Java学习笔记之多线程 生产者 消费者

0x00 概述

本文涉及Java知识点有多线程，生产者，消费者。

 

0x01 实现多线程

1.1 进程和线程

• 进程：是正在运行的程序

　　　　是系统进行资源分配和调用的独立单位

　　　　每一个进程都有它自己的内存空间和系统资源

 

• 线程：是进程中的单个顺序控制流，是一条执行路径

　　　　单线程：一个进程如果只有一条执行路径，则称为单线程程序

　　　　多线程：一个进程如果有多条执行路径，则称为多线程程序

 

1.2 实现多线程方式一：继承Thread类

•  方法介绍

•  实现步骤：

　　　　定义一个类MyThread继承Thread类

　　　　在MyThread类中重写run()方法

　　　　创建MyThread类的对象

　　　　启动线程

实例

package MyThreadDemo;

public class MyThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t1 = new MyThread();
        MyThread t2 = new MyThread();

        // t1.run();
        // t2.run();

        // void start() 导致此线程开始执行，Java虚拟机调用此线程的run方法
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

• 两个小问题

　　为什么要重写run()方法?

　　　　因为run()是用来封装被线程执行的代码

　　run()方法和start()方法的区别

　　　　run()：封装线程执行的代码，直接调用，相当于普通方法的调用

　　　　start()：启动线程，然后由JVM调用此线程的run方法

 

1.3 设置和获取线程名称

•  方法介绍

 示例

package MyThreadDemo2;

public class MyThreadDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread my1 = new MyThread();
        MyThread my2 = new MyThread();

        // void setName(String name): 将此线程的名称更改为指定的name
        my1.setName("高铁");
        my1.setName("飞机");

        my1.start();
        my2.start();

        // Thread(String name)
        Thread my3 = new MyThread("汽车");
        Thread my4 = new MyThread("自行车");

        my3.start();
        my4.start();

        // static Thread currentThread() 返回对当前正在执行的线程对象的引用
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        
    }
}

 

1.4 线程优先级

•  线程调度

　　　　两种调度方式

　　　　　　分时调度模型：

　　　　　　　　所有线程轮流使用CPU的使用权，平均分配每个线程占用CPU的时间片

　　　　　　抢占式调度模型：

　　　　　　　　优先让优先级高的线程使用CPU，如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个，优先级高的线程获取的CPU时间片相对多一些

 

• Java使用的是抢占调度模型

 

• 随机性

　　　　假如计算机只有一个CPU，那么CPU在某一个时刻只能执行一条指令，线程只有得到CPU时间片，也就是使用权，才可以执行指令，

　　　　所以说多线程程序的执行是有随机性，因为谁抢到CPU的使用权是不一定的

 

• 优先级相关方法

 示例

package ThreadPriorityDemo1;

public class ThreadPriority extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ", " + i);
        }
    }
}

package ThreadPriorityDemo1;

public class ThreadPriorityDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadPriority tp1 = new ThreadPriority();
        ThreadPriority tp2 = new ThreadPriority();
        ThreadPriority tp3 = new ThreadPriority();

        tp1.setName("自行车");
        tp1.setName("汽车");
        tp1.setName("火车");

        // public final int getPriority()：返回此线程的优先级
        System.out.println(tp1.getPriority());  // 5
        System.out.println(tp2.getPriority());  // 5
        System.out.println(tp3.getPriority());  // 5

        // public final void setPriority(int new Priority): 更改此线程的优先级
        // tp1.setPriority(1000);
        System.out.println(Thread.MAX_PRIORITY);
        System.out.println(Thread.MIN_PRIORITY);
        System.out.println(Thread.NORM_PRIORITY);

        // 设置正确的优先级
        tp1.setPriority(5);
        tp1.setPriority(10);
        tp1.setPriority(1);

        tp1.start();
        tp2.start();
        tp3.start();

    }
}

 

1.5 线程控制

• 相关方法

 sleep示例

package ThreadSleepDemo;

public class ThreadSleep extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ", " + i);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

package ThreadSleepDemo;

public class ThreadSleepDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadSleep ts1 = new ThreadSleep();
        ThreadSleep ts2 = new ThreadSleep();
        ThreadSleep ts3 = new ThreadSleep();

        ts1.setName("曹操");
        ts1.setName("刘备");
        ts1.setName("孙权");

        ts1.start();
        ts2.start();
        ts3.start();
    }
}

Join示例

package ThreadJoinDemo;

public class ThreadJoin extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ": " + i);
        }
    }
}

package ThreadJoinDemo;

public class ThreadJoinDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadJoin tj1 = new ThreadJoin();
        ThreadJoin tj2 = new ThreadJoin();
        ThreadJoin tj3 = new ThreadJoin();

        tj1.setName("Alice");
        tj2.setName("Bob");
        tj3.setName("Charlie");

        tj1.start();
        try {
            tj1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        tj2.start();
        tj3.start();
    }
}

