Java多线程

线程、进程、多线程

• 进程：进程是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
• 线程：通常在一个进程中可以包含若干个线程，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
• 多线程：真正的多线程是有多个CUP，同时执行，如果在只有一个CPU的情况下，同一时间只能执行一个代码，因为切换速度很快，造成了同时执行的假象

1. 线程就是独立的执行路径
2. 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
3. main()称为主线程，为系统入口，用于执行整个程序
4. 在一个线程中，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，先后顺序是不可人为干预的
5. 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
6. 线程会带来额外的开销，如CPU调度时间(排队时间)，并发控制开销
7. 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

线程的实现

方式一：继承Thread类

// 继承Thread类，重写run()方法，在run()方法体内编写业务代码
public class Test extends Thread{

    @Override
    public void run() {
        for (int i=0; i<100; i++) {
            System.out.println("我在吃饭-------------------");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Test test = new Test();
        // 调用start()开启线程
        test.start();
        // 由执行结果可以知道，多个线程是交替执行的，具体执行先后顺序是靠调度器调度的，无法人为干预
        for (int i=0; i<1000 ;i++) {
            System.out.println("我在睡觉");
        }

    }
}

方式二：继承Runnable接口实现(常用)

public class Test implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        for (int i=0; i<100; i++) {
            System.out.println("我在吃饭-------------------");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Test test = new Test();

        new Thread(test).start();

        for (int i=0; i<1000 ;i++) {
            System.out.println("我在睡觉");
        }

    }
}

方式三：继承Callable接口实现

// 继承Callable接口，重写call()方法，方法体里面编写业务代码
public class Test implements Callable<Boolean> {

    @Override
    public Boolean call() throws Exception {
        for (int i=0; i<100; i++) {
            System.out.println("我在吃饭-------------------");
        }
        return true;
    }


    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        Test test = new Test();

        // 创建服务
        ExecutorService ser = Executors.newFixedThreadPool(1);
        
        // 提交执行(开启线程)
        Future<Boolean> result = ser.submit(test);

        // 用get获取返回值，但是get()会阻塞线程
        //System.out.println(result.get());

        // 关闭服务
        ser.shutdownNow();

        for (int i=0; i<1000 ;i++) {
            System.out.println("我在睡觉");
        }
    }
}

初识并发问题

并发问题：多个线程操作同时操作共享数据所导致的

Demo：抢票

public class Test implements Runnable{
    private int tecikNums = 10;

    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            if (tecikNums != 0) {
                try {
                    tecikNums--;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "==>" + "拿到了第" + tecikNums + "张票");
                    // 线程休眠，模拟延时
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }else {
                break;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Test test = new Test();

        new Thread(test,"黄牛").start();
        new Thread(test,"小明").start();
        new Thread(test,"小红").start();
    }

}

Demo：龟兔赛跑

public class Test implements Runnable{
    private static String winner;

    @Override
    public void run() {

        for (int i=0; i<=100; i++) {
            if (gameOver(i)) {
                break;
            }

            // 通过线程名选择对应操作
            if (Thread.currentThread().getName().equals("乌龟")) {
                // 乌龟每一步都比兔子慢10毫秒
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("乌龟走了第" + i + "步");
            }else if (Thread.currentThread().getName().equals("兔子")) {
                // 兔子走到第50步的时候，模拟兔子睡觉
                if (i==50) {
                    try {
                        Thread.sleep(1700);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("兔子走了第" + i + "步");
            }
        }
    }

    // 开启乌龟和兔子两个线程
    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();

        new Thread(test,"乌龟").start();
        new Thread(test,"兔子").start();
    }

    // 判断比赛是否继续
    public boolean gameOver(int step) {
        if (winner != null) {
            return true;
        }else if (step == 100) {
            winner = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println("胜利者：" + winner);
            return true;
        }
        return false;
    }
}

线程方法

• 获取当前线程名字

Thread.currentThread().getName()

• 线程休眠

// 每个对象都有一个锁，sleep不会释放锁
// 休眠1秒
Thread.Sleep(1000);

• 线程礼让

// 线程礼让是让当前进程暂停，转为就绪状态，让CUP重新调度，所以礼让不一定成功，主要看CPU怎么调度
Thread.yield();

• 线程强制执行

// 调用join方法会让主线程处于阻塞状态，先将线程内的内容执行完毕，再次开始执行主线程
Demo demo = new Demo();
Thread thread = new Thread(demo);
thread.join();

