多线程
1.概述
1.1
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并发:指两个或多个事件在同一个时间段内发生。
在操作系统中,安装了多个程序,并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行,这在单 CPU 系统中,每一时刻只能有一道程序执行,即微观上这些程序是分时的交替运行,只不过是给人的感觉是同时运行,那是因为分时交替运行的时间是非常短的。
而在多个 CPU 系统中,则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上(CPU),实现多任务并行执行,即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序,这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核 CPU,便是多核处理器,核越多,并行处理的程序越多,能大大的提高电脑运行的效率。
注意:单核处理器的计算机肯定是不能并行的处理多个任务的,只能是多个任务在单个CPU上并发运行。同理,线程也是一样的,从宏观角度上理解线程是并行运行的,但是从微观角度上分析却是串行运行的,即一个线程一个线程的去运行,当系统只有一个CPU时,线程会以某种顺序执行多个线程,我们把这种情况称之为线程调度。
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线程:进程中的一个执行单元,负责当前进程中程序的执行,一个进程中至少有一个线程。一个进程中是可以有多个线程的,这个应用程序也可以称之为多线程程序。
进程:
线程:
进程与线程的区别
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进程:有独立的内存空间,进程中的数据存放空间(堆空间和栈空间)是独立的,至少有一个线程。
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线程:堆空间是共享的,栈空间是独立的,线程消耗的资源比进程小的多。
1:因为一个进程中的多个线程是并发运行的,那么从微观角度看也是有先后顺序的,哪个线程执行完全取决于 CPU 的调度,程序员是干涉不了的。而这也就造成的多线程的随机性。
2:Java 程序的进程里面至少包含两个线程,主进程也就是 main()方法线程,另外一个是垃圾回收机制线程。每当使用 java 命令执行一个类时,实际上都会启动一个 JVM,每一个 JVM 实际上就是在操作系统中启动了一个线程,java 本身具备了垃圾的收集机制,所以在 Java 运行时至少会启动两个线程。
3:由于创建一个线程的开销比创建一个进程的开销小的多,那么我们在开发多任务运行的时候,通常考虑创建多线程,而不是创建多进程。
线程调度:
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创建Thread子类的实例,即创建了线程对象。
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调用线程对象的start()方法来启动该线程。
代码如下:
//自定义线程类: public class MyThread extends Thread{ /* * 利用继承中的特点 * 将线程名称传递 进行设置 */ public MyThread(String name){ super(name); } /* * 重写run方法 * 定义线程要执行的代码 */ public void run(){ for (int i = 0; i < 20; i++) { //getName()方法 来自父亲 System.out.println(getName()+i); } } } //测试类 public class Demo { public static void main(String[] args) { System.out.println("这里是main线程"); MyThread mt = new MyThread("小强"); mt.start();//开启了一个新的线程 for (int i = 0; i < 20; i++) { System.out.println("旺财:"+i); } } }
以上代码自定义MyThread类继承Thread类,然后重写了run()方法,通过创建MyThread对象调用start()方法启动线程,执行run方法中的代码块。
原理图如下:
程序启动运行main时候,java虚拟机启动一个进程,主线程main在main()调用时候被创建。随着调用mt的对象的start方法,另外一个新的线程也启动了,这样,整个应用就在多线程下运行。
通过这张图我们可以很清晰的看到多线程的执行流程,那么为什么可以完成并发执行呢?我们再来讲一讲原理。
多线程执行时,到底在内存中是如何运行的呢?以上个程序为例,进行图解说明:
多线程执行时,在栈内存中,其实每一个执行线程都有一片自己所属的栈内存空间。进行方法的压栈和弹栈。
当执行线程的任务结束了,线程自动在栈内存中释放了。但是当所有的执行线程都结束了,那么进程就结束了。
在以上创建并启动线程的过程中,我们用到了java.lang.Thread类。在java里该类中定义了一些有关线程操作的API,具体如下:
构造方法:
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public Thread()
:分配一个新的线程对象。 -
public Thread(String name)
:分配一个指定名字的新的线程对象。 -
public Thread(Runnable target)
:分配一个带有指定目标新的线程对象。 -
public Thread(Runnable target,String name)
:分配一个带有指定目标新的线程对象并指定名字。
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常用方法:
