多线程
程序、进程、线程
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程序(program)是为完成特定任务、用某种语言编写的一组指令的集合。即指一 段静态的代码,静态对象。
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进程(process)是程序的一次执行过程,或是正在运行的一个程序。是一个动态 的过程:有它自身的产生、存在和消亡的过程。——生命周期
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如:运行中的QQ,运行中的MP3播放器
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程序是静态的,进程是动态的
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进程作为资源分配的单位,系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域
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线程(thread),进程可进一步细化为线程,是一个程序内部的一条执行路径。
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若一个进程同一时间并行执行多个线程,就是支持多线程的
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线程作为调度和执行的单位,每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器(pc),线程切换的开销小
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一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间它们从同一堆中分配对象,可以 访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患。
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单核CPU和多核CPU的理解
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单核CPU,其实是一种假的多线程,因为在一个时间单元内,也只能执行一个线程 的任务。
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如果是多核的话,才能更好的发挥多线程的效率。(现在的服务器都是多核的)
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一个Java应用程序java.exe,其实至少有三个线程:main()主线程,gc()垃圾回收线程,异常处理线程。当然如果发生异常,会影响主线程。
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并行与并发
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并行:多个CPU同时执行多个任务。比如:多个人同时做不同的事。
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并发:一个CPU(采用时间片)同时执行多个任务。比如:秒杀、多个人做同一件事。
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使用多线程的优点
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提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义,可增强用户体验。
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提高计算机系统CPU的利用率
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改善程序结构。将既长又复杂的进程分为多个线程,独立运行,利于理解和修改
何时需要多线程
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程序需要同时执行两个或多个任务。
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程序需要实现一些需要等待的任务时,如用户输入、文件读写操作、网络操作、搜索等。
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需要一些后台运行的程序时。
线程的创建和使用
Thread
类
Java语言的JVM允许程序运行多个线程,它通过
java.lang.Thread
类来体现。
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Thread类的特性
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每个线程都是通过某个特定Thread对象的run()方法来完成操作的,经常 把run()方法的主体称为线程体
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通过该Thread对象的start()方法来启动这个线程,而非直接调用run()
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线程创建方式一
继承Thread
类
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创建一个继承于Thread类的子类
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重写Thread类的run() --> 将此线程执行的操作声明在run()中
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创建Thread类的子类的对象
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通过此对象调用start()
注意点:
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如果自己手动调用run()方法,那么就只是普通方法,没有启动多线程模式。
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run()方法由JVM调用,什么时候调用,执行的过程控制都有操作系统的CPU 调度决定。
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想要启动多线程,必须调用start方法。
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一个线程对象只能调用一次start()方法启动,如果重复调用了,则将抛出以上 的异常
IllegalThreadStateException
。
/** * @program: FirstDemo * @description: 多线程 * @author: GuoTong * @create: 2020-08-21 09:24 **/ public class day9 { public static void main(String[] args) { //方式一 TestMoreThread testMoreThread = new TestMoreThread(); TestMoreThread2 testMoreThread2 = new TestMoreThread2(); testMoreThread2.start(); /* new Thread(){ @Override public void run() { for (int i = 1;i<=100;i+=2){ System.out.println("0~100奇数:"+i); } } }.start();*/ /* new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("获取当前线程:"+Thread.currentThread().getName()); } }).start();*/ //设置线程的优先级:同优先级线程组成先进先出队列(先到先服务),使用时间片策略,对高优先级,使用优先调度的抢占式策略 //注意:低优先级只是获得调度的概率低,并非一定是在高优先级线程之后才被调用 testMoreThread.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);//MIN_PRIORITY:1 testMoreThread2.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);//MAX_PRIORITY:10 //默认的优先级:NORM_PRIORITY:5 //获取当前线程的优先级 Thread.currentThread().getPriority(); //获取线程的名字 testMoreThread.getName(); //设置线程的名字 testMoreThread2.setName("线程二"); testMoreThread.start(); //判断线程是否还纯在 testMoreThread.isAlive(); //让其它线程执行: try { /* 当某个程序执行流中调用其他线程的 join() 方法时,调用线程将 被阻塞, 直到 join() 方法加入的 join 线程执行完为止低优先级的线程也可以获得执行 */ testMoreThread2.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } //方式二 实现Runnable接口 TestRunnable testRunnable = new TestRunnable(); new Thread(testRunnable).start();//实现Runnable接口并不能直接靠实现类去启动线程,还需要借助Thread类去实现启动线程 //调用Thread的有参构造,来启动线程 // } }