• 线程优先级：优先级低只是意味着获得调度的概率低，并不是优先级低就不会被调用了，还是得看调度器的调度

// 线程的优先级用数字表示，范围1~10
Thread.MIN_PRIORITY = 1;
Thread.MAX_PRIORITY = 10;
Thread.NORM_PRIORITY = 5;
// 获取线程优先级
Demo demo = new Demo();
Thread thread = new Thread(demo);
thread.getPriority();
// 设置线程优先级
thread.setPriority(xxx);

// 线程优先级的实现原理，类似于买彩票，买一张中奖概率小，那就买100张，其实这里设置优先级就是增加提供给调度器的线程数量，数量越大，就越容易被调度

Lamda表达式

函数式接口：只包含一个方法的接口就是函数式接口，也叫功能性接口

Lamda简化了匿名内部类，方法引用简化了lamda

基本语法：接口 对象 = (参数表) -> {代码实现};

// 定义一个函数式接口
interface Demo {
    void test(int i);
}

// Lamda表达式用法
public class Lamda {
    public static void main(String[] args) {
        // 基本写法
        Demo demo01 = (int i) -> {
            System.out.println("Hello World" + i);
        };
        demo01.test(10);

        // 简化一：参数类型可省略
        Demo demo02 = (i) -> {
            System.out.println("Hello World" + i);
        };
        demo02.test(10);

        // 简化二：括号可省略
        Demo demo03 = i -> {
            System.out.println("Hello World" + i);
        };
        demo03.test(10);

        // 简化三：如果只有一行业务代码，那么花括号可省略
        Demo demo04 = i -> System.out.println("Hello World" + i);
        demo04.test(10);
    }
}

Lamda表达式在多线程中的运用

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 用Lamda表达式+匿名类的方式实现了Runnable接口
        new Thread(() -> {
            for (int i=0; i<100; i++) {
                System.out.println("我在吃饭-------------------");
            };
        }).start();

        // 由执行结果可以知道，多个线程是交替执行的，具体是靠CUP调度，无法人为干预
        for (int i=0; i<1000 ;i++) {
            System.out.println("我在睡觉");
        }
    }
}

线程状态

线程中断后，进入死亡状态，就不可再次启动了

public class Test implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        for (int i=0; i<5; i++) {
            try {
                Thread.sleep(1000); //TIMED_WAITING
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("线程终止了");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Test test = new Test();
        Thread thread = new Thread(test);

        Thread.State state = thread.getState();
        System.out.println(state); //NEW

        thread.start();
        state = thread.getState();
        System.out.println(state); //RUNNABLE

        // 只要线程不终止，就一直打印线程状态
        while (Thread.State.TERMINATED != state) {
            Thread.sleep(200);
            state = thread.getState();
            System.out.println(state);
        }
    }
}

线程停止

JDK提供了stop()和destroy()方法来停止线程，但是这两个方法都已经废除，不推荐使用

最好的做法是，自己创建一个标志位来控制线程的停止,达到某一条件，就自动停止

public class Test extends Thread{
    private static boolean flag = false;


    @Override
    public void run() {
        for (int i=0; i<100; i++) {
            if (flag) {
                break;
            }
            System.out.println("我在吃饭-------------------");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Test test = new Test();
        // 调用start()开启线程
        test.start();
        // 由执行结果可以知道，多个线程是交替执行的，具体是靠CUP调度，无法人为干预
        for (int i=0; i<1000 ;i++) {
            if (i==50) {
                flag = true;
                System.out.println("线程停止了");
            }
            System.out.println("我在睡觉");
        }

    }
}

线程休眠

• sleep时间制定当前线程阻塞的毫秒数
• sleep存在异常InterruptedException
• 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

try {
    Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}

线程礼让

• 线程礼让，让当前正在执行的线程暂停，但不阻塞
• 将线程从运行状态重新转为就绪状态，等待调度器调度
• 礼让不一定成功，主要还是看调度器的调度

public class Test 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");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();

        new Thread(test,"A").start();
        new Thread(test,"B").start();
    }
}

线程强制执行

join合并线程，待此线程执行完成后，再执行其他线程，其他线程会阻塞

public class Test implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
       for (int i=0; i<=500; i++) {
           System.out.println("插队线程正在执行" + i);
       }

