Java多线程详解

Java多线程详解，

学习视频-狂神说Java多线程详解：视频链接

Java多线程详解

  • Java.Thread

线程简介

任务，进程，线程，多线程

普通方法调用和多线程

多线程简图

程序、进程、线程

  • 进程：操作系统中有运行的程序就是进程；

  • 线程：一个进程可以有多个线程，视频中同时听声音，看图像，看弹幕，等等

Process与Thread

  • 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

  • 进程：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

  • 线程：一个进程包含若干个线程；一个进程应该至少有一个线程，不然没有存在的意义。线程是CPU调度和执行的单位

  • 注意：很多多线程的模拟出来的，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。

本章核心概念

  • 线程就是独立的执行路径

  • 在程序运行时，即使没有创建自己的线程，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，用于执行的整个程序

  • 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

线程实现（重点）线程创建

三种创建方式

  • Thread class →→→ 继承Thread（重点）

  • Runnable接口 →→→ 实现Runnable接口（重点）

  • Callable接口 →→→ 实现Callable接口（了解）

Thread

学习提示：查看JDK帮助文档

  • 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

  • 线程不一定立即执行，CPU安排调度

  • 总结：注意，线程开启不一定立即执行，由CPU调度执行

    //创建线程方式一：继承Thread类，重写run()方法，调用start开启线程
public class TestThread extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        //run方法线程体
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            System.out.println("run方法线程体--"+i);
        }
    }
    //main线程，主线程
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个线程对象
        TestThread testThread = new TestThread();
        //调用start()方法开启线程
        testThread.start();
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            System.out.println("main主线程--"+i);
        }
    }
}
案例：下载图片

需要commons-io的jar包：jar包下载教程

jar包下载地址：Commons IO

import org.apache.commons.io.FileUtils;

import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.net.URL;

//练习Thread，实现多线程同步下载图片
public class TestThread extends Thread{
    private String url; //网络图片地址
    private String name; //保存的文件名
    public TestThread(String url,String name){
        this.url=url;
        this.name=name;
    }
    //下载图片,线程的执行体
    @Override
    public void run() {
        WebDownloader webDownloader = new WebDownloader();
        webDownloader.downloader(url,name);
        System.out.println("下载了图片,文件名为:"+name);
    }
    public static void main(String[] args) {
        String url1 = "https://csdnimg.cn/release/blogv2/dist/pc/img/original.png";
        String url2 = "https://pic.cnblogs.com/face/1418974/20181015113902.png";
        String url3 = "https://img-home.csdnimg.cn/images/20201124032511.png";
        TestThread t1 = new TestThread(url1, "1.png");
        TestThread t2 = new TestThread(url2, "2.png");
        TestThread t3 = new TestThread(url3, "3.png");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}
//下载器
class WebDownloader{
    //下载方法
    public void downloader(String url,String name){
        try {
            FileUtils.copyURLToFile(new URL(url),new File(name));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("IO异常,downloader方法出现问题");
        }
    }
}
实现Runnable

  • 定义MyRunnable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

  • 推荐使用Runnable对象，因为Java单继承的局限性

//创建线程方式二: 实现Runnable接口, 重写run方法,执行线程需要丢入runnable接口实现类,调用start方法
public class TestThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        //run方法线程体
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            System.out.println("run方法线程体--"+i);
        }
    }
    //main线程，主线程
    public static void main(String[] args) {
        //创建runnable接口的实现类对象
        TestThread testThread = new TestThread();
        //创建线程对象,通过线程对象来开启我们的线程,代理
        new Thread(testThread).start();
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            System.out.println("main主线程--"+i);
        }
    }
}
案例：下载图片
import org.apache.commons.io.FileUtils;

import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.net.URL;