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public void start()
:导致此线程开始执行; Java虚拟机调用此线程的run方法。 -
public void run()
:此线程要执行的任务在此处定义代码。 -
public static void sleep(long millis)
:使当前正在执行的线程以指定的毫秒数暂停(暂时停止执行)。 -
public static Thread currentThread()
:返回对当前正在执行的线程对象的引用。
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2.2 Runnable接口
通过实现java.lang.Runnable接口也是一种比较常见的创建线程的方法
,我们只需要重写run方法即可。
步骤如下:
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定义Runnable接口的实现类,并重写该接口的run()方法,该run()方法的方法体同样是该线程的线程执行体。
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创建Runnable实现类的实例,并以此实例作为Thread的target来创建Thread对象,该Thread对象才是真正的线程对象。
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调用线程对象的start()方法来启动线程。
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代码如下
1 //创建Runnable实现类 2 public class MyRunnable implements Runnable{ 3 @Override 4 public void run() { 5 for (int i = 0; i < 20; i++) { 6 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i); 7 } 8 } 9 } 10 11 //测试类 12 public class Demo { 13 public static void main(String[] args) { 14 //创建自定义类对象 线程任务对象 15 MyRunnable mr = new MyRunnable(); 16 //创建线程对象 17 Thread t = new Thread(mr, "小强"); 18 t.start(); 19 for (int i = 0; i < 20; i++) { 20 System.out.println("旺财 " + i); 21 } 22 } 23 }
通过实现Runnable接口,使得该类有了多线程类的特征。run()方法是多线程程序的一个执行目标。所有的多线程代码都在run方法里面。Thread类实际上也是实现了Runnable接口的类。
在启动的多线程的时候,需要先通过Thread类的构造方法Thread(Runnable target) 构造出对象,然后调用Thread对象的start()方法来运行多线程代码。
实际上所有的多线程代码都是通过运行Thread的start()方法来运行的。因此,不管是继承Thread类还是实现Runnable接口来实现多线程,最终还是通过Thread的对象的API来控制线程的,熟悉Thread类的API是进行多线程编程的基础。
Thread和Runnable的区别
如果一个类继承Thread,则不适合资源共享。但是如果实现了Runable接口的话,则很容易的实现资源共享。
总结:
实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势:
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适合多个相同的程序代码的线程去共享同一个资源。
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可以避免java中的单继承的局限性。
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增加程序的健壮性,实现解耦操作,代码可以被多个线程共享,代码和线程独立。
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线程池只能放入实现Runable或Callable类线程,不能直接放入继承Thread的类。
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2.3 匿名内部类方式
使用线程的内匿名内部类方式,可以方便的实现每个线程执行不同的线程任务操作。
使用匿名内部类的方式实现Runnable接口,重新Runnable接口中的run方法:
代码如下:
1 public class NoNameInnerClassThread { 2 public static void main(String[] args) { 3 // new Runnable(){ 4 // public void run(){ 5 // for (int i = 0; i < 20; i++) { 6 // System.out.println("刘德华:"+i); 7 // } 8 // } 9 // }; //---这个整体 相当于new MyRunnable() 10 Runnable r = new Runnable(){ 11 public void run(){ 12 for (int i = 0; i < 20; i++) { 13 System.out.println("刘德华:"+i); 14 } 15 } 16 }; 17 new Thread(r).start(); 18 19 for (int i = 0; i < 20; i++) { 20 System.out.println("张学友:"+i); 21 } 22 } 23 }