class TestMoreThread extends Thread { @Override public void run() { for (int i = 0; i <= 100; i += 2) { if (i == 20) yield();//线程礼让,不一定成功 System.out.println("0~100偶数:" + i); } } } class TestMoreThread2 extends Thread { @Override public void run() { for (int i = 1; i <= 100; i += 2) { //线程睡眠 try { sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("0~100奇数:" + i); } } } class TestRunnable implements Runnable { @Override public void run() { //Thread.currentThread():获取当前线程 System.out.println("T" + Thread.currentThread().getName()); } }
Thread
类常用方法
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void start(): 启动线程,并执行对象的run()方法
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run(): 线程在被调度时执行的操作
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String getName(): 返回线程的名称
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void setName(String name):设置该线程名称
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static Thread currentThread(): 返回当前线程。在Thread子类中就是this,通常用于主线程和Runnable实现类
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static void yield():线程让步
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暂停当前正在执行的线程,把执行机会让给优先级相同或更高的线程
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若队列中没有同优先级的线程,忽略此方法
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join() :当某个程序执行流中调用其他线程的 join() 方法时,调用线程将 被阻塞,直到 join() 方法加入的 join 线程执行完为止低优先级的线程也可以获得执行
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static void sleep(long millis):(指定时间:毫秒)
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令当前活动线程在指定时间段内放弃对CPU控制,使其他线程有机会被执行,时间到后 重排队。
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抛出
InterruptedException
异常
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stop(): 强制线程生命期结束,不推荐使用
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boolean isAlive():返回boolean,判断线程是否还活着
线程调度(优先级)
Java的调度方法
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同优先级线程组成先进先出队列(先到先服务),使用时间片策略
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对高优先级,使用优先调度的抢占式策略
线程的优先级等级
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MAX_PRIORITY:10
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MIN _PRIORITY:1
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NORM_PRIORITY:5
涉及的方法
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getPriority()
:返回线程优先值 -
setPriority(int newPriority)
:改变线程的优先级
说明
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线程创建时继承父线程的优先级
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低优先级只是获得调度的概率低,并非一定是在高优先级线程之后才被调用
线程创建方式二
实现Runnable
接口
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创建一个实现了Runnable接口的类
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实现类去实现Runnable中的抽象方法:run()
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创建实现类的对象
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将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中,创建Thread类的对象
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通过Thread类的对象调用start()
两种方式比较
区别
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继承Thread:线程代码存放Thread子类run方法中。
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实现Runnable:线程代码存在接口的子类的run方法。
实现方式的好处
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避免了单继承的局限性
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多个线程可以共享同一个接口实现类的对象,非常适合多个相同线程来处理同一份资源。
线程的生命周期
要想实现多线程,必须在主线程中创建新的线程对象。Java语言使用Thread类及其子类的对象来表示线程,在它的一个完整的生命周期中通常要经历如下的五种状态:
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新建: 当一个Thread类或其子类的对象被声明并创建时,新生的线程对象处于新建状态
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就绪:处于新建状态的线程被start()后,将进入线程队列等待CPU时间片,此时它已具备了运行的条件,只是没分配到CPU资源
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运行:当就绪的线程被调度并获得CPU资源时,便进入运行状态, run()方法定义了线程的操作和功能
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阻塞:在某种特殊情况下,被人为挂起或执行输入输出操作时,让出 CPU 并临时中止自己的执行,进入阻塞状态
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死亡:线程完成了它的全部工作或线程被提前强制性地中止或出现异常导致结束
线程同步
线程同步问题
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多个线程执行的不确定性引起执行结果的不稳定
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多个线程对数据的共享,会造成操作的不完整性,会破坏数据。
class Ticket implements Runnable { private int tick = 100; public void run() { while (true) { // synchronized (this) implements Runnable 里面是同一个对象 synchronized (this) { if (tick > 0) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出车票,tick号为:" + tick--); } else break; } } } } class Ticket1 extends Thread { private static int tick = 100; public void run() { while (true) { // synchronized (Ticket1.class)字节码对象 extends Thread 里面是同一个对象 this.getClass() synchronized (Ticket1.class) { if (tick > 0) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出车票,tick号为:" + tick--); } else break; } } } } class Ticket2 implements Runnable { private int tick = 10; private boolean flag = true; public void run() { while (tick > 0) { MaiPiao(); } } //synchronized 修饰方法,相当于synchronized(this)、、所以一般用于implements Runnable public synchronized void MaiPiao() {//synchronized 修饰方法时锁定的是调用该方法的对象。