//练习Thread，实现多线程同步下载图片
public class TestThread implements Runnable{
    private String url; //网络图片地址
    private String name; //保存的文件名
    public TestThread(String url,String name){
        this.url=url;
        this.name=name;
    }
    //下载图片,线程的执行体
    @Override
    public void run() {
        WebDownloader webDownloader = new WebDownloader();
        webDownloader.downloader(url,name);
        System.out.println("下载了图片,文件名为:"+name);
    }
    public static void main(String[] args) {
        String url1 = "https://csdnimg.cn/release/blogv2/dist/pc/img/original.png";
        String url2 = "https://pic.cnblogs.com/face/1418974/20181015113902.png";
        String url3 = "https://img-home.csdnimg.cn/images/20201124032511.png";
        TestThread t1 = new TestThread(url1, "1.png");
        TestThread t2 = new TestThread(url2, "2.png");
        TestThread t3 = new TestThread(url3, "3.png");
        new Thread(t1).start();
        new Thread(t2).start();
        new Thread(t3).start();
    }
}
//下载器
class WebDownloader{
    //下载方法
    public void downloader(String url,String name){
        try {
            FileUtils.copyURLToFile(new URL(url),new File(name));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("IO异常,downloader方法出现问题");
        }
    }
}
小结

  • 继承Thread类

    • 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

    • 实现接口Runnable具有多线程能力

    • 启动线程：传入目标对象+Thread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

      //一份资源
TestThread testThread = new TestThread();
//多个代理
new Thread(testThread,"糖果").start();
new Thread(testThread,"思雨").start();
new Thread(testThread,"淑敏").start();

    • 案例：买火车票

      //多个线程同时操作同一个对象
//买火车票
//发现问题:多个线程操作同一个资源的情况下,线程不安全,数据紊乱
public class TestThread implements Runnable{
    //票数
    private int ticketNums = 10;

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            if (ticketNums <= 0) {
                break;
            }
            //模拟延时
            try {
                Thread.sleep(200);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->拿到了第"+ticketNums--+"张票");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        TestThread ticket = new TestThread();
        new Thread(ticket,"小明").start();
        new Thread(ticket,"老师").start();
        new Thread(ticket,"小红").start();
    }
}
案例：龟兔赛跑-Race

  1. 首先来个赛道距离，然后要离终点越来越近

  2. 判断比赛是否结束

  3. 打印出胜利者

  4. 龟兔赛跑开始

  5. 故事中是乌龟赢的，兔子需要睡觉，所以我们来模拟兔子

  6. 终于，乌龟赢得比赛

    //模拟龟兔赛跑
public class Race implements Runnable{
    //胜利者
    private static String winner;
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
            if (Thread.currentThread().getName().equals("兔子") && i%10==0){
                try {
                    Thread.sleep(40);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (Thread.currentThread().getName().equals("乌龟")){
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            //判断比赛是否结束
            boolean flag = gameOver(i);
            //如果比赛结束了就停止程序
            if (flag){
                break;
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->跑了"+i+"步");
        }
    }
    //判断是否完成比赛
    private boolean gameOver(int steps){
        //判断是否有胜利者
        if (winner!=null){ //已经存在胜利者
            return true;
        }{
            if (steps>=100){
                winner=Thread.currentThread().getName();
                System.out.println("winner is"+winner);
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Race race = new Race();
        new Thread(race,"兔子").start();
        new Thread(race,"乌龟").start();
    }
}
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();

  8. 演示：利用callable改造下载图片案例

    import org.apache.commons.io.FileUtils;

import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.net.URL;
import java.util.concurrent.*;

//创建线程方式二: 实现Runnable接口
/*
callable的好处
1.可以定义返回值
2.可以抛出异常
 */
public class TestCallable implements Callable<Boolean> {
    private String url; //网络图片地址
    private String name; //保存的文件名
    public TestCallable(String url,String name){
        this.url=url;
        this.name=name;
    }
    //下载图片,线程的执行体
    @Override
    public Boolean call() {
        WebDownloader webDownloader = new WebDownloader();
        webDownloader.downloader(url,name);
        System.out.println("下载了图片,文件名为:"+name);
        return true;
    }
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        String url1 = "https://csdnimg.cn/release/blogv2/dist/pc/img/original.png";
        String url2 = "https://pic.cnblogs.com/face/1418974/20181015113902.png";
        String url3 = "https://img-home.csdnimg.cn/images/20201124032511.png";
        TestCallable t1 = new TestCallable(url1, "1.png");
        TestCallable t2 = new TestCallable(url2, "2.png");
        TestCallable t3 = new TestCallable(url3, "3.png");
        // 创建执行服务：
        ExecutorService ser = Executors.newFixedThreadPool(3);
        // 提交执行：
        Future<Boolean> r1 = ser.submit(t1);
        Future<Boolean> r2 = ser.submit(t2);
        Future<Boolean> r3 = ser.submit(t3);
        // 获取结果：
        boolean rs1 = r1.get();
        boolean rs2 = r2.get();
        boolean rs3 = r3.get();
        System.out.println(rs1);
        System.out.println(rs2);
        System.out.println(rs3);
        // 关闭服务：
        ser.shutdownNow();
    }
}
//下载器
class WebDownloader{
    //下载方法
    public void downloader(String url,String name){
        try {
            FileUtils.copyURLToFile(new URL(url),new File(name));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("IO异常,downloader方法出现问题");
        }
    }
}
静态代理
  • 静态代理：是线程底部的实现原理

