多线程

Process与Thread

• 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。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，因为切换得很快，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的干预的。
  • 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；

线程的三种创建方法

• 继承Thread 类（重点）

  • 创建方法：
    • 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
  • 小结：
    • 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（重点）

  • 创建方法：
    • 自定义线程类实现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
  • 小结：
    • 实现接口Runnable具有多线程能力
    • 启动线程：Thread对象(目标对象).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

• 实现Callable 接口（了解即可）

  1. 实现Callable接口，需要返回值类型

  2. 重写call方法，需要抛出异常

  3. 创建目标对象

  4. 创建执行服务：ExecutorService ser = Executors.newFixedThreadPool(1);

  5. 提交执行：Future result1 = ser.submit(t1);

  6. 获取结果：boolean r1 = result1.get()

  7. 关闭服务：ser.shutdownNow();

初识并发问题

多个线程操作同一个资源的情况下，线程不安全，数据紊乱

上图为程序模拟多个人抢10张票的场景，并发问题导致不同的人抢到了同一张票

龟兔赛跑案例

实现Callable接口（了解即可）

静态代理

Lambda表达式

• λ希腊字母表中排序第十一位的字母，英文名称为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

  (params)-> expression[表达式]
  (params)-> statement[语句]
  (params)-> {statements}
  a-> System.out.println("i like lambda-->"+a);
  

• 为什么要使用lambda表达式

  • 避免匿名内部类定义过多
  • 可以让你代码看起来很简洁
  • 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表达式来创建改接口对象。

• 写Lambda表达式就是为了简化代码，前提是接口是函数式接口，也就是接口中只有一个方法

停止线程

• 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

• 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。

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;
• 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；

线程休眠可以用在，模拟网络延迟，模拟倒计时等等。

static void ten() throws InterruptedException {
        int time = 10;
        while (true){
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(time--);
            if(time<=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

//测试礼让线程
//礼让不一定成功，看CPU心情
public class yieldThread {
    public static void main(String[] args) {
        MyYield myYield = new MyYield();

        new Thread(myYield,"a").start();
        new Thread(myYield,"b").start();
    }


}
class MyYield implements Runnable{

    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程开始执行");
        Thread.yield();//线程礼让
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程停止执行");
    }
}

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

//测试Join方法//想象为插队
public class JoinThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for(int i=0;i<100;i++){
            System.out.println("线程Vip来了"+i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //启动线程
        JoinThread joinThread = new JoinThread();
        Thread thread = new Thread(joinThread);
        thread.start();

        //主线程
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            if (i==200){

            }
            System.out.println("main"+i);
        }
    }
}

线程状态观测

• Thread.State

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。 
一个线程可以在给定时间点处于一个状态。 这些状态是不反映任何操作系统线程状态的虚拟机状态。 

• 线程状态

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; 当不设置默认值为5
• 使用以下方式改变或获取优先级
  • getPriority() setPriority(int xxx)
  • 优先级设置建议在start()前

public class ThreadPriority{
    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);

        //先设置优先级，再启动
        t1.start();

        t2.setPriority(1);
        t2.start();

        t3.setPriority(4);
        t3.start();

        t4.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);//MAX_PRIORITY=10
        t4.start();

        //报错
//        t5.setPriority(-1);
//        t5.start();
//
//        t6.setPriority(11);
//        t6.start();

        //性能倒置，
    }
}

class MyPriority implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->"+Thread.currentThread().getPriority());
    }
}

性能倒置：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，这都是看CPU的调度

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，垃圾回收等待....

//测试守护线程
//上帝守护你
public class ThreadDaemon {
    public static void main(String[] args) {
        God god = new God();
        You you = new You();

        Thread thread = new Thread(god);
        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....

        thread.start();//上帝守护线程启动

        new Thread(you).start();//你 启动了

    }
}

//上帝
class God implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            System.out.println("上帝保佑着你");
        }
    }
}

//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!======="); //Hello,World!
    }
}

线程同步

• 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，引起性能问题；

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[反射中讲解]
• 同步监视器的执行过程
  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。

//锁方法
//synchronized 同步方法
    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()+"拿到第"+ticketNums--+"张票");
    }

//锁对象
//取钱
    @Override
    public void run() {
        //锁的对象就是发生变化的量
        synchronized (account){
            //判断有没有钱
            if(account.money-drawingMoney<0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"余额不足");
                return;
            }

            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            //卡内余额等于余额减去取的金额
            account.money=account.money-drawingMoney;
            //取出的钱
            nowMoney=nowMoney+drawingMoney;

