多线程

1、线程概述

• 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，因为切换的很快，所以就有同时执行的错觉。

• 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

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2、线程实现

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2.1、Thread

• 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

public class StartThread extends Thread{
    //线程入口
    @Override
    public void run(){
    //线程体
    }
    public static void main(String[] args){
        //创建线程对象
        StartThread t = new StartThread();
        t.start();
    }
}

• 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

2.2、Runnable

• 自定义线程类实现Runnable接口
• 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

public class StartThread implements Runnable{
    //线程入口
    @Override
    public void run(){
    //线程体
    }
    public static void main(String[] args){
        //创建线程对象
        StartThread t = new StartThread();
        //创建代理类对象
        Thread thread = new Thread(t,"线程1");
        //启动
        thread.start();
    }
}

• 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

2.3、Callable

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<Boolean> result1 = ser.submit(t1);

6. 获取结果：boolean r1 = result1.get();

7. 关闭服务：ser.shutdownNow();

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3、线程状态

方法	描述
setPriority(int newPriority)	更改线程优先级
static void sleep(long millis)	在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠
void join()	等待该线程终止
static void yield()	暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程
void interrupt()	中断线程，别用这个方式
boolean isAlive()	测试线程是否处于活动状态

3.1、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。

public class TextThread implements Runnable{
    //标志位
    private boolean flag=true;
    @Override
    public void run() {
        //线程中使用标志
        while (flag){
 
        }
    }
    
    //改变标识方法
    public void stop(){
        this.flag=false;
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        TextThread textThread = new TextThread();
        new Thread(textThread).start();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            if(i==900){
                textThread.stop();
            }
        }
    }
}

3.2、线程休眠sleep

• 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；

3.3、线程礼让yield

• 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

3.4、线程强制执行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

3.5、观测线程状态

Thread.State

3.6、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.

• 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

3.7、守护线程daemon

• 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..

//设置守护线程
thread.setDaemon(true);//默认是false表示用户线程，正常线程都是用户线程

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4、线程同步

4.1、并发

同一个对象被多个线程同时操作

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

4.2、队列和锁

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

4.3、同步方法

由于可以通过 private 关键字来保证数据对象只能被方法访问 , 所以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

方法里面有需要修改的内容才需要锁, 锁的太多浪费资源

4.4、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

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

4.5、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 , 就可能会发生 “ 死锁 ” 的问题

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阻塞时，对已获得的资源保持不放。

3. 不剥夺条件 : 进程已获得的资源，在末使用完之前，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。

4.6、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。

class A{
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void m(){
        lock.lock();//加锁
        try{
            //保证线程安全的代码
        }
        finally{
            lock.unlock();//释放锁
        }
    }
}

4.7、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）

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5、线程协作

5.1、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 。

这是一个线程同步问题,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)

• Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题

方法	描述
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lllegalMonitorStateException

【管程法】

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

public class TextCommunication {
    public static void main(String[] args) {
        SynContainer container = new SynContainer();
 
        new Production(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}
 
//生产者
class Production extends Thread{
    SynContainer container;
    public Production(SynContainer container){
        this.container=container;
    }
 
    @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;
    }
    @Override
    public void run(){
        for (int i = 0; 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{
    //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){
        //容器满了需要等待消费者消费
        if(count== chickens.length){
            //生产者等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
 
        //容器没有满则放入产品
        chickens[count++]=chicken;
 
        //通知消费者消费
        this.notifyAll();
    }
 
    //消费者消费产品
    public synchronized Chicken pop(){
        //容器空了消费者停止消费
        if(count==0){
            //消费者等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
 
        //容器未空则拿出产品
        Chicken chicken= chickens[--count];
 
        //通知生产者生产
        this.notifyAll();
        return chicken;
    }
}

【信号灯法】

设置标志位

public class Text2 {
    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("啦啦啦");
            }else {
                this.tv.play("哈哈哈");
            }
        }
    }
}
//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
    //观众观看，演员等待
    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) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
        System.out.println("演员表演了:"+voice);
        //通知观众观看
        this.notifyAll();
        this.voice=voice;
        this.flag=!this.flag;
    }
 
    //观看
    public synchronized  void watch(){
        if(flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
        System.out.println("观众观看了："+voice);
        //通知演员表演
        this.notifyAll();
        this.flag=!this.flag;
    }
}

5.2、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

• <T> Future<T> submit(Callable task)：执行任务，有返回值，一般又来执行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

//创建服务，创建线程池
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
 
//执行
service.execute(new MyThread());
service.execute(new MyThread());
service.execute(new MyThread());
 
//关闭连接
service.shutdown();
 
class MyThread implements Thread{
    @Override
    Public void run(){
        
    }
}