演示：实现静态代理对比Thread

//静态代理模式
//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:
    //代理对象可以做很多真实对象做不了的事情
    //真实对象专注做自己的事情
public class StaticProxy {
    public static void main(String[] args) {
        You you = new You(); //你要结婚
        // 下面这行创建线程:就用到了静态代理
        // new Thread( ()-> System.out.println("我爱你") ).start();
        // 下面的HappyMarry()方法,使用原理，类似线程中的run()方法
        new WeddingCompany(you).HappyMarry();
    }
}
interface Marry{
    //人间四大喜事
        //久旱逢甘霖
        //他乡遇故知
        //洞房花烛夜
        //金榜题名时
    void HappyMarry();
}
//真实角色,你去结婚
class You implements Marry{
    @Override
    public void HappyMarry() {
        System.out.println("和心爱的人结婚,超级开心");
    }
}
//代理角色,帮助你结婚
class WeddingCompany implements Marry{
    //代理目标-->真实目标角色
    private Marry target;
    public WeddingCompany(Marry target) {
        this.target = target;
    }
    @Override
    public void HappyMarry() {
        before();
        this.target.HappyMarry(); //这就是真实对象
        after();
    }

    private void after() {
        System.out.println("结婚之后,收尾款");
    }

    private void before() {
        System.out.println("结婚之前,布置现场");
    }
}
Lamda表达式

  • λ希腊字母表中排序第十一位的字母，英文名称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) ->

    • a->System.out.println("I like lambda-->"+a);

    • new Thread( ()-> System.out.println("多线程学习。。。") ).start();

  • 理解Functional Interface（函数式接口）失血性Java8 lambda表达式的根据所在

  • 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

    • 对于函数式接口，我们可以通过lambda表达式来创建该接口的对象

      package com.tang.lambda;
/*
    推导lambda表达式
 */
public class TestLambda1 {
    //3.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(); //2.实现类的创建
        like.lambda();

        like = new Like2(); //3.静态内部类的创建
        like.lambda();
        //4.局部内部类
        class Like3 implements ILike{
            @Override
            public void lambda() {
                System.out.println("I like lambda3");
            }
        }
        like = new Like3(); //4.局部内部类的创建
        like.lambda();
        //5.匿名内部类, 没有类的名称, 必须借助接口或者父类
        like = new ILike() {
            @Override
            public void lambda() {
                System.out.println("I like lambda4");
            }
        };
        like.lambda();
        //6.用lambda简化
        like = ()->{
            System.out.println("I like lambda5");
        };
        like.lambda();
    }
}
//1.定义一个函数式接口
interface ILike{
    void lambda();
}
//2.实现类
class Like implements ILike{
    @Override
    public void lambda() {
        System.out.println("I like lambda1");
    }
}