2.4 Callable接口
通过实现java.util.concurrent.Callable
接口也能够创建线程
。
步骤如下:
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创建一个线程任务对象,实现Callable接口,申明线程执行的结果类型,并重写call方法。
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创建一个未来任务对象FutureTask对象,包装Callable实现类对象。
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创建一个线程对象Thread来包装FutureTask对象。
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启动线程。
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获取线程执行的结果。
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代码如下:
//创建Callable实现类,声明结果返回值类型 class CallableTarger implements Callable<String>{ @Override public String call() throws Exception { int sum = 0 ; for(int i = 1 ; i <= 5 ; i++ ){ sum+=i; System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>输出:"+i); } return Thread.currentThread().getName()+"求和返回:"+sum; } } //测试类 public class Test { public static void main(String[] args) { // (2)创建一个未来任务对象FutureTask对象,包装Callable实现类对象。 CallableTarger targer = new CallableTarger(); // 未来任务对象的功能:可以在线程执行完毕以后得到线程的执行结果。 // 未来任务对象实际上就是一个Runnable对象 FutureTask<String> task = new FutureTask<>(targer); // public Thread(Runnable task) // (3)创建一个线程对象Thread来包装FutureTask对象 Thread t = new Thread(task); // (4)启动线程。 t.start(); for(int i = 1 ; i <= 5 ; i++ ){ System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>输出:"+i); } // (5)获取线程执行的结果。 try { String rs = task.get(); System.out.println(rs); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } }
通过实现Callable接口,可以创建一个可以返回执行结果的线程。通过调用java.util.concurrent.FutureTask<V>的get()方法,可以获得该线程的执行结果。
注意:get()方法会阻塞主线程直到获取‘将来’结果;当不调用此方法时,主线程不会阻塞!
总结:
实现Callable接口比继承Thread类以及实现Runnable所具有的优势:
- 其特性非常适合做线程池。
- 线程对象只是实现了Callable接口,可以继续继承其他类,可以继续实现其他接口。
- 也适合作用于资源共享
- 可以得到线程执行的结果。
3.线程安全
3.1线程安全概述
如果有多个线程在同时运行,而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的,而且其他的变量的值也和预期的是一样的,就是线程安全的。
我们通过一个案例,演示线程的安全问题:
电影院要卖票,我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “葫芦娃大战奥特曼”,本次电影的座位共100个(本场电影只能卖100张票)。
我们来模拟电影院的售票窗口,实现多个窗口同时卖 “葫芦娃大战奥特曼”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)
需要窗口,采用线程对象来模拟;需要票,Runnable接口子类来模拟
模拟票:
1 //定义执行类Runnable 2 public class Ticket implements Runnable { 3 private int ticket = 100; 4 /* 5 * 执行卖票操作 6 */ 7 @Override 8 public void run() { 9 //每个窗口卖票的操作 10 //窗口 永远开启 11 while (true) { 12 if (ticket > 0) {//有票 可以卖 13 //出票操作 14 //使用sleep模拟一下出票时间 15 try { 16 Thread.sleep(100); 17 } catch (InterruptedException e) { 18 // TODO Auto-generated catch block 19 e.printStackTrace(); 20 } 21 //获取当前线程对象的名字 22 String name = Thread.currentThread().getName(); 23 System.out.println(name + "正在卖:" + ticket--); 24 } 25 } 26 } 27 } 28 29 //测试类 30 public class Demo { 31 public static void main(String[] args) { 32 //创建线程任务对象 33 Ticket ticket = new Ticket(); 34 //创建三个窗口对象 35 Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1"); 36 Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2"); 37 Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3"); 38 39 //同时卖票 40 t1.start(); 41 t2.start(); 42 t3.start(); 43 } 44 }