它并不能使调用该方法的多个对象在执行顺序上互斥。 try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":进入了线程同步区"); if (tick > 0) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出车票,tick号为:" + tick); tick--; } } } class TicketDemo { public static void main(String[] args) { //同步锁对象一样要一致,所以尽量使用字节码对象:xxxxx.class //或者使用this.getClass()||实现Runnable的情况下,this也可以 /* Ticket t = new Ticket(); Thread t1 = new Thread(t); Thread t2 = new Thread(t); Thread t3 = new Thread(t);*/ Ticket2 tt = new Ticket2(); Thread t1 = new Thread(tt); Thread t2 = new Thread(tt); Thread t3 = new Thread(tt); t1.setName("t1窗口"); t2.setName("t2窗口"); t3.setName("t3窗口"); t1.start(); t2.start(); t3.start(); } }
分析
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问题的原因:
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当多条语句在操作同一个线程共享数据时,一个线程对多条语句只执行了一部分,还没有 执行完,另一个线程参与进来执行。导致共享数据的错误。
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解决办法:
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对多条操作共享数据的语句,只能让一个线程都执行完,在执行过程中,其他线程不可以 参与执行。
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Synchronized
关键字
使用
synchronized
关键字可以解决线程同步问题
使用方式
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同步代码块:
synchronized (对象){
//需要被同步的代码;
}
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同步方法
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synchronized还可以放在方法声明中,表示整个方法为同步方法。
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public synchronized void show (String name){
//需要被同步的代码;
}
关于锁
的概念
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同步锁机制:
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在《Thinking in Java》中,是这么说的:对于并发工作,你需要某种方式来防止两个任务访问相同的资源(其实就是共享资源竞争)。 防止这种冲突的方法就是当资源被一个任务使用时,在其上加锁。第一个访问某项资源的任务必须锁定这项资源,使其他任务在其被解锁之前,就无法访问它了,而在其被解锁 之时,另一个任务就可以锁定并使用它了。
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synchronized的锁是什么?
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任意对象都可以作为同步锁。所有对象都自动含有单一的锁(监视器)。
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同步方法的锁:静态方法(类名.class)、非静态方法(this)
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同步代码块:自己指定,很多时候也是指定为this或类名.class
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注意:
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必须确保使用同一个资源的多个线程共用一把锁,这个非常重要,否则就无法保证共享资源的安全
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一个线程类中的所有静态方法共用同一把锁(类名.class),所有非静态方法共用同一把锁(this),同步代码块(指定需谨慎)
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同步的范围
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如何找问题,即代码是否存在线程安全?(非常重要)
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明确哪些代码是多线程运行的代码 run()
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明确多个线程是否有共享数据
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明确多线程运行代码中是否有多条语句操作共享数据
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如何解决呢?(非常重要)
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对多条操作共享数据的语句,只能让一个线程都执行完,在执行过程中,其他线程不可以参与执行。
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即所有操作共享数据的这些语句都要放在同步范围中
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切记:
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范围太小:没锁住所有有安全问题的代码
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范围太大:没发挥多线程的功能。
Lock
方式
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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。
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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(); try{ //保证线程安全的代码; } finally{ lock.unlock(); } } }
synchronized与Lock的对比
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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
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Lock只有代码块锁,synchronized有代码块锁和方法锁
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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)
线程通讯
概述
一般来说,每个线程自己完成自己的任务就可以了,但有时候,线程的处理会依赖另一个线程的数据,所以就需要线程间通信,来达到同步信息的效果。
使用两个线程打印1-100。线程1, 线程2交替打印
class Communication implements Runnable { int i = 1; public void run() { while (true) { synchronized (this) { notify(); if (i <= 100) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i++); } else break; try { wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } }
通讯方法
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wait()与notify()和notifyAll()
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wait():令当前线程挂起并放弃CPU、同步资源并等待,使别的线程可访问并修改共享资源,而当前线程排队等候其他线程调用notify()或notifyAll()方法唤醒,唤醒后等待重新获得对监视器的所有权后才能继续执行。
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notify():唤醒正在排队等待同步资源的线程中优先级最高者结束等待
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notifyAll ():唤醒正在排队等待资源的所有线程结束等待.
