {
    

        for (int i=0;i<=10;i++)
        {
    
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"抢到第"+n--+"张票。");
        }
        return true;
    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    
        //创建线程
        TestCallable testCallable1 = new TestCallable();
        TestCallable testCallable2 = new TestCallable();
        TestCallable testCallable3 = new TestCallable();
		//创建执行服务
        ExecutorService ser= Executors.newFixedThreadPool(3);
		//提交执行
        Future<Boolean> result1=ser.submit(testCallable1);
        Future<Boolean> result2=ser.submit(testCallable2);
        Future<Boolean> result3=ser.submit(testCallable3);
		//获取结果
        boolean r1 = result1.get();
        boolean r2 = result1.get();
        boolean r3 = result1.get();
        //关闭服务
        ser.shutdownNow();
    }
}

静态代理

  • 真实对象和代理对象都要实现同一个接口
  • 代理对象要代理真实角色
  • 好处
    • 真实对象可以专注于自己的事
    • 代理对象可以做一些真实对象做不了的事

Lambda表达式

  • λ希腊字母表中排序第十一的字母，英文名为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
  • 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
    • 对于函数式接口，我们可以通过lambda表达式来创建该接口对象
package com.zy.demo01;

public class TestLambda {
    
    //方法2：静态内部类
    static class Like2 implements ILike{
    
        @Override
        public void lambda() {
    
            System.out.println("I Like Lambda2");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
    
        ILike like = new like();
        like.lambda();

        Like2 like2 = new Like2();
        like2.lambda();

        //方法3：局部内部类
        class Like3 implements ILike{
    
            @Override
            public void lambda() {
    
                System.out.println("I Like Lambda3");
            }
        }
        Like3 like3 = new Like3();
        like3.lambda();

        //方法4：匿名内部类
        like = new ILike(){
    
            @Override
            public void lambda() {
    
                System.out.println("I Like Lambda4");
            }
        };
        like.lambda();
        
        //方法5：用lambda简化
        like = () ->{
    
            System.out.println("I Like Lambda5");
        };
        like.lambda();
    }

}
//定义函数式接口
interface ILike{
    
    public void lambda();
}
//方法1：实现类
class like implements ILike{
    
    @Override
    public void lambda() {
    
        System.out.println("I Like Lambda1");
    }
}

输出结果：

在这里插入图片描述

代码可以更简化：

package com.zy.demo01;

public class TestLambda2 {
    

    static class love implements ILove{
    
        @Override
        public void lm(int year) {
    
            System.out.println("I love you "+ year);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
    
        ILove love;

        love = (int year) ->{
    
            System.out.println("I love you "+ year);
        };
        //简化,去类型，可以多个去，要去一起去，必须加括号
        love = (year) ->{
    
            System.out.println("I love you "+ year);
        };
        //简化
        love = year -> {
    
            System.out.println("I love you "+ year);
        };
        //简化，只有一行代码时
        love = year ->System.out.println("I love you "+ year);

        love.lm(521);
    }
}

interface ILove{
    
    void lm(int y);
}

线程状态

五大状态，创建，就绪，阻塞，运行，终止。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-cVJt0L3U-1615632576867)(C:\Users\26844\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210310202653788.png)]

  • yield()方法，是礼让线程，让当前正在执行的线程暂停，但不阻塞，将线程从运行变为就绪状态，让cpu重新调度，礼让不一定成功。看cpu。
  • 不建议使用stop等的方法，终止线程，最好让线程自己结束。同时stop()等被淘汰的方法，最好不要使用。
  • sleep(时间)是让线程进入阻塞状态，时间单位是毫秒，时间到后就进入就绪状态。
    • sleep可以模拟网络延时，倒计时等。
    • 每个对象都有一个锁，sleep不会释放锁
  • join()，合并线程，待此线程执行完成后，再执行其他线程，可以想象成插队。
  • 线程结束/终止后，不能再启动。

观察线程状态

线程状态。线程可以处于以下状态之一：

  • NEW
    尚未启动的线程处于此状态。

  • RUNNABLE
    在Java虚拟机中执行的线程处于此状态。

  • BLOCKED

    被阻塞等待监视器锁定的线程处于此状态。

  • WAITING
    正在等待另一个线程执行特定动作的线程处于此状态。

  • TIMED_WAITING

    正在等待另一个线程执行动作达到指定等待时间的线程处于此状态。

  • TERMINATED
    已退出的线程处于此状态。

package com.zy.demo01;

public class TestThreadState {
    
    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) {
    
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("//");
        });
        //观察状态
        Thread.State state = thread.getState();
        System.out.println(state);//NEW

        //观察启动后
        thread.start();
        state = thread.getState();
        System.out.println(state);

        while (state != Thread.State.TERMINATED)//没有终止
        {
    
            //更新状态
            Thread.sleep(100);
            state = thread.getState();
            System.out.println(state);
        }
    }
}