结果中有一部分这样现象:
发现程序出现了两个问题:
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相同的票数,比如5这张票被卖了两回。
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不存在的票,比如0票与-1票,是不存在的。
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这种问题,几个窗口(线程)票数不同步了,这种问题称为线程不安全。
线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作,而无写操作,一般来说,这个全局变量是线程安全的;若有多个线程同时执行写操作,一般都需要考虑线程同步,否则的话就可能影响线程安全。
3.2线程同步
线程同步是为了解决线程安全问题。
当我们使用多个线程访问同一资源的时候,且多个线程中对资源有写的操作,就容易出现线程安全问题。
要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题,Java中提供了同步机制(synchronized)来解决。
根据案例简述:
窗口1线程进入操作的时候,窗口2和窗口3线程只能在外等着,窗口1操作结束,窗口1和窗口2和窗口3才有机会进入代码去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候,其他线程不能修改该资源,等待修改完毕同步之后,才能去抢夺CPU资源,完成对应的操作,保证了数据的同步性,解决了线程不安全的现象。
为了保证每个线程都能正常执行原子操作,Java引入了线程同步机制。
那么怎么去使用呢?有三种方式完成同步操作:
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同步代码块。
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同步方法。
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锁机制。
3.3同步代码块
1 //使用同步代码块处理多线程资源共享问题 2 public class Ticket implements Runnable{ 3 private int ticket = 100; 4 5 Object lock = new Object(); 6 /* 7 * 执行卖票操作 8 */ 9 @Override 10 public void run() { 11 //每个窗口卖票的操作 12 //窗口 永远开启 13 while(true){ 14 synchronized (lock) { 15 if(ticket>0){//有票 可以卖 16 //出票操作 17 //使用sleep模拟一下出票时间 18 try { 19 Thread.sleep(50); 20 } catch (InterruptedException e) { 21 // TODO Auto-generated catch block 22 e.printStackTrace(); 23 } 24 //获取当前线程对象的名字 25 String name = Thread.currentThread().getName(); 26 System.out.println(name+"正在卖:"+ticket--); 27 } 28 } 29 } 30 } 31 }
当使用了同步代码块后,上述的线程的安全问题,解决了。
3.4 同步方法
public synchronized void method(){
可能会产生线程安全问题的代码}
对于非static方法,同步锁就是this。
对于static方法,我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。
public class Ticket implements Runnable{ private int ticket = 100; /* * 执行卖票操作 */ @Override public void run() { //每个窗口卖票的操作 //窗口 永远开启 while(true){ sellTicket(); } } /* * 锁对象 是 谁调用这个方法 就是谁 * 隐含 锁对象 就是 this * */ public synchronized void sellTicket(){ if(ticket>0){//有票 可以卖 //出票操作 //使用sleep模拟一下出票时间 try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } //获取当前线程对象的名字 String name = Thread.currentThread().getName(); System.out.println(name+"正在卖:"+ticket--); } } }
Lock锁也称同步锁,加锁与释放锁方法化了,如下:
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public void unlock()
:释放同步锁。
使用如下:
