Java多线程

Java多线程

基本概念

程序：指令和数据的有序集合，本身没有任何运行的含义，是一个静态的概念

进程：执行程序的一次执行过程，是一个动态的概念。是系统资源分配的单位。

通常，一个进程会包含若干个线程，且一个进程至少有一个线程，不然就没有存在的意义。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，因为切换的很快，所有就有同时执行的错觉

总结：

• 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（垃圾回收线程）
• 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的调度时间，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

线程创建

三种创建方式：

• 继承Thread类

  1. 自定义线程类继承Thread类
  2. 重写run()方法
  3. 创建线程对象，调用start()方法启动线程
  • 子类继承Thread类具备多线程能力
  • 启动线程：子类对象
  • 不建议使用：避免OOP单继承的局限性

• 实现Runnable接口

  1. 定义MyRunnable类实现Runnable接口
  2. 实现run()方法，编写线程执行体
  3. 创建线程对象，调用start()方法启动线程
  • 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，方便同一个对象被多个线程使用

• 实现Callable接口

Lamda表达式

• 避免匿名内部类定义过多
• 实质属于函数式编程的概念

(params)->expression
(params)->statement
(params)->{statements}

静态代理

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

线程状态

• Thread t = new Thread()线程状态一旦创建就进入新生状态
• 当调用start()方法，线程立即进入就绪状态，但不意味着立即调度执行
• 调度线程使之进入运动状态，这时，线程才真正执行线程体的代码块
• 当调用sleep、wait或同步锁定时，线程进入阻塞状态，就是代码不往下执行，阻塞事件解除后，重新进入就绪状态，等待CPU调度执行
• 线程中断或者结束，一旦进入死亡状态，就不能再次启动

线程停止

• 不推荐使用JDK提供的stop()、destroy()方法
• 推荐线程自己停下来（利用次数）
• 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时间到达后线程进入就绪状态
• sleep可以模拟网络延时，倒计时等
  • 模拟网络延时：放大问题的发生性
• 每一个对象都有一个锁，sleep不会释放锁

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

线程强制执行

• 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

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
• 使用以下方式改变或获取优先级
  • getPriority()
  • setPriority(int xxx)

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，垃圾回收等等。。。

线程同步

多个线程操作同一个资源（并发）

• 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，等待前面的线程使用完毕，下一个线程再使用

• 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他锁，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它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花和调度延迟，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，会导致优先级别倒置，引起性能问题

同步方法

• 由于我们可以通过private关键字来保证数据对象只能被方法访问，所以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，它包含两种用法：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

• 方法里面需要修改的内容才需要锁，锁的太多会浪费资源

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

synchronized 默认锁的是this，锁的对象应为变化的量（即需要增删改的量）

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

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，在未使用完成之前，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

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，每次只能由一个线程对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，可以显示加锁、释放锁

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只有代码块锁，synchronized由代码块锁和方法锁

• 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 > 同步块代码（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

• 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，生产者将出产出来的产品放入仓库，消费者将仓库中的产品取走消费
  • 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，知道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，知道仓库中再次放入产品为止

• 分析

  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

  方法名	作用
  wait()	表示线程一直等待，知道其他线程通知，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，都只能用在同步方法或者同步代码块中，否则会抛出异常IIIegalMonitorStateException

• 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

• 解决方式2

  并发协作模型“生产者/消费者模式”-->信号灯法

  通过标志位判断

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。类似生活中的交通工具

• 好处：

  • 提高相应速度（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

• 使用线程池

  • 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
    • < T >Future< T >submit(Callable< T > task)：执行任务，有返回值，一般又来执行Callable
    • void shutdown()：关闭线程池
  • 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