    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Test test = new Test();
        Thread thread = new Thread(test);
        thread.start();

        for (int i=0; i<=100; i++) {
            if (i == 50) {
                // 主线程执行到50的时候，插队线程开始执行，因为阻塞，一直要到插队线程执行完毕，主线程才会接着执行
                thread.join();
            }
            System.out.println("主线程在执行" + i);
        }
    }
}

线程优先级

Java提供一个线程调度器来监控处于就绪状态的所有线程，线程调度器按照优先级觉得线程执行顺序的先后，优先级低也不代表一定后执行，主要还是调度器控制

// 最小优先级
public final static int MIN_PRIORITY = 1;
// 默认优先级
public final static int NORM_PRIORITY = 5;
// 最大优先级
public final static int MAX_PRIORITY = 10;

获取、设置优先级，最好在线程开启之前进行设置

Test test = new Test();
Thread thread = new Thread(test);
// 获取
thread.getPriority();

// 设置
thread.setPriority(4);

// 线程开启
thread.start();

守护线程

• 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

Test test = new Test();
Thread thread = new Thread(test);

thread.setDaemon(true); //默认为false，表示用户线程，一般创建的都为用户线程，true为守护线程

线程同步

• 形成条件：队列+锁
• 线程同步是一种等待机制，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，前面的线程使用完毕，下一个线程再使用
• 由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间，为了避免访问冲突，加入了锁机制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，使用后再释放锁

使用锁存在一些问题：

1. 一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起
2. 在多线程竞争下，加锁、释放锁会导致较多的上下文切换和调度延时，引起性能问题
3. 一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程时，会导致优先级倒置，引起性能问题

线程锁

• 线程同步是依靠锁实现的，锁又分为同步方法和同步代码块两种

• 对于普通同步方法，锁的是当前实例对象。 如果有多个实例 那么锁的对象必然不同，就无法实现同步。

• 对于静态同步方法，锁的是当前类的Class对象。有多个实例 但是锁对象是相同的 可以实现同步。

• 对于同步代码块，锁的是Synchonized括号里的对象。对象最好是线程操作的公共资源

// 同步方法：多个线程时，为保证一个方法被一个线程执行时不被影响，需要锁住此方法，一般对于增删改操作才上锁，默认锁住的是当前方法的所在类的实例对象
private synchronized void buy(){

}

// 同步块：写在方法中，多个对象使用同一共享资源时，为了不被影响，需要锁住此资源
synchronized(Obj){

}

Lock与Synchonized功能相似，显式定义了锁，配合异常使用，一般在finally里面关闭

public class Lock implements Runnable{
    private int ticks = 10;

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                lock.lock();
                if (ticks>0) {
                    Thread.sleep(100);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到了第" + ticks + "张票");
                    ticks--;
                }else {
                    break;
                }
            } catch (Exception e) {

            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Lock lock = new Lock();
        
        new Thread(lock,"线程一").start();
        new Thread(lock,"线程二").start();
        new Thread(lock,"线程三").start();
    }
}

Lock与Synchonized的区别：

• Lock是显式锁(手动开启与关闭)，Synchonized是隐式锁，出作用域自动关闭
• Lock只有代码块锁，Synchonized有代码块锁和方法锁
• Lock性能好
• 使用顺序：Lock > 同步代码块 > 同步方法

死锁

简单死锁现象

public class Test extends Thread{
    // 玩具刀和玩具枪都只有一份
    static Knife knife = new Knife();
    static Gun gun = new Gun();

    @Override
    public void run() {

        if (Thread.currentThread().getName().equals("小明")) {
            synchronized (knife) {
                // 小明在获得玩具枪的同时，还想去获取玩具刀，但是玩具刀在小黄那里，无法获取，于是小明就等待，小黄也在等待小明使用完玩具枪这个资源，两个线程互相等待，就形成了死锁现象
                System.out.println("小明得到了玩具枪");
                synchronized (gun) {
                    System.out.println("小明得到了玩具刀");
                }
            }
        }else {
            synchronized (gun) {
                System.out.println("小黄得到了玩具刀");
                synchronized (knife) {
                    System.out.println("小明得到了玩具刀");
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();

        Thread thread1 = new Thread(test,"小明");
        Thread thread2 = new Thread(test,"小黄");

        thread1.start();
        thread2.start();

    }
}

// 刀
class Knife  {

}

// 枪
class Gun {

}

解决：在抱有资源的情况下，尽量不要去抢夺资源

public class Test extends Thread{
    // 玩具刀和玩具枪都只有一份
    static Knife knife = new Knife();
    static Gun gun = new Gun();