Daemon示例

package ThreadDaemonDemo;

public class ThreadDaemon extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(getName() + ": " + i);
        }
    }
}

package ThreadDaemonDemo;

public class ThreadDaemonDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDaemon td1 = new ThreadDaemon();
        ThreadDaemon td2 = new ThreadDaemon();

        td1.setName("Alice");
        td2.setName("Bob");

        // 设置主线程为Charlie
        Thread.currentThread().setName("Charlie");

        // 设置守护线程
        td1.setDaemon(true);
        td2.setDaemon(true);

        td1.start();
        td2.start();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
        }
    }
}

 

1.6 线程的声明周期

 线程一共有五种状态，线程在各种状态之间转换

 

1.7 实现多线程方式二：实现Runnable接口

•  Thread构造方法

•  实现步骤

　　　　定义一个类MyRunnable实现Runnable接口

　　　　在MyRunnable类中重写run()方法

　　　　创建MyRunnable类的对象

　　　　创建Thread类的对象，把MyRunnable对象作为构造方法的参数

　　　　启动线程

示例

package MyRunnableDemo;

public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
        }
    }
}

package MyRunnableDemo;

public class MyRunnableDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建MyRunnable类的对象
        MyRunnable mr = new MyRunnable();

        // 创建Thread类的对象，把MyRunnable对象作为构造方法的参数
        // Thread(Runnable target, String name)
        Thread t1 = new Thread(mr, "高铁");
        Thread t2 = new Thread(mr, "飞机");

        // 启动线程
        t1.start();
        t2.start();

    }
}

• 多线程的实现方案有两种

　　　　继承Thread类

　　　　实现Runnable接口

• 相比继承Thread类，实现Runnable接口的好处

　　　　避免了Java单继承的局限性

　　　　适合了多个相同程序的代码去处理同一个资源的情况，把线程和程序的代码，数据有效分离，较好的体现了面向对象的设计思想

 

0x02 线程同步

2.1 卖票

• 需求：100张电影票，共计3个窗口卖票，设计一个程序模拟卖票
• 实现步骤：

　　　　定义一个类SellTicket实现Runnable接口，里面定义一个成员变量 private int tickets = 100

　　　　在SellTicket类中重写run()方法实现卖票

　　　　判断票数大于0，就卖票，并告知是哪个窗口卖的

　　　　卖了票后，总票数减去1

　　　　票没了，也可能有人来问，所以这里用死循环让卖票的动作一直执行

　　　　定义一个测试类SellTicket，里面有main方法，代码步骤如下

　　　　创建SellTicket类的对象

　　　　创建3个Thread类的对象，把SellTicket对象作为构造方法的参数，并给出对应的窗口名称

　　　　启动线程

示例

package SellTicketDemo;

public class SellTicket implements Runnable {
    private int tickets = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (tickets > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
                        "正在出售第 " + tickets + " 张票");
                tickets--;
            }
        }
    }
}

package SellTicketDemo;

public class SellTicketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建SellTicket类的对象
        SellTicket st = new SellTicket();

        // 创建三个Thread类的对象，把SellTicket对象作为构造方法的参数，并给出对应的窗口名称
        Thread t1 = new Thread(st, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(st, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(st, "窗口3");

        // 启动线程
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

    }
}

 执行结果

 

2.2 卖票案例的问题

• 卖票出现的问题

　　　　相同的票出现了多次，

　　　　出现了负数的票

• 问题产生原因

 　　　　线程执行的随机性导致

package SellTicketDemo1;

public class SellTicket implements Runnable {
    private int tickets = 100;

    @Override
    public void run() {
        //相同的票出现了多次
//        while (true) {
//            //tickets = 100;
//            //t1,t2,t3
//            //假设t1线程抢到CPU的执行权
//            if (tickets > 0) {
//                //通过sleep()方法来模拟出票时间
//                try {
//                    Thread.sleep(100);
//                    //t1线程休息100毫秒
//                    //t2线程抢到了CPU的执行权，t2线程就开始执行，执行到这里的时候，t2线程休息100毫秒
//                    //t3线程抢到了CPU的执行权，t3线程就开始执行，执行到这里的时候，t3线程休息100毫秒
//                } catch (InterruptedException e) {
//                    e.printStackTrace();
//                }
//                //假设线程按照顺序醒过来
//                //t1抢到CPU的执行权，在控制台输出：窗口1正在出售第100张票
//                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
//                //t2抢到CPU的执行权，在控制台输出：窗口2正在出售第100张票
//                //t3抢到CPU的执行权，在控制台输出：窗口3正在出售第100张票
//                tickets--;
//                //如果这三个线程还是按照顺序来，这里就执行了3次--的操作，最终票就变成了97
//            }
//        }