  • 为什么要使用lambda表达式

    • 避免匿名内部类定义过多

    • 可以让你的代码看起来很简洁

    • 去掉了一堆没有意义的代码，只留下核心的逻辑

  • lambda表达式，多使用就习惯了

    package com.tang.lambda;
/*
    推导lambda表达式
 */
public class TestLambda2 {
    public static void main(String[] args) {
        //lambda表达式简化
        ILove love = (a,b)->{
            System.out.println("I love you-->"+a);
            System.out.println("I love you-->"+b);
        };
        /*
        总结:
            lambda表达式只能有一行代码的情况下才能去掉花括号,简化成为一行, 如果有多行代码不能去掉花括号
            使用前提:接口是函数式接口
            多个参数也可以去掉参数类型, 参数类型要去掉就都去掉, 必须加上括号
         */
        love.love(520,502);
    }
}
//1.定义一个函数式接口
interface ILove{
    void love(int a, int b);
}

线程状态

多线程占用CPU资源简图

线程五大状态

线程五大状态1

线程五大状态2

线程方法

线程方法

线程停止

  • 不推荐使用JDK提供的stop()、destroy()方法。【已废弃】

  • 推荐线程自己停止下来

  • 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

    package com.tang.state;
/*
测试Stop
1.建议线程正常停止--->利用次数, 不建议死循环
2.建议使用标志位--->设置一个标志位
3.不要使用stop或者destroy等过时或者JDK不建议使用的方法
 */
public class TestStop implements Runnable{
    //1.设置标志位
    private boolean flag = true;
    @Override
    public void run() {
        int i = 0;
        while (flag){
            System.out.println("run...Thread"+i++);
        }
    }
    //2.设置一个公开的方法停止线程,转换标志位
    public void stop(){
        this.flag = false;
    }
    public static void main(String[] args) {
        TestStop testStop = new TestStop();
        new Thread(testStop).start();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            System.out.println("main"+i);
            if (i==900){
                //调用stop方法切换标志位,让线程停止
                testStop.stop();
                System.out.println("run子线程该停止了");
            }
        }
    }
}
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

    package com.tang.state;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
//模拟倒计时
public class TestSleep2{
    public static void main(String[] args) {
        //打印当期系统时间
        Date startTime = new Date(System.currentTimeMillis()); //获取系统当前时间
        while (true){
            try {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(startTime));
                startTime = new Date(System.currentTimeMillis()); //更新当前时间
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    //十秒倒计时
    public static void tenDown() throws InterruptedException {
        int num = 10;
        while (true){
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(num--);
            if (num<=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

  • yield礼让

    package com.tang.state;
//测试礼让线程
//礼让不一定成功,看CPU心情
public class TestYield {
    public static void main(String[] args) {
        MyYield myYield = new MyYield();
        new Thread(myYield,"a").start();
        new Thread(myYield,"b").start();
        new Thread(myYield,"c").start();
    }
}
class MyYield implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程start执行");
        Thread.yield(); //礼让
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程stop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

    package com.tang.state;

//测试join方法,想象成插队
public class TestJoin implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            System.out.println("线程VIP来了"+i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //启动我们的线程
        TestJoin testJoin = new TestJoin();
        Thread thread = new Thread(testJoin);
        thread.start();

        //主线程
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            if (i==200){
                thread.join(); //插队
            }
            System.out.println("main"+i);
        }
    }
}
线程状态观测

  • 查看JDK帮助文档

  • Thread.State

    • 线程状态。线程可以处于以下状态之一

      • NEW→new

        • 未启动的线程

      • RUNNABLE→runnable

        • Java虚拟机中执行的线程处于此状态

      • BLOCKED→blocked

        • 被阻塞等待监视器锁定的线程处于此状态

      • WAITING→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→timedWaiting

        • 正常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→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状态的虚拟机状态

      package com.tang.state;
//观察测试线程的状态
public class TestState {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 1000; 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(); //启动线程
        state = thread.getState();
        System.out.println(state); //RUNNABLE

        while (state != Thread.State.TERMINATED){//只要线程不终止,就一直输出状态
            Thread.sleep(100);
            state = thread.getState(); //更新线程状态
            System.out.println(state); //输出状态
        }
    }
}
线程的优先级

  • Java提供一个线程调度器来监视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;

  • 使用以下方式改变或获取优先级

    • getPriority().setPriority(int xxx);

  • 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，这都是看CPU的调度

  • 优先级的设定建议在start()调度前

    package com.tang.state;

//测试线程的优先级
public class TestPriority {
    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(3);
        t3.start();