    @Override
    public void run() {

        if (Thread.currentThread().getName().equals("小明")) {
            // 这一次，小黄和小明都在资源使用完成后再访问别的资源，所以避免了死锁
            synchronized (knife) {
                System.out.println("小明得到了玩具枪");
            }
            synchronized (gun) {
                System.out.println("小明得到了玩具刀");
            }
        }else {
            synchronized (gun) {
                System.out.println("小黄得到了玩具刀");
            }
            synchronized (knife) {
                System.out.println("小明得到了玩具刀");
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();

        Thread thread1 = new Thread(test,"小明");
        Thread thread2 = new Thread(test,"小黄");

        thread1.start();
        thread2.start();

    }
}

// 刀
class Knife  {

}

// 枪
class Gun {

}

线程通信——生成者与消费者关系问题

管程法

利用一个缓冲区来解决问题

public class Test {
    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 {
    // 获取容器
    SynContainer container;

    // 构造方法传入容器
    public Productor(SynContainer container) {
        this.container = container;
    }

    // 生产者的线程操作
    @Override
    public void run() {
        try {
            for (int i=0; i<20; i++) {
                System.out.println("生产了第" + (i+1) + "只鸡");
                container.push(new Chicken(i+1));
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

// 消费者
class  Consumer extends Thread {
    SynContainer container;

    public Consumer(SynContainer container) {
        this.container = container;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            for (int i=0; i<20; i++) {
                System.out.println("消费了第" + container.pop().getId() + "只鸡");
            }
        }catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

// 产品
class Chicken {
    // 产品编号
    private int id;

    public Chicken(int id) {
        this.id = id;
    }

    public int getId() {
        return id;
    }

    public void setId(int id) {
        this.id = id;
    }
}

// 缓冲区
class SynContainer {
    // 容器大小
    static Chicken[] chickens = new Chicken[10];
    // 计数器
    int count = 0;

    // 生产者放入商品
    public synchronized void push(Chicken chicken) throws InterruptedException {
        if (count == chickens.length) {
            // 容器满了，生产者停止生产，等待消费者消费
            this.wait();
        }

        // 容器没满，放入产品到容器
        chickens[count] = chicken;
        count++;

        //可以通知消费者消费
        this.notify();
    }

    public synchronized Chicken pop() throws InterruptedException {
        // 判断是否能消费
        if (count == 0) {
            // 容器为空，停止消费，等待生产者生产
            this.wait();
        }

        // 容器不为空，从容器拿出产品
        count--;
        Chicken chicken = chickens[count];

        //可以通知消费者消费
        this.notify();

        return chicken;
    }
}

信号灯法

利用一个标识符来解决问题

public class Test02 {
    public static void main(String[] args) {
        Process process = new Process();
        new Productor(process).start();
        new Consumer(process).start();
    }
}

// 生产者
class Productor extends Thread {
    Process process;

    // 构造方法传入容器
    public Productor(Process process) {
        this.process = process;
    }

    // 生产者的线程操作
    @Override
    public void run() {
        for (int i=0; i<20; i++) {
            try {
                this.process.push(new Chicken(i+1));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

// 消费者
class  Consumer extends Thread {
    Process process;

    // 构造方法传入容器
    public Consumer(Process process) {
        this.process = process;
    }

    // 消费者的线程操作
    @Override
    public void run() {
        for (int i=0; i<20; i++) {
            try {
                process.pop();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

// 产品
class Chicken {
    // 产品编号
    private int id;

    public Chicken() {
    }

    public Chicken(int id) {
        this.id = id;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "鸡，id为" + id;
    }
}

// 过程
class Process {
    Chicken chicken;

    // 标识符  true时消费者等待  false时生产者等待
    private boolean flag = true;

    // 生产过程
    public synchronized void push(Chicken chicken) throws InterruptedException {
        if (!flag) {
            this.wait();
        }

        System.out.println("生产了" + chicken);
        this.notifyAll();
        this.chicken = chicken;
        this.flag = !this.flag;
    }

    // 消费过程
    public  synchronized void pop() throws InterruptedException {
        if (flag) {
            this.wait();
        }

        System.out.println("消费了" + chicken);
        this.notifyAll();
        this.flag = !this.flag;

    }
}

线程池

// 1.创建服务，创建线程池，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());

// 3.关闭连接
service.shutdown();