            System.out.println(account.name+"余额为："+account.money);
            System.out.println(this.getName()+"取出了："+nowMoney);
        }


    }

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，而导致两个或多个线程都在等待对方释放资源，都停止执行的情形。某一同步块同时拥有“两个以上对象的锁 ”时，就可能会发生“死锁”的问题。

//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 g1 = new Makeup(0,"灰姑凉");
        Makeup g2 = new Makeup(1,"白雪公主");

        g1.start();
        g2.start();
    }

}

//口红
class Lipstick{

}

//镜子
class Mirror{

}

class Makeup extends Thread{

    //需要的资源只有一份，用static来保证只有一份
    static Lipstick lipstick = new Lipstick();
    static Mirror mirror = new Mirror();

    int choice;//选择
    String girlName;//使用化妆品的人

    Makeup(int choice,String girlName){
        this.choice=choice;
        this.girlName=girlName;
    }

    @Override
    public void run() {
        //化妆
        try {
            makeup();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //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){
            synchronized (lipstick){//获得口号的锁
                System.out.println(this.girlName+"获得口红的锁");
                Thread.sleep(1000);

            }
            synchronized (mirror){//一秒钟后想获得镜子
                System.out.println(this.girlName+"获得镜子的锁");
            }
        }else {
            synchronized (mirror){//获得镜子的锁
                System.out.println(this.girlName+"获得镜子的锁");
                Thread.sleep(2000);

            }
            synchronized (lipstick){//一秒钟后想获得口红
                System.out.println(this.girlName+"获得口红的锁");
            }
        }

    }
}

死锁避免方法

• 产生死锁的四个必要条件：

  1. 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
  2. 请求与保持条件：一个进程因请求资源而堵塞时，对方已获得的资源保持不放。
  3. 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。
  4. 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。

  上面列出了死锁的四个必要条件，我们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的发生

Lock(锁)

• 从 JDK 5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——通过显式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。

//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 ReentrantLock lock = new ReentrantLock();


    @Override
    public void run() {
        while (true){
            try {
                lock.lock();//加锁
                if(ticketNums>0){
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(ticketNums--);
                }else {
                    break;
                }
            }finally {
                //解锁
                lock.unlock();
            }

        }
    }
}

synchronized 与 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。并且具有更好的扩展性（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）

线程协作（线程通信）

生产者消费者模式

• 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止
  • 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

这是一个线程同步的问题，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）

解决方式1

并发协作模型“生产者/消费者模式” ---> 管程法

• 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：负责处理数据的模块（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

//测试：生产者消费者模型 ---> 利用缓冲区解决：管制法

//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"+i+"只鸡");
        }
    }
}

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

    public Consumer(SynContainer container){
        this.container = container;
    }
    //消费
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("消费了第"+container.pop().id+"只鸡");

        }
        super.run();
    }
}

//产品
class Chicken{
    int id;//编号

    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) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //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
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //如果可以消费
        count--;
        Chicken chicken = chickens[count];

        //吃完了，通知生产者生产
        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
  • 设置一个标志位，当值位true时消费，当值位false时等待

//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("快乐大本营播放中");
            }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 T
    //观众观看，演员等待 F
    String voice;//表演的节目
    boolean flag = true;

    //表演
    public synchronized void play(String voice){

        if(!flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println("演员表演了:"+voice);
        //通知观众观看
        this.notifyAll();//通知唤醒
        this.voice = voice;

        this.flag=!this.flag;
    }

    //观看
    public synchronized void watch(){
        if(flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("观看了:"+voice);
        //通知演员表演
        this.notifyAll();
        this.flag = !this.flag;
    }
}

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。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
• JDK 5.0起提供了线程池相关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

//测试线程池
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);

        //执行
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());

        //2.关闭链接
        service.shutdown();
    }

}

class MyThread implements Runnable{

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

总结

//回顾总结线程的创建
public class ThreadNew {
    public static void main(String[] args) {
        new MyThread1().start();

        new Thread(new MyThread2()).start();

        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask(new MyThread3());

        new Thread(futureTask).start();

        try {
            Integer integer = futureTask.get();
            System.out.println(integer);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

//1.继承Thread类
class MyThread1 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyThread1");
    }
}

//2.实现Runnable接口
class MyThread2 implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyThread2");
    }
}

//3.实现Callable接口
class MyThread3 implements Callable<Integer>{

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("MyThread3");
        return 100;
    }
}

多线程

原文：https://www.cnblogs.com/djhBK/p/14927825.html