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

        t5.setPriority(8);
        t5.start();

        t6.setPriority(6);
        t6.start();


    }
}
class MyPriority implements Runnable{

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

线程同步（重点）

多个线程操作同一个资源

并发
  • 并发：同一个对象被多个线程同时操作
线程同步

  • 处理多线程问题时，多个线程访问同一个对象，并且某些线程还想修改这个对象，这时候我们就需要线程同步，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

  • 形成条件：队列+锁

  • 由于同一个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

同步方法

  • 由于我们通过private关键字来保证数据对象只能被方法访问，所有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 method(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方法都必须获得调用该方法的对象的锁才能执行，否则线程会阻塞，方法一旦执行，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：若将一个大的方法申明为synchronized将会影响效率

    • 案例：买票

      package com.tang.syn;

//不安全的买票
//线程不安全,有负数
//synchronized锁,解决
public class UnsafeBuyTicket {
    public static void main(String[] args) {
        BuyTicket station = new BuyTicket();

        new Thread(station,"学生").start();
        new Thread(station,"老师").start();
        new Thread(station,"贪财鬼").start();
    }
}
class BuyTicket implements Runnable{

    //票
    private int ticketNums = 1000;
    boolean flag = true; //外部停止方式
    @Override
    public void run() {
        //买票
        while (flag){
            try {
                buy();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    //synchronized 同步方法, 锁的是this
    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"+ticketNums--);
    }
}
同步方法弊端
  • 方法中需要修改的内容才需要锁，锁的太多，浪费资源
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

      • 案例：银行存款

        package com.tang.syn;

//不安全的取钱
//synchronized锁,解决
//两个人去银行取钱,账户
public class UnsafeBank {
    public static void main(String[] args) {
        //账户
        Account account = new Account(1000, "结婚基金");
        Drawing you = new Drawing(account,50,"你");
        Drawing mother = new Drawing(account,100,"妈妈");
        you.start();
        mother.start();
    }
}
//账户
class Account{
    int money; //余额
    String name; //卡名

    public Account(int money, String name) {
        this.money = money;
        this.name = name;
    }
}
//银行:模拟取钱
class Drawing extends Thread{
    Account account; //账户
    //取了多少钱
    int drawingMoney;
    //现在手里有多少钱
    int nowMoney;
    public Drawing(Account account, int drawingMoney, String name){
        super(name);
        this.account = account;
        this.drawingMoney = drawingMoney;
    }

    //取钱
    //synchronized 默认锁的是this.
    @Override
    public void run() {
        //锁的对象就是变化的量,需要增删改的对象
        synchronized (account) {
            //判断有没有钱
            if (account.money - drawingMoney < 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "钱不够,取不了");
                return;
            }
            //sleep可以放大问题的发生性
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            //卡内余额 = 余额 - 你取的钱
            account.money = account.money - drawingMoney;
            //你手里的钱
            nowMoney = nowMoney + drawingMoney;

            System.out.println(account.name + "余额为:" + account.money);
            //Thread.currentThread().getName() =
            System.out.println(this.getName() + "手里的钱:" + nowMoney);
        }
    }
}

      • 案例：创建线程集合

        package com.tang.syn;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

//线程不安全的集合
//synchronized锁,解决
public class UnsafeList {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(() -> {
                synchronized (list){
                    list.add(Thread.currentThread().getName());
                }
            }).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(list.size());
    }
}
拓展JUC包

  • java.util.concurrent

  • 下面代码：可以理解成本身自带锁

    package com.tang.syn;

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

//测试JUC安全类型的集合
public class TestJUC {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }
        /*
        延时和不延时打印结果不一样,
            原因:如果不延时,最后几个线程还未添加进list集合,
            主线程已经结束for循环,向下执行代码,打印list集合的长度,
            此时打印的list集合的长度并不是最终长度
         */
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(list.size());
    }
}
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，都停止执行的情形，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

    package com.tang.thread;