1 public class Ticket implements Runnable{ 2 private int ticket = 100; 3 4 Lock lock = new ReentrantLock(); 5 /* 6 * 执行卖票操作 7 */ 8 @Override 9 public void run() { 10 //每个窗口卖票的操作 11 //窗口 永远开启 12 while(true){ 13 lock.lock(); 14 if(ticket>0){//有票 可以卖 15 //出票操作 16 //使用sleep模拟一下出票时间 17 try { 18 Thread.sleep(50); 19 } catch (InterruptedException e) { 20 // TODO Auto-generated catch block 21 e.printStackTrace(); 22 } 23 //获取当前线程对象的名字 24 String name = Thread.currentThread().getName(); 25 System.out.println(name+"正在卖:"+ticket--); 26 } 27 lock.unlock(); 28 } 29 } 30 }
4. 线程状态
4.1线程状态概述
线程状态 | 导致状态发生的条件 |
NEW(新建) | 线程刚被创建,但是并未启动。还没调用start方法。 |
Runnable(可运行) | 线程可以在java虚拟机中运行的状态,可能正在运行自己代码,也可能没有,这取决于操作系统处理器。 |
Blocked(锁阻塞) | 当一个线程试图获取一个对象锁,而该对象锁被其他的线程持有,则该线程进入Blocked状态;当该线程持有锁时,该线程将变成Runnable状态。 |
Waiting(无限等待) | 一个线程在等待另一个线程执行一个(唤醒)动作时,该线程进入Waiting状态。进入这个状态后是不能自动唤醒的,必须等待另一个线程调用notify或者notifyAll方法才能够唤醒。 |
Timed Waiting(计时等待) | 同waiting状态,有几个方法有超时参数,调用他们将进入Timed Waiting状态。这一状态将一直保持到超时期满或者接收到唤醒通知。带有超时参数的常用方法有Thread.sleep 、Object.wait。 |
Teminated(被终止) | 因为run方法正常退出而死亡,或者因为没有捕获的异常终止了run方法而死亡。 |
实际中其实不需要去研究这几种状态的实现原理,只需知道在做线程操作中存在这样的状态。那应该怎么去理解这几个状态呢,新建与被终止还是很容易理解的,以下就研究一下线程从Runnable(可运行)状态与非运行状态之间的转换问题。
以上状态中有一个状态叫做计时等待,可以通过Thread类的方法来进行演示.
public static void sleep(long time)
:让当前线程进入到睡眠状态,到毫秒后自动醒来继续执行
1 public class Test{ 2 public static void main(String[] args){ 3 for(int i = 1;i<=5;i++){ 4 Thread.sleep(1000);//调用sleep()方法,设置休眠参数为1000毫秒 5 System.out.println(i) 6 } 7 } 8 }
这时会发现主线程执行到sleep方法会休眠1秒后再继续执行。
Object类的方法
public void wait()
: 让当前线程进入到等待状态 此方法必须锁对象调用.
1 public class Demo1_wait { 2 public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 3 // 步骤1 : 子线程开启,进入无限等待状态, 没有被唤醒,无法继续运行. 4 new Thread(() -> { 5 try { 6 7 System.out.println("begin wait ...."); 8 synchronized ("") { 9 "".wait(); 10 } 11 System.out.println("over"); 12 } catch (Exception e) { 13 } 14 }).start(); 15 }
1 public class Demo2_notify { 2 public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 3 // 步骤1 : 子线程开启,进入无限等待状态, 没有被唤醒,无法继续运行. 4 new Thread(() -> { 5 try { 6 7 System.out.println("begin wait ...."); 8 synchronized ("") { 9 "".wait(); 10 } 11 System.out.println("over"); 12 } catch (Exception e) { 13 } 14 }).start(); 15 16 //步骤2: 加入如下代码后, 3秒后,会执行notify方法, 唤醒wait中线程. 17 Thread.sleep(3000); 18 new Thread(() -> { 19 try { 20 synchronized ("") { 21 System.out.println("唤醒"); 22 "".notify(); 23 } 24 } catch (Exception e) { 25 } 26 }).start(); 27 } 28 }
5.线程池
5.1线程池的思想
在使用线程的时候就去创建一个线程,这样实现起来非常简便,但是就会有一个问题:
如果并发的线程数量很多,并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了,这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率,因为频繁创建线程和销毁线程需要时间。
那么有没有一种办法使得线程可以复用,就是执行完一个任务,并不被销毁,而是可以继续执行其他的任务?