线程优先级

  • 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，线程调度器安装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)
  • 先设置，再启动
  • 设置了优先级后，只是让它的运行可能性更大，并不是一定先运行的，还是看cpu调度。
package com.zy.demo01;

public class TestPriority {
    
    public static void main(String[] args) {
    
        //输出main线程的优先级
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"优先级-->"+Thread.currentThread().getPriority());

        Priority priority = new Priority();
        Thread t1 = new Thread(priority);
        Thread t2 = new Thread(priority);
        Thread t3 = new Thread(priority);
        Thread t4 = new Thread(priority);
        Thread t5 = new Thread(priority);
        Thread t6 = new Thread(priority);

        t1.start();//默认启动

        t2.setPriority(3);//设置优先级
        t2.start();

        t3.setPriority(7);//设置
        t3.start();

        t4.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);//就是设置最大为10
        t4.start();

        t5.setPriority(-1);//小于1，报错
        t5.start();

        t6.setPriority(11);//大于10，报错
        t6.start();
    }
}

class Priority implements Runnable{
    
    @Override
    public void run() {
    
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"优先级-->"+Thread.currentThread().getPriority());
    }
}

运行结果：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-tlyVkpKM-1615632576869)(C:\Users\26844\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210311193338995.png)]

第二次运行：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-HaPE0h7Y-1615632576873)(C:\Users\26844\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210311193405019.png)]

守护（Daemon）线程

  • 线程分为用户线程和守护线程
  • 虚拟机必须确保用户线程执行完毕
  • 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
  • setDaemon(true);这个就是设置为守护进程，默认都是false，为用户进程，设置为true就是守护进程，不用等待执行完毕。

线程同步

  • 并发：同一个对象被多个线程同时操作
  • 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。
  • 在访问时加入了锁机制，synchronized，当一个线程获取得对象的排他锁，独占资源，其他线程必须等待使用后释放锁。存在问题：
    • 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，引起性能问题。
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 mrthod(int args){
    }
  • synchronized方法控制对“对象”的访问，每个对象对应一把锁，每个synchronized方法都必须获得该方法的对象的锁才能执行，否则线程会阻塞，方法一但执行，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：将一个大方法申明为synchronized将会影响效率
同步块
  • 同步块：synchronized（Obj){}
  • Obj称为同步监视器
    • 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class
    • Obj是我们{}里面会用到的对象
  • 同步监视的执行过程
    1. 第一个线程访问，锁定同步监视器，执行其中代码
    2. 第二个线程访问，发现同步监视器被锁定，无法访问
    3. 第一个线程访问完毕，解锁同步监视器
    4. 第二个线程访问，发现同步监视器没有锁，然后锁定并访问

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，都停止执行的情况。某一个同步块同时拥有“两个以上对象的锁”时，就可能发生“死锁”的问题。
  • 多个线程互相抱着对方需要的资源，然后形成僵持就是死锁。
  • 死锁发生的必要条件：
    • 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：多个进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
  • **死锁避免：**上面的四个死锁必要条件，我们只要想办法破其中的任意一个或者多个条件就可以避免死锁发生。

Lock（锁）

  • 从JDK5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制—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类实现了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，可以显式加锁、释放锁。
package com.zy.demo02;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class TestLock {
    

    public static void main(String[] args) {
    
        BuyTicket2 buyTicket2 = new BuyTicket2();

        new Thread(buyTicket2,"我").start();
        new Thread(buyTicket2,"你").start();
        new Thread(buyTicket2,"黄牛").start();
    }
}
class BuyTicket2 implements Runnable{
    

    private int num = 100;
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
    
        while (true) {
    
            try {
    
                lock.lock();
                if (num > 0) {
    
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到第" + num-- + "票。");
                } else {
    
                    break;
                }
            } finally {
    
                lock.unlock();
            }
        }

    }
}

synchroniezd与Lock的对比

  • Lock是显示锁（手动开启和关闭锁，要关闭锁），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。并且具有更好的扩展性（提供更多子类）。
  • 优先使用顺序：
    • Lock > 同步代码块（已经进入方法体，分配了相应资源）> 同步方法（在方法体之外）

线程信号

生产者消费者问题

  1. 管程法
  2. 信号灯法

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。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终止。
使用线程池
  • JDK5.0起提供线程池相关API：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，一般用来执行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 com.zy.demo03;

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

public class TestPool {
    
    public static void main(String[] args) {
    
        //创建服务，创建线程池
        //newFixedThreadPool 参数为：线程池大小
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //执行
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        //关闭
        service.shutdown();
    }
}

class MyThread implements Runnable{
    
    @Override
    public void run() {
    
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}
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