        //出现了负数的票
        while (true) {
            //tickets = 1;
            //t1,t2,t3
            //假设t1线程抢到CPU的执行权
            if (tickets > 0) {
                //通过sleep()方法来模拟出票时间
                try {
                    Thread.sleep(100);
                    //t1线程休息100毫秒
                    //t2线程抢到了CPU的执行权，t2线程就开始执行，执行到这里的时候，t2线程休息100毫秒
                    //t3线程抢到了CPU的执行权，t3线程就开始执行，执行到这里的时候，t3线程休息100毫秒
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //假设线程按照顺序醒过来
                //t1抢到了CPU的执行权，在控制台输出：窗口1正在出售第1张票
                //假设t1继续拥有CPU的执行权，就会执行tickets--;操作，tickets = 0;
                //t2抢到了CPU的执行权，在控制台输出：窗口1正在出售第0张票
                //假设t2继续拥有CPU的执行权，就会执行tickets--;操作，tickets = -1;
                //t3抢到了CPU的执行权，在控制台输出：窗口3正在出售第-1张票
                //假设t2继续拥有CPU的执行权，就会执行tickets--;操作，tickets = -2;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                tickets--;
            }
        }
    }
}

package SellTicketDemo1;

/*
    卖票案例的思考
 */
public class SellTicketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        SellTicket st = new SellTicket();

        Thread t1 = new Thread(st, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(st, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(st, "窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

 

2.3 同步代码块解决数据安全问题

• 安全问题出现的条件

　　　　是多线程环境

　　　　有共享数据

　　　　有多条语句操作共享数据

• 如果解决多想成安全问题？

　　　　基本思想：让程序没有安全问题的环境

• 怎么实现？

　　　　把多条语句操作共享数据的代码给锁起来，让任意时刻只能有一个线程执行即可

　　　　Java提供了同步代码块的方式来解决

• 同步代码块格式

synchronized(任意对象) {
    多条语句操作共享数据的代码
}

　　　　synchronized(任意对象)：相当于给代码加锁了，任意对象就可以看成是一把锁

• 同步的好处和弊端

　　　　好处：解决了多线程的数据安全问题

　　　　弊端：当线程很多时，因为每个线程都会去判断同步上的锁，这很消耗资源，无形中降低了程序的运行效率

示例

package SellTicketDemo2;

public class SellTicket implements Runnable {
    private int tickets = 100;
    private Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            // tickets = 100
            // t1, t2, t3
            // 假设t1抢到了CPU的执行权
            // 假设t2抢到了CPU的执行权
            synchronized (obj) {
                // t1进来后，就会把这段代码给锁起来
                if (tickets > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                        // t1休息100毫秒
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    // 窗口1正在出售第100张票
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
                            "正在出售 " + tickets + " 张票");
                    tickets--;
                }
            }
            // t1出来了，这段代码的锁就被释放了
        }
    }
}

package SellTicketDemo2;

public class SellTicketDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        SellTicket st = new SellTicket();

        Thread t1 = new Thread(st, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(st, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(st, "窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

 

2.4 同步方法解决数据安全问题

• 同步方法的格式

　　　　同步方法：就是把synchronized关键字加到方法上

修饰符 synchronized 返回值类型 方法名(方法参数) {
    方法体;
}

• 同步方法的锁对象是什么呢？

　　　　this

• 静态同步方法

　　　　同步静态方法：就是把synchronized关键字加到静态方法上

修饰符 static synchronized 返回值类型 方法名(方法参数) {
    方法体;
}

• 同步静态方法的锁对象是什么呢？

　　　　类名.class

示例

package SellTicketDemo3;

public class SellTicket implements Runnable {
    private static int tickets = 100;
    private int x = 0;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            sellTicket1();
        }
    }

    // 同步方法
    private synchronized void sellTicket1() {
        if (tickets > 0) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
                    "正在销售第" + tickets + "张票");
            tickets--;
        }
    }

    // 静态同步方法
    private static synchronized void sellTicket2() {
        if (tickets > 0) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
                    "正在出售第" + tickets + "张票");
            tickets--;
        }
    }
}

package SellTicketDemo3;

public class SellTicketDemo3 {
    public static void main(String[] args) {
        SellTicket st = new SellTicket();

        Thread t1 = new Thread(st, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(st, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(st, "窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

 

2.5 线程安全的类

• StringBuffer

　　　　线程安全，可变的字符序列

　　　　从版本JDK5开始，被StringBuilder替代，通常应该使用StringBuilder类，因为它支持所有相同的操作，而且更快，因为它不执行同步

• Vector

　　　　从Java2平台v1.2开始，该类改进了List接口，使其成为Java Collections Framework的成员。与新的集合实现不同，Vector被同步，