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这三个方法只有在synchronized方法或synchronized代码块中才能使用,否则会报 java.lang.IllegalMonitorStateException异常。
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因为这三个方法必须有锁对象调用,而任意对象都可以作为synchronized的同步锁,因此这三个方法只能在Object类中声明。
wait()方法
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在当前线程中调用方法: 对象名.wait()
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使当前线程进入等待(某对象)状态 ,直到另一线程对该对象发出 notify (或notifyAll) 为止。
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调用方法的必要条件:当前线程必须具有对该对象的监控权(加锁)
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调用此方法后,当前线程将释放对象监控权 ,然后进入等待
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在当前线程被notify后,要重新获得监控权,然后从断点处继续代码的执行。
notify()/notifyAll()
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在当前线程中调用方法: 对象名.notify()
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功能:唤醒等待该对象监控权的一个/所有线程。
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调用方法的必要条件:当前线程必须具有对该对象的监控权(加锁)
线程实现的其他方式
6.1 实现Callable
接口
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与使用Runnable相比, Callable功能更强大些
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相比run()方法,可以有返回值
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方法可以抛出异常
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支持泛型的返回值
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需要借助
FutureTask
类,比如获取返回结果
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Future接口
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可以对具体Runnable、Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果等。
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FutrueTask是Futrue接口的唯一的实现类
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FutureTask 同时实现了Runnable, Future接口。它既可以作为Runnable被线程执行,又可以作为Future得到Callable的返回值
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示例代码
import java.util.concurrent.Callable; import java.util.concurrent.ExecutionException; import java.util.concurrent.FutureTask; /** * 创建线程的方式三:实现Callable接口。 --- JDK 5.0新增 * * * 如何理解实现Callable接口的方式创建多线程比实现Runnable接口创建多线程方式强大? * 1. call()可以有返回值的。 * 2. call()可以抛出异常,被外面的操作捕获,获取异常的信息 * 3. Callable是支持泛型的 * */ //1.创建一个实现Callable的实现类 class NumThread implements Callable{ //2.实现call方法,将此线程需要执行的操作声明在call()中 @Override public Object call() throws Exception { int sum = 0; for (int i = 1; i <= 100; i++) { if(i % 2 == 0){ System.out.println(i); sum += i; } } return sum; } } public class ThreadNew { public static void main(String[] args) { //3.创建Callable接口实现类的对象 NumThread numThread = new NumThread(); //4.将此Callable接口实现类的对象作为传递到FutureTask构造器中,创建FutureTask的对象 FutureTask futureTask = new FutureTask(numThread); //5.将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中,创建Thread对象,并调用start() new Thread(futureTask).start(); try { //6.获取Callable中call方法的返回值 //get()返回值即为FutureTask构造器参数Callable实现类重写的call()的返回值。 Object sum = futureTask.get(); System.out.println("总和为:" + sum); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } catch (ExecutionException e) { e.printStackTrace(); } } }
6.2 使用线程池
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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。
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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。
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好处:
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提高响应速度(减少了创建新线程的时间)
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降低资源消耗(重复利用线程池中线程,不需要每次都创建)
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便于线程管理
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corePoolSize:核心池的大小
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maximumPoolSize:最大线程数
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keepAliveTime:线程没有任务时最多保持多长时间后会终止
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JDK 5.0起提供了线程池相关API:ExecutorService 和 Executors
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ExecutorService:真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor
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void execute(Runnable command) :执行任务/命令,没有返回值,一般用来执行Runnable
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<T> Future<T> submit(Callable<T> task):执行任务,有返回值,一般又来执行Callable
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void shutdown() :关闭连接池
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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
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Executors.newCachedThreadPool():创建一个可根据需要创建新线程的线程池
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Executors.newFixedThreadPool(n); 创建一个可重用固定线程数的线程池
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Executors.newSingleThreadExecutor() :创建一个只有一个线程的线程池
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Executors.newScheduledThreadPool(n):创建一个线程池,它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。
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示例代码
import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor; /** * 创建线程的方式四:使用线程池 * * 好处: * 1.提高响应速度(减少了创建新线程的时间) * 2.降低资源消耗(重复利用线程池中线程,不需要每次都创建) * 3.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 * * * 面试题:创建多线程有几种方式?四种! */ class NumberThread implements Runnable{ @Override public void run() { for(int i = 0;i <= 100;i++){ if(i % 2 == 0){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i); } } } } class NumberThread1 implements Runnable{ @Override public void run() { for(int i = 0;i <= 100;i++){ if(i % 2 != 0){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i); } } } } public class ThreadPool { public static void main(String[] args) { //1. 提供指定线程数量的线程池 ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10); ThreadPoolExecutor service1 = (ThreadPoolExecutor) service; //设置线程池的属性 // System.out.println(service.getClass()); // service1.setCorePoolSize(15); // service1.setKeepAliveTime(); //2.执行指定的线程的操作。需要提供实现Runnable接口或Callable接口实现类的对象 service.execute(new NumberThread());//适合适用于Runnable service.execute(new NumberThread1());//适合适用于Runnable // service.submit(Callable callable);//适合使用于Callable //3.关闭连接池 service.shutdown(); } }
练习:
模拟银行取钱的问题
1.定义一个Account类 1)该Account类封装了账户编号(String)和余额(double)两个属性
2)设置相应属性的getter和setter方法
3)提供无参和有两个参数的构造器
4)系统根据账号判断与用户是否匹配,需提供hashCode()和equals()方法的重写
2.提供两个取钱的线程类:小明、小明’s wife
1)提供了Account类的account属性和double类的取款额的属性
2)提供带线程名的构造器
3)run()方法中提供取钱的操作
3.在主类中创建线程进行测试。考虑线程安全问题。
@Data @AllArgsConstructor @NoArgsConstructor class AccountX { private String number; private double money; @Override public boolean equals(Object o) { if (this == o) return true; if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false; AccountX accountX = (AccountX) o; return Double.compare(accountX.money, money) == 0 || Objects.equals(number, accountX.number); } @Override public int hashCode() { return Objects.hash(number); } } @Data class User extends Thread { private AccountX accountX; private double RMB; public User(AccountX accountX, String name,double RMB) { super(name); this.accountX = accountX; this.RMB =RMB; } @Override public void run() { while (true) { try { sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } synchronized (User.class) { if (accountX.getMoney() >= 0) { double v = accountX.getMoney() - RMB; if (v >= 0){ accountX.setMoney(v); System.out.println(currentThread().getName() + ":取钱" + RMB + "\t 余额:" + accountX.getMoney()); } else { System.out.println(currentThread().getName() + ":取钱" + RMB+"失败!!"+ "\t 余额:" + accountX.getMoney()); break; } } } } } } class TestWork { public static void main(String[] args) { AccountX accountX = new AccountX("天地银行",5000); User xiaoming = new User(accountX, "小明",500); User grid = new User(accountX, "小明Grid",1500); xiaoming.start(); grid.start(); /*MyBank thread = new MyBank(); MyBank thread1 = new MyBank(); thread.setName("线程q"); thread1.setName("线程x"); thread.start(); thread1.start();*/ } }
个性签名:独学而无友,则孤陋而寡闻。做一个灵魂有趣的人!
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Java入门到入坟
万水千山总是情,打赏一分行不行,所以如果你心情还比较高兴,也是可以扫码打赏博主,哈哈哈(っ•̀ω•́)っ✎⁾⁾!
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