//死锁：多个线程互相抱着对方需要的资源，然后想成僵持
public class DeadLock {
    public static void main(String[] args) {
        Makeup g1 = new Makeup(0,"灰姑娘");
        Makeup g2 = new Makeup(1,"白雪公主");
        g1.start();
        g2.start();
    }
}
//口红
class Lipstick{}
//镜子
class Mirror{}
//化妆
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();
        }
    }
    //化妆,互相持有对方的锁
    private void makeup() throws InterruptedException {
        if (choice==0){
            synchronized (lipstick){//获得口红的锁
                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：一个进程只请求资源而阻塞时，对已经获得的资源保存不放

    3. 不剥夺条件：进程以获得的资源，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

  • 上面列出了产生死锁的四个必要条件，我们只要想办法破其中任意一个或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Reentrant Lock，可以显式加锁、释放锁。ReentrantLock→可重入锁

    package com.tang.gaoji;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

//测试Lock锁
public class TestLock {
    public static void main(String[] args) {
        TestLock2 testLock2 = new TestLock2();
        new Thread(testLock2,"tt").start();
        new Thread(testLock2,"yy").start();
        new Thread(testLock2,"mm").start();
    }
}
class TestLock2 implements Runnable{

    int tickNums = 10;

    //定义Lock锁
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            try {
                lock.lock(); //加锁
                if (tickNums>0){
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获得了第"+tickNums--+"张票");
                }else {
                    break;
                }
            } finally {
                //解锁
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

Lock锁

synchronized与lock的对比

  • Lock是显示锁（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只要代码块锁，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，并且具有更好的扩展性（提供更多的子类）

  • 有限使用顺序：

    • 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/通信

  • 生产者消费者模式
线程通信

  • 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

    • 如果仓库中方有产品，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

这是一个线程同步问题，生产者和消费者共享一个资源，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）

解决方法

  • Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题

    方法名 作用
    wait() 表示线程一直等待，直到其他线程通知，与sleep不同，会释放锁
    wait(long timeout) 指定等待的毫秒数
    notify 唤醒一个处于等待状态的线程
    notifyAll() 唤醒同一个对象上所有调用wait()方法的线程，优先级别高的线程优先调度

    注意：均是Object类的方法，都只能在同步方法或者同步代码块中使用，否则会抛出异常IllegalMonitorStateException

解决方式1

并发协作模式“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，它们之间有个“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

    • Producer（生产者）→数据缓存区→Consumer（消费者）
    package com.tang.gaoji;

//测试：生产者消费者模型--->利用缓冲区解决:管程法
//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 Producer(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}

//生产者
class Producer extends Thread{
    SynContainer container;

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

    //生产
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; 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 = 1; i <= 100; i++) {
            System.out.println("消费了-->"+container.pop().id+"只鸡");
        }
    }
}

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

    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
        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++;
        System.out.println("Producer生产了一只鸡,现在鸡的数量:"+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];
        System.out.println("Consumer吃了一只鸡,现在鸡的数量:"+count);
        //吃了一个,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

    package com.tang.gaoji;

//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 true
    //观众观看,演员等待 false
    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.voice = voice;
        this.notifyAll();//通知唤醒
        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;
    }
}

高级主题

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

使用：

  • JDK5.0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

      package com.tang.gaoji;

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

//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());
        //2.关闭连接
        service.shutdownNow();
    }
}
class MyThread implements Runnable{

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

    • Future submit(Callable task)：执行任务，有返回值，一般用来执行Callable

    • 可以看前面的Callable改造下载图片案例

      package com.tang.gaoji;

import java.util.concurrent.*;

//测试线程池
public class TestPool2 {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        //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
        Future<Boolean> r1 = service.submit(new MyCallable());
        Future<Boolean> r2 = service.submit(new MyCallable());
        Future<Boolean> r3 = service.submit(new MyCallable());
        //获取结果
        Boolean rs1 = r1.get();
        Boolean rs2 = r2.get();
        Boolean rs3 = r3.get();
        //输出结果
        System.out.println(rs1);
        System.out.println(rs2);
        System.out.println(rs3);
        //2.关闭连接
        service.shutdownNow();
    }
}
class MyCallable implements Callable<Boolean> {

    @Override
    public Boolean call() throws Exception {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        return true;
    }
}

    • 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

回顾总结

package com.tang.gaoji;

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

//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;
    }
}
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