　　　　如果不需要线程安全的实现，建议使用ArrayList代替Vector

• Hashtable

　　　　该类实现了一个哈希表，它将键映射到值，任何非null对象都可以用作键或者值

　　　　从Java2平台v1.2开始，该类进行了改进，实现了Map接口，使其成为Java Collections Framework的成员。

　　　　与新的集合实现不同，Hashtable被同步，如果不需要线程安全的实现，建议使用HashMap代替HashTable

 

2.6 Lock锁

虽然我们可以理解同步代码块和同步方法的锁对象问题，但是我们并没有直接看到在哪里加上了锁，在哪里

释放了锁，为了更清晰的表达如何加锁和释放锁，JDK5以后提供了一个新的锁对象Lock

 

Lock是接口不能直接实例化，这里采用它的实现类ReentrantLock来实例化

 

• ReentrantLock构造方法

 加锁解锁的方法

 示例

package SellTicketDemo4;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class SellTicket implements Runnable {
    private int tickets = 100;
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                lock.lock();
                if (tickets > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                    tickets--;
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

package SellTicketDemo4;

public class SellTicketDemo4 {
    public static void main(String[] args) {
        SellTicket st = new SellTicket();

        Thread t1 = new Thread(st, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(st, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(st, "窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

 

0x03 生产者消费者

3.1 生产者和消费者模式概述

• 概述

　　　　生产者消费者模式是一个十分经典的多线程协作模式，弄懂生产者消费者问题能够让我们对多线程编程的理解更加深刻

　　　　所谓生产者消费者问题，实际上主要是包含了两类线程：

　　　　　　生产者线程用于生产数据

　　　　　　消费者线程用于消费数据

　　　　为了解耦生产者和消费者的关系，通常会采用共享的数据区域，就像一个仓库

　　　　生产者生产数据之后直接放置在共享数据区，并不需要关系消费者的行为

　　　　消费者只需要从共享数据区获取数据，并不需要关心生产者的行为

 

•  Object类的等待和唤醒方法

 

 

3.2 生产者和消费者案例

需求：

　　生产者消费者案例中包含的类：

　　奶箱(Box): 定义一个成员变量，表示第x瓶奶，提供存储牛奶和获取牛奶的操作

　　生产者类(Producer): 实现Runnable接口，重写run()方法，调用存储牛奶的操作

　　消费者类(Customer): 实现Runnable接口，重写run()方法，调用获取牛奶的操作

　　测试类(BoxDemo): 里面有main方法，main方法中的代码步骤如下

　　　　1. 创建奶箱对象，这是共享数据区域

　　　　2. 创建消费者和生产者对象，把奶箱对象作为构造方法参数传递，因为在这个类中要调用存储牛奶的操作

　　　　3. 对象，把奶箱对象作为构造方法参数传递，因为在这个类中要调用获取牛奶的操作

　　　　4. 创建2个线程对象，分别把生产者和消费者对象作为构造方法参数传递

　　　　5. 启动线程

示例

package BoxDemo;

public class Box {
    // 定义一个成员变量，表示第x瓶奶
    private int milk;

    // 定义一个成员变量，表示奶箱的状态
    private boolean state = false;

    // 提供存储牛奶和获取牛奶的操作
    public synchronized void put(int milk) {
        // 如果有牛奶，等待消费
        if (state) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 如果没有牛奶，就生产牛奶
        this.milk = milk;
        System.out.println("送奶工将第" + this.milk + "瓶奶放入奶箱");

        // 生产完毕后，修改奶箱状态
        state = true;

        // 唤醒其他等待的线程
        notifyAll();
    }

    public synchronized void get() {
        // 如果没有牛奶，等待生产
        if (!state) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 如果有牛奶，就消费牛奶
        System.out.println("用户拿到了第" + this.milk + "瓶奶");

        // 消费完毕后，修改奶箱状态
        state = false;

        // 唤醒其他等待的线程
        notifyAll();
    }
}

package BoxDemo;

public class Producer implements Runnable {
    private Box b;

    public Producer(Box b) {
        this.b = b;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 30; i++) {
            b.put(i);
        }
    }
}

package BoxDemo;

public class Customer implements Runnable {
    private Box b;

    public Customer(Box b) {
        this.b = b;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            b.get();
        }
    }
}

package BoxDemo;

public class BoxDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建奶箱，这是共享数据区域
        Box b = new Box();

        // 创建生产者对象，把奶箱对象作为构造方法参数传递，因为在这个类中要调用存储牛奶的操作
        Producer p = new Producer(b);
        // 创建消费者对象，把奶箱对象作为构造方法参数传递，因为在这个类中要调用存储牛奶的操作
        Customer c = new Customer(b);

        // 创建2个线程对象，分别把生产者和消费者对象作为构造方法参数传递
        Thread t1 = new Thread(p);
        Thread t2 = new Thread(c);

        // 启动线程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}