在Java中可以通过线程池来达到这样的效果。接下来就来详细讲解一下Java的线程池。
5.2 线程池的概念
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线程池:其实就是一个容纳多个线程的容器,其中的线程可以反复使用,省去了频繁创建线程对象的操作,无需反复创建线程而消耗过多资源。
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由于线程池中有很多操作都是与优化资源相关的,这里就不多赘述。可以通过一张图来了解线程池的工作原理:
合理利用线程池能够带来三个好处:
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降低资源消耗。减少了创建和销毁线程的次数,每个工作线程都可以被重复利用,可执行多个任务。
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提高响应速度。当任务到达时,任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
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Executors类中有个创建线程池的方法如下:
使用线程池中线程对象的步骤:
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创建线程池对象。
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创建Runnable接口子类对象。(task)
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提交Runnable接口子类对象。(take task)
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关闭线程池(一般不做)。
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Runnable实现类代码:
1 public class MyRunnable implements Runnable { 2 @Override 3 public void run() { 4 System.out.println("我要一个教练"); 5 try { 6 Thread.sleep(2000); 7 } catch (InterruptedException e) { 8 e.printStackTrace(); 9 } 10 System.out.println("教练来了: " + Thread.currentThread().getName()); 11 System.out.println("教我游泳,交完后,教练回到了游泳池"); 12 } 13 }
1 //测试类 2 public class ThreadPoolDemo { 3 public static void main(String[] args) { 4 // 创建线程池对象 5 ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象 6 // 创建Runnable实例对象 7 MyRunnable r = new MyRunnable(); 8 9 //自己创建线程对象的方式 10 // Thread t = new Thread(r); 11 // t.start(); ---> 调用MyRunnable中的run() 12 13 // 从线程池中获取线程对象,然后调用MyRunnable中的run() 14 service.submit(r); 15 // 再获取个线程对象,调用MyRunnable中的run() 16 service.submit(r); 17 service.submit(r); 18 // 注意:submit方法调用结束后,程序并不终止,是因为线程池控制了线程的关闭。 19 // 将使用完的线程又归还到了线程池中 20 // 关闭线程池 21 //service.shutdown(); 22 } 23 }
Callable测试代码:
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Future : 表示计算的结果.
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V get()
: 获取计算完成的结果。
1 public class ThreadPoolDemo2 { 2 public static void main(String[] args) throws Exception { 3 // 创建线程池对象 4 ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);//包含2个线程对象 5 6 // 创建Runnable实例对象 7 Callable<Double> c = new Callable<Double>() { 8 @Override 9 public Double call() throws Exception { 10 return Math.random(); 11 } 12 }; 13 14 // 从线程池中获取线程对象,然后调用Callable中的call() 15 Future<Double> f1 = service.submit(c); 16 // Futur 调用get() 获取运算结果 17 System.out.println(f1.get()); 18 19 Future<Double> f2 = service.submit(c); 20 System.out.println(f2.get()); 21 22 Future<Double> f3 = service.submit(c); 23 System.out.println(f3.get()); 24 } 25 }
6.死锁
6.1什么是死锁
死锁,就是指两个线程都在等待彼此先完成,造成了程序的停滞状态,一般程序的死锁都是在程序的运行时出现的。
以下是死锁代码:
1 public class Demo05 { 2 public static void main(String[] args) { 3 MyRunnable mr = new MyRunnable(); 4 5 new Thread(mr).start(); 6 new Thread(mr).start(); 7 } 8 } 9 10 class MyRunnable implements Runnable { 11 Object objA = new Object(); 12 Object objB = new Object(); 13 14 /* 15 嵌套1 objA 16 嵌套1 objB 17 嵌套2 objB 18 嵌套1 objA 19 */ 20 @Override 21 public void run() { 22 synchronized (objA) { 23 System.out.println("嵌套1 objA"); 24 synchronized (objB) {// t2, objA, 拿不到B锁,等待 25 System.out.println("嵌套1 objB"); 26 } 27 } 28 29 synchronized (objB) { 30 System.out.println("嵌套2 objB"); 31 synchronized (objA) {// t1 , objB, 拿不到A锁,等待 32 System.out.println("嵌套2 objA"); 33 } 34 } 35 } 36 }
总结:死锁就是多个线程互相进入僵持状态,互相在等待对方释放资源。死锁是危险的,死锁以后只能重启或者想办法释放资源。在开发过程中需要考虑避免死锁的出现。